3.3 CPU 的常用技术（课件）-《计算机原理》(电工版第五版) 同步精品课堂

计算机原理 -第15课时- 电工版第五版 CPU 的常用技术 教学目标 了解 CPU 提高速度的常用方法 掌握与指令集相关的技术（复杂指令系统、精简指令系统等） 熟悉与并行处理相关的技术（超标量技术、向量处理技术等） 教学重难点 不同指令集技术的特点和原理 并行处理技术的实现方式和应用 理解流水线技术和超级流水线的工作原理 让我们一起开启单片机的学习之旅。 导入新课 CPU 的主要任务是快速处理系统中的大量信息和数据 有哪些技术可以帮助 CPU 突破速度极限呢？ 让我们一起探索 CPU 的常用技术。 新知讲授 概述 CPU的性能对于整个系统的运行速度和响应能力起着至关重要的作用。然而，在使用计算机过程中，并非每个用户都能充分利用CPU的潜力。如何提高CPU的处理能力呢？ 提高 CPU 速度的常用方法包括： 1. 优化指令集 2. 提高处理单元每个工作单元的效率 3. 配置更多的工作单元或新的运行方式来增加并行处理能力 4. 缩短运行的时钟周期及增加字长 CPU 提高速度的常用方法 新知讲授 CPU 是一个庞大的家族，可以按照指令集、应用领域进行分类。 CPU 的常用技术分类 CPU 的主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据，从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器进行指令解码，将指令分解成一系列的微操作，连接到各种能够进行所需运算的 CPU 模块部件，发送控制命令，从而完成指令的 执行。 新知讲授 指令系统 CPU 根据指令集可分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两大类，其中，复杂指令集以 x86 架构为主，精简指令集以 ARM 架构为主，此外还包括 MIPS、RISC-V 等架构。 复杂指令系统通过增加指令数量和让指令完成更复杂工作来提高操作系统效率，采用该指令系统的计算机为复杂指令系统计算机（CISC）。编程方便高效，但指令复杂，实现难度和出错概率增加，纯粹的 CISC 几乎不存在。 与指令集相关的技术 复杂指令系统 新知讲授 精简指令系统 CISC 中常用简单指令占比 20%，但使用频率达 80%。精简指令系统计算机（RISC）选用高频简单指令，减少指令数目，缩短指令长度和周期，降低硬件设计难度，提高芯片集成度和工作速度。 与指令集相关的技术 新知讲授 指令集是 CPU 所执行的指令的二进制编码方法，是软件和硬件的接口规范。 与指令集相关的技术 主导桌面/服务器 CPU 市场，凭借高性能和广泛兼容性长期占据计算生态核心地位。 x86 架构 崛起移动市场，以低功耗和高能效比成为智能手机及嵌入式设备的主流选择。 ARM 架构 物联网时代的新选择，开源特性与模块化设计满足定制化需求，推动边缘计算发展。 RISC-V 架构 RISC 先驱，早期在教育与嵌入式领域影响深远，近年逐步被新兴架构替代。 MIPS 架构 逐渐退出历史舞台，曾在高性能计算领域应用，现因生态收缩转向特定垂直场景。 POWER 架构 新知讲授 超长指令字（VLIW）技术 超长指令字技术是单指令流、多操作码、多数据的系统结构。编译程序将多个并行操作组合成超长指令，控制多个独立功能部件，相当于同时执行多条指令。 与指令集相关的技术 由编译程序挖掘出指令间潜在的并行性， 将多条能并行操作的指令组合成一条 具有多个操作码字段的超长指令字（可达几百位） 采用多个处理部件 新知讲授 显式并行指令技术 显式并行指令技术合并了 RISC 和超长指令字的优势，由 Intel 开发。通过优化编译器，给处理单元暗示和线索，加快代码段执行，更需整合软硬件优势。 与指令集相关的技术 一个问题被分解成为一系列可以并发执行的离散部分； 每个部分可以进一步被分解成为一系列离散指令； 来自每个部分的指令可以在不同的处理器上被同时执行； 需要一个总体的控制/协作机制来对不同部分的指令进行调度 新知讲授 根据视频内容，讨论CPU是如何根据指令集实现计算功能的 与指令集相关的技术 新知讲授 流水线技术 流水线技术核心思想如工厂产品装配线，将复杂装配过程分解为简单工序，提高每个环节效率，加快整体速度。在 CPU 中，指令执行可分解步骤，流水线使指令重叠执行，提高效率。 与指令集相关的技术 取指（IF）：从指令存储器或Cache中取指令。 译码/读寄存器（ID）：操作控制器对指令进行译码，同时从寄存器堆中取操作数。 执行/计算地址（EX）：执行运算操作或计算地址。 访存（MEM）：对存储器进行读写操作。 写回（WB）：将指令执行结果写回寄存器堆。 假设一条指令的执行过程分为如下5个阶段（也称功能段或流水段） 新知讲授 超级流水线 超级流水线原理与流水线技术相同，但流水线周期更短，适应更高时钟频率 CPU，可能提高效率，但控制代价较大。 与指令集相关的技术 超级流水线以增加流水线级数的方法来缩短机器周期，相同的时间内超级流水线执行了更多的机器指令。采用简单指令以加快执行速度是所有流水线的共同特点，但超级流水线配置了多个功能部件和指令译码电路，采用多条流水线并行处理，还有多个寄存器端口和总线，可以同时执行多个操作，因此比普通流水线执行的更快，在一个机器周期内可以流出多条指令。 新知讲授 基于应用领域的技术 微处理器分类概述 包括中央处理器（CPU），广泛应用于个人计算机、服务器等通用计算领域，处理复杂任务和多样化应用。 集成处理器核心、存储器和外设接口，主要应用于嵌入式系统，如家电控制、工业自动化等特定场景。 针对特定应用优化设计，如数字信号处理器（DSP）、图形处理器（GPU），用于高效处理专项任务。 通用微处理器（MPU） 微控制器（MCU） 专用处理器 新知讲授 CPU产业链供应关系 CPU 的产业链上游包括支撑集成电路设计和制造的 EDA 辅助设计工具和 IP 服务，半导体制造设备、芯片生产测试流程。 CPU产业链供应关系 目前 CPU 的产业链上游企业多为国外知名厂商，具有垄断优势，国产化程度较低。 新知讲授 超标量技术 超标量（superscalar）CPU架构是指在一颗处理器内核中实行了指令级并行的一类并行运算。这种技术能够在相同的CPU主频下实现更高的CPU吞吐率（throughput）。 与并行处理相关的技术 新知讲授 向量处理技术 通常把一串相互独立的数称为向量，一组数的运算称为向量处理，需要相应的处理单元和数据表示。向量处理技术热门且应用广泛。 与并行处理相关的技术 上面的代码是典型的向量求和指令，V1、V2和V3是三个具有相同类型和长度的标量组成的向量。这个指令有两种解释方式： 向量作为memory operand：V1中的内容作为基址，V2中的内容作为向量的长度，V3中的内容作为步长。 向量作为寄存器，即将V2，V3向量寄存器中的内容求和放入V1向量寄存器。 ADDV V1, V2, V3 新知讲授 什么是指令集 所谓指令集，就是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合，而每一种新型的CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。而指令集的先进与否，也关系到CPU的性能发挥，它也是CPU性能体现的一个重要标志。 指令集是一直在发展的，在CISC指令集中，慢慢的发展了一系列的指令集： X86指令集： MMX指令集：（MultiMedia eXtensions） SSE指令集：Streaming SIMD Extensions（系列） AVX指令集：（Advanced Vector Extensions） 与并行处理相关的技术 新知讲授 向量处理技术 - MMX 指令集 MMX 指令集由 Intel 开发，有 57 条指令，允许 CPU 同时对 2 个、4 个甚至 8 个数据并行处理，在 Pentium MMX 结构 CPU 中增加 64 位寄存器。 它于1996年集成在英特尔奔腾 (Pentium) MMX处理器上，以提高其多媒体数据的处理能力。最初用于提高 3D 数据处理能力，但因 3D 技术更需浮点运算，后被其他指令集取代。 与并行处理相关的技术 新知讲授 向量处理技术 - 3DNow! 指令集 3DNow! 指令集由 AMD 开发，有 21 条新指令，缓解 CPU 与三维图形加速卡之间的传输瓶颈，致力于提高个人计算机在三维图形、Internet VRML、AC - 3 杜比环绕音效处理及其他浮点运算密集型应用程序上的处理能力。 与并行处理相关的技术 新知讲授 向量处理技术 - SSE 指令集 SSE 由 Intel 开发，曾称 “KNI”，最终名为流式 SIMD 扩展。有 70 条指令，含 50 条 SIMD 浮点指令、12 条全新 MMX 指令和 8 条系统内存数据流传送优化指令。通过 8 个 128 位单精度寄存器，同时处理 4 个单精度浮点变量，提供 “处理单元分离模式”。 与并行处理相关的技术 在Pentium 4 CPU中，Inter公司开发了新指令集SSE2。SSE2指令一共144条，包括浮点SIMD指令、整形SIMD指令、SIMD浮点和整形数据之间转换、数据在MMX寄存器中转换等几大部分。其中重要的改进包括引入新的数据格式，如：128位SIMD整数运算和64位双精度浮点运算等。 SSE4增加了50条新的增加性能的指令，这些指令有助于编译、媒体、字符/文本处理和程序指向加速。 新知讲授 多处理单元技术 - 多内核技术 多内核技术在一枚处理单元中集成两个或多个完整计算引擎（内核），单芯片多处理单元技术通过集成多个微处理单元核心提高程序并行性，每个核心可并行执行程序代码，具有较高线程级并行性。 与并行处理相关的技术 多处理单元技术 - 多路技术 多路技术采用多颗支持 SMP 技术的 CPU 组成系统，SMP 即对称多处理技术，各 CPU 共享内存子系统及总线结构，系统将任务队列对称分布于多个 CPU 上，提高系统数据处理能力，所有处理单元平等访问资源，工作负载均匀分配。 随堂检测1 简述复杂指令系统（CISC）的优缺点。 答案：优点是编程方便高效；缺点是随着计算机功能增强，CPU 指令越来越复杂，实现难度和出错概率大大增加。 流水线技术的核心思想是什么？ 答案：将复杂的装配过程分解成一个一个简单的工序，让每个装配工人只专门从事其中的一个环节，提高每个人的办事效率，从而使整个产品装配的速度加快。在 CPU 中，使指令重叠执行，提高效率。 练一练 随堂检测2 超标量技术是如何提高计算机处理速度的？ 答案：超标量技术通过重复设置大量的处理单元，并按一定方式连接起来，在统一的控制部件控制下，通过并行操作来完成各自分配的不同任务，通过典型的资源重复设置来提高计算机处理速度。 简述多内核技术的概念。 答案：多内核技术是指在一枚处理单元中集成两个或多个完整的计算引擎（内核），单芯片多处理单元技术通过在一个芯片上集成多个微处理单元核心来提高程序的并行性，多个微处理单元核心可以并行地执行程序代码，具有较高的线程级并行性。 练一练 随堂检测3 超长指令字（VLIW）技术是（ ） A. 一种单指令流. 单操作码. 单数据的系统结构 B. 一种单指令流. 多操作码. 多数据的系统结构 C. 一种多指令流. 单操作码. 多数据的系统结构 D. 一种多指令流. 多操作码. 单数据的系统结构 【答案】B 【解析】超长指令字技术是一种单指令流. 多操作码. 多数据的系统结构，它可使编译程序把多个能并行执行的操作组合成一条超长指令，控制多个功能部件并行工作，所以选 B。 练一练 随堂检测4 精简指令系统计算机（RISC）选用的指令是（ ） A. 使用频率最高的一些简单指令，以及很有用又不复杂的指令 B. 复杂的指令 C. 所有指令 D. 很少使用的指令 【答案】A 【解析】RISC 选用使用频率最高的一些简单指令，以及很有用又不复杂的指令，使得指令数目减少，所以选 A。 练一练 师生互动 1 分组讨论不同指令集技术和并行处理技术在实际应用中的优缺点，以及如何根据不同的应用场景选择合适的技术。 课题小结 1. 与指令集相关的技术 CPU 的常用技术 2. 与并行处理相关的技术 超标量技术 向量处理技术 多处理单元技术 复杂指令系统 精简指令系统 超长指令字（VLIW）技术 显式并行指令技术 流水线技术 超级流水线 MMX 指令集 3DNow! 指令集 SSE 指令集 谢谢观看 THANKS Lavf58.46.101 $