介绍一下计算机体系结构

haidaowang · 发表于 2020-1-15 09:37

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引言

阵而后战,兵法之常,运用之妙,存乎一心。

先说两个概念：

1》图灵机：说白了，一句话，就是当前状态，和输入，共同决定输出内容。这样的机器，就是图灵机。图灵，是个名人，也是个人名，在二次世界大战中在一个小区里做出了很大贡献，当然不是他一个人在战斗。

2》计算机体系结构（冯。诺依曼）：也说白了，一句话，就是，数据和操作都放在存储器中，CPU从存储器中取操作和数据，然后进行根据操作把数据运算一下，最后把运算结果也放到存储器中。操作和数据合在一起就是一条“指令”。很多指令合在一起，就是一个指令集。在很多年前，指令集在一定程度上就代表着计算机体系结构。

冯。诺依曼体系结构就是图灵机的具体实现方式之一。

针对图灵机，举个例子，在大学的数字电路都学过的话就会发现，整个内容可以分成两类，一类是组合逻辑电路（由基本与或非门电路组成），一类是时序逻辑电路（由带反馈的门电路构成的触发器）。其实，要想有“当前状态”，就需要触发器（触发器组成寄存器），要想对输入和当前状态进行处理，就需要组合逻辑电路。组合电路和时序电路共同组成了现在的大规模集成电路，和超大规模集成电路（VLIC）。

针对计算机体系结构，也举个例子：

1》，上世纪六七十年代，计算机体系结构，几乎就等同于ISA（指令集），这句话需要仔细体会一下。

2》，上世纪八九十年代，“存储墙”导致了cache的出现，21世纪初，“功耗墙”导致了多核的出现，下一步，“带宽墙”会带来什么变革呢？

3》，汽车刚出现的时候，追求的是汽车能跑的快，试想，如果汽车还不如马车跑得快的话，还买汽车啊。但是你看现在，追求的是油耗，是跑100公里耗几个油儿。这，就是时代的进步。

4》还要记住一点，就是principle of entropy increase。即熵增加原理，在孤立系统中，一切不可逆过程必然朝着熵增加的方向进行。熵是什么呢，就是体系的混乱程度。计算机的工作的本质，就是把无序的事情变得有序。

计算机体系结构

反过头去看一下冯诺依曼体系结构，

1》刚开始，要想让计算机运行的更快，就是要给CPU提供足够的操作和数据，为了提供操作（指令）就引进了转移预测技术，为了提供数据就引进了cache技术，为了提高执行速度，

2》就有了流水线，有了流水线就有了流水线遇险（hazard）的问题，包括（RAW，WAR，WAW），

3》为了解决RAW，就引入了直通（bypass）技术，

4》为了解决WAR和WAW，就引入了乱序执行技术，即保留站技术（tomasulo），寄存器重命名（renaming）技术，

5》但是乱序执行就使异常不精确（精确异常，就是异常产生时要保证，产生异常的这条指令前面的指令都执行完毕，后面的指令都没有执行，这样，异常返回后知道从哪开始执行），

6》为了实现精确异常，就引进了重排序缓存技术（ROB：reorder buffer），

自此，纵观一下，体系结构的工作就是，顺序进入，乱序执行，有序提交，这样一个过程。

即使这样，人类还不满足，于是再增加流水线的条数，即超标量，

把流水线的级数增加以提高工作平率，即超流水线。

以上这些，归于5个字：指令集并行（ILP）。

所以人们又开发线程级并行技术，进程级并行。所以就有了多核的CPU。当然，事情还不只这些，暗硅（dark silicon）问题，工作电压接近晶体管阈值，集成度造成的功耗问题，等等等等这些，人们就相出了很多办法，单个CPU咱们进一步有困难，咱们就把多个CPU放在一块，咱们就搞ASIC，搞FPGA，搞CPU和ASIC的混合物(heterogeneous architecture)。

一个小故事

上面包含了很多概念，下面就通过我的一个小故事来说明一些概念的意思。

上周末，我和我的媳妇，我的一个朋友和他的媳妇，我们四个人从老家出发一起来北京，我们共开了2辆车，我朋友的车是奔驰，我的车是帝豪（跟奔驰没法比）。我们4人2车就上路了，故事也就开始了：

由于我们家是农村的，所以农村的路都是单行道，没法超车，我的车在前面，跑的很慢，后面的车再好也没办法，只能在屁股后面跟着，（静态流水线）。

过了一会，有一个北京的同学（小武）给我打电话说上星期借我的那本《HeadFirst》看完了，说等我回北京后在还给我，我说行，这时我媳妇说，”小峰不是说要借这本书看吗，直接让小武把书给小峰不就得了吗，真是的，这么费劲，这样的话就不用等你回北京，然后小武把书给你，你再给小峰，多麻烦啊，还省得小峰等的着急“（直通技术）。

终于，路变得宽了一些，，这时，我就把车开到了靠路边的地方（保留站），

奔驰不用再等我这辆小破车了，呜。。。一下子就跑到了我前面（动态流水线乱序执行），

终于，上高速了，车道一下子变成了4个（多发射或超标量），

后来我们出了收费站，到了北京，马路多了很多条，有很多路线都可以到我住的那个地方（多核），

最后我们四个人到了我们家，我们家的大门口比较小，依次只能通过一个人，于是我们按照我们刚出老家的顺序，进入了我们家。（ROB）

到此为止，好了，有些地方可能不是太准确，请见谅。

附：

上面这些内容都是给CPU提供足够的粮食来喂饱饥饿的CPU，当然也不能忽略CPU的本质，就是计算。虽然计算模块在现在CPU的面积比例已经很少（20%左右），还是提一下吧，加法器，乘法器。乘法器的实现，是运用Booth算法，和华莱士树将两个数的相乘，变成两个数的相加来实现的。

小结

书上学来终觉浅，绝知此事要躬行。最后以龙芯的框图来结束本文吧。

CCxiaom · 发表于 2020-1-15 17:58

计算机体系结构

airuntao · 发表于 2020-1-17 14:06

不知所云...............................

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