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计算机组成原理论文.doc

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.05M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    计算机指令系统与中国 CPU 的发展 摘要：指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接 影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。 随着网络时代的到来，网络通信、信息安全和信息家电产品将越来越普及， 而 CPU 正是所有这些信息产品中必不可少的部件。 关键字：指令系统 中国 CPU 发展 一 计算机指令系统 1 计算机指令系统的发展 计算机的程序是由一系列的指令组成的,指令就是要计算机执行某种操作的 命令。从计算机组成的层次结构来说, 计算机的指令有微指令、机器指令和宏指 令之分。指令系统是指: 一台计算机中所有机器指令的集合, 它是表征一台计算 机性能的重要因素, 其格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构, 也直接影响 到系统软件, 影响到机器的适用范围。指令系统的发展经历了从简单到复杂的演 变过程, 20 世纪 50 年代: 指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移 等十几至几十条指令; 20 世纪 60 年代后期: 增加了乘除运算、浮点运算、十进 制运算、字符串处理等指令,指令数目多达一二百条, 寻址方式也趋多样化;20 世 纪 70 年代末期:大多数计算机的指令系统多达几百条。我们称这些计算机为复杂 指令系统计算机(CISC)。但是如此庞大的指令系统难以保证正确性, 不易调试维 护, 造成硬件资源浪费。为此人们又提出了便于 VLSI 技术实现的精简指令系统 计算机( RISC) 。 指令系统是计算机体系结构最基本的特征。早期,人们采用微程序设计技术 让指令系统变得日趋复杂, 后来逐渐认识到这种复杂指令系统计算机(CISC)并 不能很好的提高系统性能,于是设计师们提出了精简指令系统计算机(RISC)体系 结构,并在一个芯片上实现了 CPU。随着 RISC 微处理器迅速发展, 人们又发现 RISC 指令系统并不能充分实现指令级并行处理,从而影响了计算机性能的进一 步提高,又出现了超长指令字(VLIW)计算机指令系统。
    2 计算机指令系统的研究 1 指令系统简介在计算机指令系统的优化发展过程中, 出现过两个截然不 同的优化方向: CISC 技术和 RISC 技术。CISC 是指复杂指令系统计算机(**plex Instruction Set **puter); RISC 是指精减指令系统计算机(Reduced Instruction Set**puter)。这里的计算 机指令系统指的是计算机的最低层的机器指令, 也就是 CPU 能够直接识别的指 令。随着计算机系统的复杂, 要求计算机指令系统的构造能使计算机的整体性能 更快更稳定。最初, 人们采用的优化方法是通过设置一些功能复杂的指令, 把一 些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统实现, 以此来提高计算机 的 执 行 速 度 , 这 种 计 算 机 系 统 就 被 称 为 复 杂 指 令 系 统 计 算 机 , 即 plex InstructionSet puter, 简称 CISC。另一种优化方法是在 20 世纪 80 年代才发展起 来的, 其基本思想是尽量简化计算机指令功能, 只保留那些功能简单、能在一个 节拍内执行完成的指令,而把较复杂的功能用一段子程序来实现, 这种计算机系 统就被称为精简指令系统计算机。即 Reduced Instruction Set puter, 简称 RISC。 RISC 技术的精华就是通过简化计算机指令功能, 使指令的平均执行周期减少, 从而提高计算机的工作主频, 同时大量使用通用寄存器来提高子程序执行的速 度。 2 RISC 的提出采用复杂指令系统的计算机有着较强的处理高级语言的能力. 这对提高计算机的性能是有益的。1979 年以帕特逊教授为首的一批科学家也开 始在美国加册大学伯克莱分校开展这一研究。结果表明, CISC 存在许多缺点。 首先,在这种计算机中, 各种指令的使用率相差悬殊:一个典型程序的运算过程所 使用的 80% 指令,只占一个处理器指令系统的 20% , 事实上最频繁使用的指令 是取、存和加这些最简单的指令,这样一来, 长期致力于复杂指令系统的设计, 实 际上是在设计一种难得在实践中用得上的指令系统的处理器。同时, 复杂的指令 系统必然带来结构的复杂性, 这不但增加了设计的时间与成本还容易造成设计 失误。此外, 尽管 VLSI 技术现在已达到很高的水平, 但也很难把 CISC 的全部 硬件做在一个芯片上, 这也妨碍单片计算机的发展, 在 CISC 中, 许多复杂指令 需要极复杂的操作, 这类指令多数是某种高级语言的直接翻版, 因而通用性差. 由于采用二级的微码执行方式, 它也降低那些被频繁调用的简单指令系统的运
    行速度。因而, 针对 CISC 的这些弊病,帕特逊等人提出了精简指令的设想即指令 系统应当只包含那些使用频率很高的少量指令, 并提供一些必要的指令以支持 操作系统和高级语言, 按照这个原则发展而成的计算机被称为精简指令集计算 机(Reduced Instruction Set **puter-当前计算机发展的主流是什么呢？国内外比较 一致的看法是 RISC RISC 是精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set **puter）的英文缩写。 所谓指令系统计算机所能执行的操作命令的集合。程序最终要变成指令的序列， 计算机能执行。计算机都有自己的指令系统，对于本机指令系统的指令，计算机 能识别并执行，识别就是进行译码——把代表操作的二进制码变成操作所对应的 控制信号，从而进行指令要求的操作。一般讲，计算机的指令系统约丰富，它的 功能也约强。RISC 系统将指令系统精简，使系统简单，目的在于减少指令的执 行时间，提高计算机的处理速度。传统的计算机一般都是每次取一条指令，而 RISC 系统采用多发射结构，在同一时间发射多条指令，当然这必须增加芯片上 的执行部件。 二 迅速崛起的中国 CPU 随着网络时代的到来，网络通信、信息安全和信息家电产品将越来越普及， 而 CPU 正是所有这些信息产品中必不可少的部件。根据使用范围的不同，CPU 可分为通用 CPU 和嵌入式 CPU。通用 CPU 主要用作计算机（如 PC 等）的处理 器，具有较强的通用性，要求有较强的运算和处理能力、较大的存储器寻址空间 和较快的存储速度。Intel 公司的 X86 系列 CPU 是最具代表性的。而中国的 CPU 又处在一种怎么样的发展形势呢？下面我们介绍中国 CPU 的发展 CPU 微电子中国芯 CPU 是计算机的心脏，包括运算部件和控制部件，是完成各种运算和控制 的核心，也是决定计算机性能的最重要的部件。CPU 从最初发展至今已二十多 年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU 可以分为：4 位微处理器、 8 位微处理器、16 位微处理器、32 位微处理器以及正在酝酿构建的 64 位微处理 器，可以说个人电脑的发展是随着 CPU 的发展而前进的。 1、中国 CPU 的发展足迹 在改革开放二十几载后，我们的综合国力有了质的飞跃，虽然现在仍然不能
    和西方发达国家相比，但也已经不再是紧巴巴的过日子了。我国的电脑产业也在 市场和政策的双重推动下有了长足的发展，尤其是电脑产品制造业，广东的深圳、 东莞，江苏的苏州工业园以及上海地区形成了中国微电子（包括电脑产品的生产） 产品生产的两大基地。 现在在国内销售的各种品牌的电脑产品有 80％以上都是上述地方生产的。 电脑产品生产制造业在国内迅速兴起，在很大程度上推动了电脑核心技术的研发 （说的专业一些就是计算机核心技术）。这其中最具突破性的成果就是国产民用 处理器的研制成功。“我国首枚实用化 32 位 CPU 芯片‘方舟-1’7 月 8 日在京通过 专家鉴定。这一微电子与计算机领域的重大突破，改写了我国信息产业无‘芯’的 历史”。这是 2001 年 7 月 11 日《人民日报》《科教.经济.文化》版的报道。消息 一经公布，在当时立刻掀起了非常大的波澜，确切些说是风暴。不论是舆论还是 普通民众都将溢美之词毫不保留的全部献给了“方舟-1”处理器。作为中国人，这 是非常值得骄傲的，尽管它仅仅是嵌入式处理器，尽管它的应用范围只在银行、 网络计算机等领域，亦尽管它的性能连当时的奔腾 200MMX 处理都无法相比。 但无论如何，它是中国的，是属于中国人自己的“芯”。同时也表明，中国将降低 对外国 CPU 的依赖程度。当然，他的性能无法与现在的 Intel、AMD 的 CPU 生 产大鳄相比，但“方舟-1”让我们看到了希望。一种能够用上“中国芯”的希望。“方 舟-1”嵌入式处理器正式发布之后，“中国芯”就犹如雨后春笋般冒了出来。在 2001 年到 2005 年这短短的近 4 年时间里，先后就有“星光”、“汉芯、“龙芯”、“万通 一号”、“众志”等十几款国产处理器发布，这种情形可以用欣欣向荣来形容。如 此之多的国家 CPU 发布，虽然令国人为之振奋，为之骄傲。来看看这些年来国 产 CPU 的发展历程吧。 星光一号：2001 年 3 月问世，是第一个打进国际市场的中国芯片。 星光二号：2002 年 5 月问世，是全球第一个音频视频同体的图像处理芯片。 星光三号：2002 年 9 月问世，是中国第一块具有 CPU 驱动的图像处理芯片。 星光四号：2003 年 2 月问世，是中国第一块移动多媒体芯片。 星光五号：2003 年 6 月中星微电子公司正式发布数字多媒体芯片 “星光五号”，并宣布“星光五号”已经成功实现产业化，被国际知名品牌罗枝、惠 普、创新科技、三星、富士通等大量应用。随着国际知名品牌大规模应用“星光
    五号”，“星光”系列芯片在世界同类芯片中已占据绝对领先的市场份额。这是中 国芯片业的历史性突破，标志着中国 芯片已经在某些领域进入世界领先行列。 北大众志：2003 年 12 月 8 日，北大众志-863 系列的 CPU 系统芯片由北京大学 微处理器研究开发中心研制成功。北大众志 CPU 系统芯片分别了采用 0.25 微米 和 0.18 微米的工艺流片。同时在内部集成了 32 位定点微处理器、64 位浮点协处 理器，芯片规模达到 800 万晶体管，为我国最大规模的 CPU 系统芯片。 湖南中芯：2003 年 10 月 23 日，我国第一片具有完全自主知识产权的数字图像 与视频压缩编码解码芯片诞生。 万通 l 号：2003 年 9 月 25 日，可应用于公共服务、企业用户、校园网、政府机 构、家庭及个人用户的芯片诞生。 方舟 1 号：2001 年 7 月 8 日，在中国专家的鉴定下正式发布。 方舟 2 号：2003 年 8 月 11 日，海淀区的电子政务领域正式推广使用具有我国自 主知识产权芯片的网络计算机。 S698：2003 年 5 月，全国首家系统级芯片（SoC）设计平台日前在哈工大微电子 中心搭建成功。 神州龙芯：20O3 年 3 月 5 日开始收尾，是从去年推出的 32 位、266 兆赫版本改 进而来，它针对的是嵌入系统市场。 龙芯指令集： CPU 访存指令 24 个 全部来自 MIPS CPU 算数指令(ALU) 10 个 全部来自 MIPS CPU 算数指令 14 个 全部来自 MIPS CPU 乘除指令 12 个 来自 MIPS 12 个 来自龙芯(其中 8 个重复 MIPS 指令功能) CPU 跳转分支指令 20 个 全部来自 MIPS CPU 位移指令 15 个 全部来自 MIPS CPU 特殊指令 2 个 全部来自 MIPS
    CPU 异常指令 12 个 全部来自 MIPS CPU CPO 指令 10 个 全部来自 MIPS 龙芯处理器共 131 个指令，其中 119 个来自 MIPS，12 个来自龙芯(但其中 MULTG、DMULTG、 MULTUG、DMULTUG、DIVG、DDIVG、DIVUG、DDIVUG 共 8 个重复 MIPS 的指令功能。) 龙芯 1 号 (英文名称 Godson-1)于 2002 年研发完成，是一颗 32 位元的处理器，内频(也称：主频) 是 266 MHz。 龙芯 2 号(英文名称 Godson-2)于 2003 年正式完成并发布。 龙芯 2 号是 64 位元处理器，内频为 300MHz 至 1000MHz，500MHz 版约与 1GHz 版的 Intel Pentium III、Pentium 4 拥有相近的效能水平。 龙芯 2 号最初版本 龙芯 2 号最初的版本是用 0.13 微米的制程技术，往后也会使用更精细的制程技术。事 实上龙芯 2 号当称为一个系列，过程中经过数次步阶进化，已知的有 2、2A、2B、2C、2E、 2F 等型号，目前龙芯 2 号处理器已用于黄羊河公司(YellowSheepRiver，简称：YSR)的低价 型 Linux 桌上型电脑(也称：台式机)：Municator 中，最初的售价约为 1200 元人民币。其 电脑皆有在 2006 年 3 月德国汉诺威 CeBIT 及 6 月的台北国际电脑展览会中展出。 龙芯 2E 2006 年 6 月，龙芯 2E 继成功在法国流片成功后，全世界排名第五位的集成电路生产商 --意法半导体公司与中科院计算所签订技术许可协议，购买龙芯 2E 的生产和全球销售权。 意法半导体计划每年销售龙芯芯片 1000 万片以上。 2006 年 9 月 13 日，中国科学家宣布研制成功通用中央处理器芯片龙芯 2E。它是一款采 用 64 位元 MIPSⅢ指令集的 RISC 处理器，采用 90 纳米的 CMOS 工艺，晶体管数目是 4700 万 个，芯片面积是 6.8mm×5.2mm。最高主频达到 1.0GHz，一般频率是 800MHz，功耗大约是 5-7 瓦。实际运行频率定于 660MHz。规格方面，龙芯 2E 处理器有 128KB 一级缓存、512KB 二级 缓存。性能方面，它的单精度浮点运算速度是每秒 80 亿次，双精度浮点运算速度是每秒 40 亿次。龙芯 2E 在 1.0GHz 主频下，SPEC CPU2000 的得分为 500 分，综合性能达到 Pentium III 和 Pentium 4 的水平。 龙芯 2F 龙芯 2F 与龙芯 2E 相比，主要有以下几个方面的提高。一是主频提高 30%以上，通过频 率筛选，将有 1GHz 以上的产品。二是相同频率下功耗降低 40%左右，并增加了很多诸如降 频、温度传感器、关闭 L2 等功耗管理功能。三是集成了更多的系统功能，除了 CPU 外，还 集成了 DDR2 内存控制器、66MHz PCI/100MHz PCIX 控制器、Local IO 控制器、GPIO、中断
    控制器、DMA 控制器、部分显示加速等功能，将大幅度降低系统成本。四是封装更小，龙芯 2E 的封装为 35mm*35mm，龙芯 2F 为 27mm*27mm。五是可测性设计(DFT)和可生产性设计(DFM) 有明显提高，因此可以降低芯片成本。 龙芯 2G 龙芯 2G 在设计规格上相当于龙芯 3A 的单核版。与上一代龙芯 2F 相比，在二级缓存容 量、IO 总线带宽，配套桥片性能上都有大幅提升。龙芯 2G 目前在 1GHz 情况下运行稳定， 可提供更好地用户体验，并适用于笔记本电脑与瘦客户机等移动与桌面市场。 龙芯 3A 中国第一个具有完全自主知识产权的四核 CPU，龙芯 3 号处理器采用的是 65nm(纳米) 工艺，主频 1GHz，晶体管数目 4.25 亿个， 单颗龙芯 3A 的最大功耗为 15W，理论峰值为 16Gflops，每颗 CPU 单瓦特能效比 1.06Gflops/W，是目前 X86 CPU 的 2 倍以上，达到了世 界先进水平。龙芯 3 号多核 CPU 系列产品定位服务器和高性能计算机应用。 龙芯 3A 集成了四个 64 位超标量处理器核、4MB 的二级 Cache、两个 DDR2/3 内存控制器、 两个高性能 HyperTransport 控制器、一个 PCI/PCIX 控制器以及 LPC、SPI、UART、GPIO 等 低速 I/O 控制器。龙芯 3A 的指令系统与 MIPS64 兼容并通过指令扩展支持 X86 二进制翻译。 龙芯 3B 继龙芯 3A 后，龙芯 3 号系列处理器的第二代产品——8 核龙芯 3B 处理器已于今年年初 流片成功。目前龙芯公司相关部门正在对该款芯片做进一步的开发和测试工作。预计今年夏 天实现量产。 龙芯 3B 仍采用 65 纳米生产工艺，在单个芯片上集成 8 个增强型龙芯 GS464 处理器核， 它可以与 MIPS64 兼容，并支持 X86 虚拟机和向量扩展。在 1G 主频下可实现 128G flops 的 运算能力。在存储设计方面，龙芯 3B 最多可同时处理 64 个访问请求，可提供 12.8GB/S 的 访存带宽。在 I/O 接口方面，龙芯 3B 实现 2 个 16 位的 HyperTransport 接口，可提供高达 12.8GB/S 的 IO 吞吐能力。八核龙芯 3 号的芯片对外接口与四核龙芯 3 号完全一致，两款芯 片引脚完全兼容，可实现无缝更换。 2、中国 CPU 面临着严峻的考验 中国 CPU 还远远未能在民用市场争得一席之地是我们不得不面对的事实。 用在对处理器要求较低的网络计算机、银行、交通监控等领域，因为这些处理器 的性能根本就无法与 Intel 和 AMD 的处理器在 PC 或服务器领域一争雌雄。因此， 其无法进入主流也是必然的了。这部分市场是 CPU 市场利润最大的一部分。当 然，性能低的处理器在目前还是有它一定的市场的，就如前述应用领域一样。并
    且这部分市场在 Intel 和 AMD、VIA 的处理器研发大厂视线之外，所以这也是给 国产处理器一个非常大商业契机，并且随着家电智能化、网络化，这种性能较低， 价格低廉的国产处理器的市场前景也还是不错的。但像你我这样的普通市民什么 时候能用上我们所说的“中国芯”呢？ 对于中国 CPU 市场而言，中国 CPU 产业危机与希望同在，挑战与机遇并存。 对于政府而言，应借鉴世界各国反垄断的先进经验，尽快制定《反垄断法》，目 前要用好《政府采购法》，进一步规范招投标，奉行“第二供应商”原则，对此我 们称之为“规范促竞争”。对于厂商而言，鼓励大力进行技术创新的同时，也要想 办法破解 Wintel 联盟，因此积极发展 Linux CPU 和嵌入式 CPU，建立以我为主 的产业联盟也需摆上日程。对此，我们称之为“创新促竞争”。对于用户而言，要 积极倡导新一代 CPU 的 TPI 标准，倡导锋欺颜咧魁”为主导的先进商业模式，让 用户选择真正具有性能价格化的 CPU。对此，我们称之为“选择促竞争”。总之， 竞争离不开各方面的努力。为此，本报告在介绍国产 CPU 厂商的努力外，也重 点介绍了 Intel 在全球及中国市场的主要竞争对手 AMD 近几年的市场发展战略， 以使人们对 CPU 的竞争格局有一个全面的了解。 国产 CPU 虽然实现了群体性崛起，但这还仅仅是万里征程中的第一步。国 产 CPU 的技术本身还有待完善，应用领域还有待丰富，最终能否站稳脚跟，成 为信息化建设的主力，还有待市场的检验。毕竟，与世界最先进的水平相比，国 产 CPU 才刚刚上路。中国 CPU 的发展任重而道远！
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