CPU设计与优化：循环展开与指令级并行技术

"CPU设计_循环展开等.ppt" 本资料主要介绍了CPU设计的相关概念和技术，由胡伟武教授讲解，涵盖了从基础的RISC CPU结构到高级的流水线优化和指令级并行技术。以下是详细的知识点解析： 1. **RISC CPU基础**： - RISC (Reduced Instruction Set Computer) 架构以其简单指令集和高效的执行机制著称，适合高性能计算。 - 指令系统是CPU设计的核心，它定义了CPU能执行的操作和数据格式。 - 数据通路是CPU内部信号的传输路径，包括ALU、寄存器、内存访问等部分。 - 控制逻辑负责根据指令产生合适的控制信号来协调整个数据通路。 - 时序是CPU操作的时间安排，包括时钟周期、指令周期等。 2. **流水线技术**： - 流水线技术通过将指令执行分解为多个阶段（如取指、解码、执行、写回等），使得不同指令可以在同一时间进行不同的操作，从而提高吞吐量。 - 时序优化是通过流水线来减少指令执行的延迟。 - 简单流水线控制逻辑用于管理各阶段之间的关系，解决相关性问题。 3. **相关性与解决方法**： - 数据相关分为RAW（Read After Write）、WAW（Write After Write）和WAR（Write After Read）。 - 解决RAW相关通常采用转发技术，即在指令完成前将结果直接传递给后续指令。 - 控制相关主要涉及分支指令，可以通过阻塞、延迟槽（delayslot）或猜测执行来处理。 - 结构相关源于硬件资源冲突，增加资源或采用反馈机制可以缓解。 4. **多功能部件与多拍操作**： - 多功能部件支持多种运算，如定点加减、乘法、浮点运算以及内存访问。 - 多拍操作考虑了不同部件延迟的差异，以优化执行效率。 - 访存部件的非流水化和结果总线冲突可能导致结构相关。 5. **动态流水线技术**： - 动态调度技术通过实时调整指令执行顺序，减少相关等待。 - 记分板是一种动态调度工具，用于跟踪未完成的操作和数据依赖。 - 循环展开是通过增大循环体的大小来减少循环迭代次数，提高并行度。 - 寄存器重命名技术用于解决名字依赖性，减少WAR和WAW相关。 - Tomasulo算法是实现动态调度的经典方法，通过分配和回收资源来优化执行。 6. **指令级并行技术**： - 指令流水线实现时间上的并行，多发射则利用空间并行，允许多条指令同时进入执行阶段。 - 乱序执行允许指令在不同顺序完成，但最终保证结果正确。 - 动态转移预测和猜测执行用于减少控制相关停滞，提高预测分支的准确性。 - 内存消歧（Memory Disambiguation）是处理涉及内存的RAW停滞的一种策略。 7. **关键优化技术**： - 控制STALLs（控制停滞）通常由分支和跳转引起，动态转移预测和猜测执行能有效缓解。 - IDEAL CPI（Cycles Per Instruction）考虑了理想情况下的无停滞执行，而实际CPI会受到各种相关的影响。 - 软件流水和编译相关性分析可以进一步提升指令级并行性。 该资料详细阐述了CPU设计的各个方面，从基础概念到高级优化策略，对理解现代处理器的工作原理和设计思路具有重要意义。