甄建勇：五分鐘搞定計算機體系結(jié)構(gòu)（上）
[導(dǎo)讀]?作者簡介甄建勇，高級架構(gòu)師（某國際大廠），十年以上半導(dǎo)體從業(yè)經(jīng)驗。主要研究領(lǐng)域:CPU/GPU/NPU架構(gòu)與微架構(gòu)設(shè)計。感興趣領(lǐng)域:經(jīng)濟學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)。?并行技術(shù)在計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展中，并行技術(shù)無疑是濃墨重彩的一筆。正是采用的各種各樣的并行技術(shù)，才使計算機的性能得到了翻天覆...
作者簡介
在計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展中，并行技術(shù)無疑是濃墨重彩的一筆。正是采用的各種各樣的并行技術(shù)，才使計算機的性能得到了翻天覆地的變化，本小節(jié)就介紹一下計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中常用的并行技術(shù)。
并行技術(shù)，大體可分為指令級并行，數(shù)據(jù)級并行，任務(wù)級并行三個層次。而流水線技術(shù)就是指令級并行技術(shù)中最早也是最成熟的技術(shù)。流水線，這個概念最早并不是出現(xiàn)在計算機領(lǐng)域，而是在陶瓷工廠里。1769年，英國人喬賽亞·韋奇伍德開辦埃特魯利亞陶瓷工廠，在場內(nèi)實行精細的勞動分工，他把原來由一個人從頭到尾完成的制陶流程分成幾十道專門工序，分別由專人完成。這樣一來，原來意義上的“制陶工”就不復(fù)存在了，存在的只是挖泥工、運泥工、扮土工、制坯工等等制陶工匠變成了制陶工場的工人，他們必須按固定的工作節(jié)奏勞動，服從統(tǒng)一的勞動管理。根據(jù)上述資料可以明確看出韋奇伍德的這種工作方法已經(jīng)完全可以定義成為“流水線”。另一說法是亨利·福特發(fā)明了流水線裝配工藝，這一說法顯然不夠嚴謹，但亨利·福特的確在流水線在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用發(fā)揮了巨大作用。計算機流水線是Intel首次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線。在CPU中由5—6個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條X86指令分成5—6步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能實現(xiàn)在一個CPU時鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運算速度。經(jīng)典奔騰每條整數(shù)流水線都分為了四級或五級，即指令預(yù)取、譯碼、執(zhí)行（訪存）、寫回結(jié)果。浮點流水線則一般會分為八級。計算機流水線（Pipeline）技術(shù)是廣泛應(yīng)用于微處理芯片（CPU）中的一項關(guān)鍵技術(shù)，計算機流水線技術(shù)指的是對CPU內(nèi)部的各條指令的執(zhí)行方式的一種形容，要了解它，就必須先了解指令及其執(zhí)行過程。
（1）計算機指令
計算機指令，就是告訴CPU要做什么事的一組特定的二進制集合。如果我們將CPU比喻成一個加工廠，那么，一條指令就好比一張訂單，它引發(fā)了CPU加工廠的一系列動作，最后分別得到了運算結(jié)果和產(chǎn)品。那么，它們到底是怎樣工作的呢？首先，要有一個接收訂單的部門——CPU的取指令機構(gòu)；其次，還要有完成訂單的車間——CPU的執(zhí)行指令機構(gòu)。在工廠中，一張訂單上的產(chǎn)品被分成了許多道工序，而指令亦在CPU中轉(zhuǎn)換成了許多條對應(yīng)的微操作，依次完成它們，就執(zhí)行完了整條指令。
（2）執(zhí)行指令
在低檔的CPU中，指令的執(zhí)行是串行的，簡單地說，就是執(zhí)行完了一條指令后、再執(zhí)行下一條指令，好比我們上面提到的那個加工廠在創(chuàng)業(yè)之初，只有一間小車間及孤軍奮戰(zhàn)的老板，那么，當他接到一張訂單之后，他必然忙于完成第1張訂單，而沒有能力去接第2張訂單。這樣接訂單→完成訂單→接訂單→……取指令→執(zhí)行指令→取指令→……是一個串行的過程。后來，老板發(fā)現(xiàn)接受訂單不費太多時間，而且他還有了一個幫工，他們可以相互獨立地工作，這樣，老板就在完成上張訂單產(chǎn)品的同時，接受下一張訂單的訂貨。這表現(xiàn)在CPU上就是取指令機構(gòu)與執(zhí)行指令機構(gòu)的分開，這樣從CPU整體來看，CPU在執(zhí)行上條指令的同時，又在并行地取下條指令。這在CPU技術(shù)上是一個質(zhì)的飛躍，它使得CPU從串行工作變?yōu)椴⑿泄ぷ鳎瑥亩哂辛肆魉€的雛型。CPU在完成了上面這一步之后，剩下的就是如何提高并行處理能力的問題了，CPU的設(shè)計者們從加工廠的裝配線得到啟發(fā)，將一條指令的執(zhí)行分解成了許多各不相同的多個工序-微指令，從而極大地簡化了指令的復(fù)雜度，簡化了邏輯設(shè)計，提高了速度。在具有流水線技術(shù)的CPU中，上條指令剛執(zhí)行完第一道“工序”，馬上第二條指令就加入了流水線中，開始執(zhí)行。很明顯，這種流水線技術(shù)要求有多個執(zhí)行單元，這在X86芯片中均得到了實現(xiàn)。通過上面的介紹，我們已經(jīng)了解到什么是流水線技術(shù)，這雖不是一種創(chuàng)新，但在技術(shù)的實現(xiàn)上則是一大難關(guān)，是CPU設(shè)計者對計算機發(fā)展的一大貢獻。除了剛剛介紹的流水線，后來還出現(xiàn)了流水線的升級版-超流水線。那么，超流水線又是怎么回事呢？超流水線（Super Pipeline）在本質(zhì)上仍為一種流水線技術(shù)，但它做了以下的改進。A．流水線條數(shù)從奔騰的兩條增至三條，還有十一個獨立的執(zhí)行單元并行支持。B．在執(zhí)行中采取了無序執(zhí)行（out－of－orderprocessing）技術(shù)。即當某條指令需要一些數(shù)據(jù)而未能立即執(zhí)行完畢時，它將被剔出流水線并等待數(shù)據(jù)，CPU則馬上執(zhí)行下條指令，就好比在裝配線上發(fā)現(xiàn)某件產(chǎn)品不太合格，而被淘汰，等待返工一個道理。這樣，可以防止一條指令不能執(zhí)行而影響了整個流水線的效率。C．將指令劃分成了更細的階段，從而使邏輯設(shè)計、工序等等更為簡化，提高了速度。在486芯片中，一條指令一般被劃分為五個標準的部分，奔騰亦是如此。而在P6中，由于采用了近似于RISC的技術(shù)，一條指令被劃分成了創(chuàng)紀錄的十四個階段。這極大地提高了流水線的速度。
一切藝術(shù)都來源于生活，計算機體系結(jié)構(gòu)也不例外。所以，我們就舉一個例子來說明亂序執(zhí)行的產(chǎn)生原因和過程。在生活中，我們經(jīng)常遇到這樣的事情。在餐廳吃早點時，會排很長的隊，有的人買豆?jié){，有的人買米粥。如果豆?jié){是現(xiàn)成的還好，如果是“現(xiàn)磨豆?jié){”，如果嚴格采用上面的流水線技術(shù)，那就麻煩了，明明有很多人根本就不買“現(xiàn)磨豆?jié){”，也必須要等前面買的人買完才行。很顯然，這種流水線就顯得很愚笨，能不能讓排在后面的不買“現(xiàn)磨豆?jié){”的人先買別的呢？如果允許，“亂序”就產(chǎn)生了。對于CPU也是一樣，如果把排隊買早點的人比作一條一條的指令，把買米粥的人比作加法指令（單周期），把買“現(xiàn)磨豆?jié){”的人比作乘法指令或者更復(fù)雜的指令（多周期）。如果這兩條指令不相關(guān)，那么完全可以讓排在后面的加法指令先執(zhí)行，以提高性能。
SIMD(SingleInstruction Multiple Data，單指令多數(shù)據(jù)流)是指，采用這種架構(gòu)而設(shè)計的計算機，其指令能夠復(fù)制多個操作數(shù)，并把這些操作數(shù)打包到大型寄存器中，各個執(zhí)行單元以同步方式，在同一時間內(nèi)執(zhí)行同一條指令。SIMD在性能上有其特有的優(yōu)勢。以加法指令為例，單指令單數(shù)據(jù)（SISD）的CPU對加法指令譯碼后，執(zhí)行部件先訪問內(nèi)存，取得第一個操作數(shù)；之后再一次訪問內(nèi)存，取得第二個操作數(shù)；隨后才能進行求和運算。而在SIMD型的CPU中，指令譯碼后幾個執(zhí)行部件同時訪問內(nèi)存，一次性獲得所有操作數(shù)進行運算。這個特點使SIMD特別適合于多媒體應(yīng)用等數(shù)據(jù)密集型運算。
SMT(同時多線程)技術(shù)是一種在多流出、動態(tài)調(diào)度的處理器上同時開發(fā)線程級并行和指令級并行的技術(shù)。SMT的出現(xiàn)是有其背景的。首先，在微處理器中開發(fā)的指令級并行不斷提高，進一步開發(fā)出更多的ILP越來越難。其次，在有些程序中可能開發(fā)ILP本來就很難。還有，程序中可能有很多自然存在的更高一級的并行（在線事務(wù)處理系統(tǒng)、科學(xué)計算）。有了SMT的出現(xiàn)背景，要實現(xiàn)多線程還要有關(guān)鍵原理性基礎(chǔ)。線程切換只需要幾個時鐘周期，最快可以每個時鐘周期切換一次。而進程的切換一般需要成百上千個處理器時鐘。現(xiàn)代多流出處理器通常含有多個并行的功能單元，而單個線程不能有效利用這些功能單元。通過寄存器重命名和動態(tài)調(diào)度機制，來自各個獨立線程的多條指令可以同時流出，而不用考慮它們之間的相互依賴關(guān)系，其相互依賴關(guān)系通過動態(tài)調(diào)度機制得以解決。SMT一般可分為兩類，細粒度多線程和粗粒度多線程細粒度多線程的特點是，在沒條指令之間都能進行線程的切換，從而使多個線程可以交替執(zhí)行。通常以時間片輪轉(zhuǎn)的方法實現(xiàn)這樣的交替執(zhí)行，輪轉(zhuǎn)中跳過處于停頓的線程。CPU在每個時鐘周期都能進行線程的切換。優(yōu)點是，能夠隱藏長時間和段時間停頓帶來的損失。缺點是，減慢了每個獨立線程的執(zhí)行。粗粒度多線程的特點是，切換至發(fā)生在時間較長的停頓出現(xiàn)時（如：第二級Cache失效）。優(yōu)點是，減少了切換次數(shù)，也不會降低單個線程的執(zhí)行速度。缺點是，減少吞吐率的能力有限，特別是對于較短的停頓來說更是如此。任何事物都具有兩面性，SMT在提高性能的同時也會帶來一些問題。對于粗粒度多線程，其流水線建立時間的開銷較大。粗粒度多線程的CPU只執(zhí)行單個線程的指令，因此當發(fā)生停頓時，流水線必須排空或暫停。停頓后切換的新的線程在第一條指令執(zhí)行完畢之前必須先填滿整個流水線。此外，SMT也面臨一些挑戰(zhàn)，首先，保存多線程的現(xiàn)場需要設(shè)置更大的寄存器組，其次，SMT技術(shù)的采用不能影響時鐘周期，特別是在關(guān)鍵路徑上。SMT還需要保證由于并發(fā)執(zhí)行多個線程帶來的Cache沖突和TLB沖突不會導(dǎo)致明顯的性能下降。
CMP是由美國斯坦福大學(xué)提出的，其思想是將大規(guī)模并行處理器中的SMP（對稱多處理器）集成到同一芯片內(nèi)，各個處理器并行執(zhí)行不同的進程。與CMP比較， SMT處理器結(jié)構(gòu)的靈活性比較突出。但是，當半導(dǎo)體工藝進入0.18微米以后，線延時已經(jīng)超過了門延遲，要求微處理器的設(shè)計通過劃分許多規(guī)模更小、局部性更好的基本單元結(jié)構(gòu)來進行。相比之下，由于CMP結(jié)構(gòu)已經(jīng)被劃分成多個處理器核來設(shè)計，每個核都比較簡單，有利于優(yōu)化設(shè)計，因此更有發(fā)展前途。目前，IBM 的Power 4芯片和Sun的 MAJC5200芯片都采用了CMP結(jié)構(gòu)。多核處理器可以在處理器內(nèi)部共享緩存，提高緩存利用率，同時簡化多處理器系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。未來的主流應(yīng)用需要處理器具備同時執(zhí)行更多條指令的能力，但是從單一線程中已經(jīng)不太可能提取更多的并行性，主要有以下兩個方面的原因：一是不斷增加的芯片面積提高了生產(chǎn)成本；二是設(shè)計和驗證所花費的時間變得更長。在處理器結(jié)構(gòu)上，更復(fù)雜化的設(shè)計也只能得到有限的性能提高。對單一控制線程的依賴限制了多數(shù)應(yīng)用可提取的并行性，而主流商業(yè)應(yīng)用，如在線數(shù)據(jù)庫事務(wù)處理（Online Database Transaction）與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(如Web服務(wù)器)等，一般都具有較高的線程級并行性(TLP，Thread Level Parallelism）。為此，研究人員提出了兩種新型體系結(jié)構(gòu):單芯片多處理器(CMP)與同時多線程處理器(Simultaneous Multithreading，SMT)，這兩種體系結(jié)構(gòu)可以充分利用這些應(yīng)用的指令級并行性和線程級并行性，從而顯著提高了這些應(yīng)用的性能。從體系結(jié)構(gòu)的角度看，SMT比CMP對處理器資源利用率要高，在克服線延遲影響方面更具優(yōu)勢。CMP相對SMT的最大優(yōu)勢還在于其模塊化設(shè)計的簡潔性。復(fù)制簡單設(shè)計非常容易，指令調(diào)度也更加簡單。同時SMT中多個線程對共享資源的爭用也會影響其性能，而CMP對共享資源的爭用要少得多，因此當應(yīng)用的線程級并行性較高時，CMP性能一般要優(yōu)于SMT。此外在設(shè)計上，更短的芯片連線使CMP比長導(dǎo)線集中式設(shè)計的SMT更容易提高芯片的運行頻率，從而在一定程度上起到性能優(yōu)化的效果。總之，單芯片多處理器通過在一個芯片上集成多個微處理器核心來提高程序的并行性。每個微處理器核心實質(zhì)上都是一個相對簡單的單線程微處理器或者比較簡單的多線程微處理器，這樣多個微處理器核心就可以并行地執(zhí)行程序代碼，因而具有了較高的線程級并行性。由于CMP采用了相對簡單的微處理器作為處理器核心，使得CMP具有高主頻、設(shè)計和驗證周期短、控制邏輯簡單、擴展性好、易于實現(xiàn)、功耗低、通信延遲低等優(yōu)點。此外，CMP還能充分利用不同應(yīng)用的指令級并行和線程級并行，具有較高線程級并行性的應(yīng)用如商業(yè)應(yīng)用等可以很好地利用這種結(jié)構(gòu)來提高性能。單芯片多處理器已經(jīng)成為處理器體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個重要趨勢。2000年IBM、HP、Sun 推出了用于RISC的多核概念，并且成功推出了擁有雙內(nèi)核的HP PA8800和IBM Power4處理器。此類處理器已經(jīng)成功應(yīng)用不同領(lǐng)域的服務(wù)器產(chǎn)品中，像IBM eServer pSeries 690或HP 9000此類服務(wù)器上仍可以看到它們的身影。由于它們相當昂貴的，因此從來沒得到廣泛應(yīng)用2005年4月，Intel推出了第一款供個人使用的雙核處理器，打開了處理器歷史新的一頁，從那之后，多核與眾核處理器紛紛登場。
SMP（對稱多處，Symmetrical Multi-Processing），是指在一個計算機上匯集了一組處理器(多CPU),各CPU之間共享內(nèi)存子系統(tǒng)以及總線結(jié)構(gòu)。它是相對非對稱多處理技術(shù)而言的、應(yīng)用十分廣泛的并行技術(shù)。在這種架構(gòu)中，一臺電腦不再由單個CPU組成，而同時由多個處理器運行操作系統(tǒng)的單一復(fù)本，并共享內(nèi)存和一臺計算機的其他資源。雖然同時使用多個CPU，但是從管理的角度來看，它們的表現(xiàn)就像一臺單機一樣。系統(tǒng)將任務(wù)隊列對稱地分布于多個CPU之上，從而極大地提高了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。所有的處理器都可以平等地訪問內(nèi)存、I/O和外部中斷。在對稱多處理系統(tǒng)中，系統(tǒng)資源被系統(tǒng)中所有CPU共享，工作負載能夠均勻地分配到所有可用處理器之上。我們平時所說的雙CPU系統(tǒng)，實際上是對稱多處理系統(tǒng)中最常見的一種，通常稱為"2路對稱多處理"，它在普通的商業(yè)、家庭應(yīng)用之中并沒有太多實際用途，但在專業(yè)制作，如3DMax Studio、Photoshop等軟件應(yīng)用中獲得了非常良好的性能表現(xiàn)，是組建廉價工作站的良好伙伴。隨著用戶應(yīng)用水平的提高，只使用單個的處理器確實已經(jīng)很難滿足實際應(yīng)用的需求，因而各服務(wù)器廠商紛紛通過采用對稱多處理系統(tǒng)來解決這一矛盾。在國內(nèi)市場上這類機型的處理器一般以4個或8個為主，有少數(shù)是16個處理器。但是一般來講，SMP結(jié)構(gòu)的機器可擴展性較差，很難做到100個以上多處理器，常規(guī)的一般是8個到16個，不過這對于多數(shù)的用戶來說已經(jīng)夠用了。這種機器的好處在于它的使用方式和微機或工作站的區(qū)別不大，編程的變化相對來說比較小，原來用微機工作站編寫的程序如果要移植到SMP機器上使用，改動起來也相對比較容易。SMP結(jié)構(gòu)的機型可用性比較差。因為4個或8個處理器共享一個操作系統(tǒng)和一個存儲器，一旦操作系統(tǒng)出現(xiàn)了問題，整個機器就完全癱瘓掉了。而且由于這個機器的可擴展性較差，不容易保護用戶的投資。但是這類機型技術(shù)比較成熟，相應(yīng)的軟件也比較多，因此現(xiàn)在國內(nèi)市場上推出的并行機大量都是這一種。PC服務(wù)器中最常見的對稱多處理系統(tǒng)通常采用2路、4路、6路或8路處理器。目前UNIX服務(wù)器可支持最多64個CPU的系統(tǒng)，如Sun公司的產(chǎn)品Enterprise 10000。SMP系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)是如何更好地解決多個處理器的相互通訊和協(xié)調(diào)問題。
局部性原理是除并行技術(shù)之外在計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域使用的最廣泛的技術(shù)之一?？梢赃@么說，在計算機系統(tǒng)中，局部性原理幾乎無處不在。那么，什么事局部性原理呢？在回答這個問題之前，我們先看一個例子。 圖1 局部性原理舉例 假設(shè)你就是我，正在寫一本關(guān)于計算機體系結(jié)構(gòu)方面的書。臺上一分鐘，臺下十年功。寫書也不例外，要想寫一本書，起碼要先閱讀上百本書或論文。這么多資料，你不可能實現(xiàn)把所有的資料都放在你面前，也不會每次只借一本書。實際的情況是，先去圖書館借你認為參考價值最大的一些資料，這些資料里面包含了你當前階段可能需要參考的的部分內(nèi)容，放在你的書桌上。這樣在寫書的過程中一旦需要什么查閱一些參考資料，首先會確認一下，你想要查閱的資料有沒有在你借的資料里面，如果有的話，就不用去圖書館了。如果你開始了新的一章內(nèi)容的編寫，想查閱資料時，發(fā)現(xiàn)你之前借的那些資料里面沒有相關(guān)內(nèi)容，這時，你就必須去圖書館了。在上面的例子中，如果把圖書館比作整個內(nèi)存的話，那么，起到緩沖區(qū)作用的，你的書桌，也就相當于cache。顯然，采用事先借一部分書的方法能顯著減少你去圖書館的次數(shù)，當然，也不用把整個圖書館的書都借回來了。這里面內(nèi)含的道理，就是所謂的局部性原理。局部性原理（principle of locality），一般可分成兩個方面，即時間局部性（temporal locality）和空間局部性（spatiallocality）。通俗的說，時間局部性指的是，如果一個數(shù)據(jù)被使用，那么這個數(shù)據(jù)在不久的一段時間里也很可能被使用。針對于上面的例子來說就是，如果你剛剛參考了一本書的話，那么這本書很可能在最近幾天都會被你參考?？臻g吧局部性指的是，如果一個數(shù)據(jù)被使用，那么與這個數(shù)據(jù)地址相鄰數(shù)據(jù)很有可能會很快被使用。針對于上面的例子來說就是，如果你借的一本書是在圖書館的某一個書架上，那么這個書架上與這本書相鄰的書也很可能被你借走。其實，局部性原理在計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用很廣泛。比如內(nèi)存就可以看做是硬盤的緩沖區(qū)，cache就可以看做是內(nèi)存的緩沖區(qū)，而CPU內(nèi)部的通用寄存器又可以看做是cache的緩沖區(qū)。大家所熟知的MMU中的TLB也可以看做是緩沖頁表項的緩沖區(qū)。實質(zhì)上，局部性原理可以認為是存儲空間和存儲訪問速度之間的一種平衡機制。
如何衡量一臺計算機的優(yōu)劣呢？一般包括三個主要方面，運算速度，成本，功耗。首先，判斷一臺計算機優(yōu)劣的第一個指標是其運算速度。有時候，超級計算機的運算速度是一個國家科技進步程度的重要標志。這或許也是我們國家花大力氣搞超級計算機的原因吧，最近，我國研發(fā)的天河II號超級計算機摘得了世界上最快計算機的稱號。此外，在需要大量計算的情況下，如果計算機的計算速度跟不上的話，就有可能失去意義。比如，天氣預(yù)報工作，需要大量的復(fù)雜的計算，如果計算機太慢，等天氣預(yù)報結(jié)果需要好幾天才出來，那就叫天氣后報了。所以，運算速度是衡量計算機優(yōu)劣的一個重要指標，然而，影響計算機運算速度的因素有很多，既有體系結(jié)構(gòu)，CPU主頻，方面的因素，還有軟件算法，編譯系統(tǒng)等。其次，成本是衡量計算機優(yōu)劣的另外一個重要指標。隨著計算機的不斷普及，在滿足一般性能需求的情況下，人們越來越關(guān)注計算機的價格。最后，衡量一臺計算機優(yōu)劣的指標就是功耗。尤其是現(xiàn)在智能手機的大量普及，正是說明了這一點。試想，無論一個手機的性能有多好，配置有多高，如果這個手機的電池僅能使用10分鐘，恐怕也沒人會買。其實，除了上述三個衡量計算機優(yōu)劣的指標之外，在一些特殊情況下，還要考慮計算機的其它指標，比如使用壽命，安全性，可靠性等。以手機可靠性為例，咱們普通大眾可以不用過于擔(dān)心，如果某天咱們的手機壞了，大不了明天再買一個新的就是了。但是對于obama來說，手機的可靠性可是需要特別考慮了。以手機的安全性為例，默克爾的手機，可能就是對安全性考慮不周，才被美國監(jiān)控的吧。上面所述對計算機優(yōu)劣的衡量只是一個定性的考量，其實，計算速度，成本，功耗，這三個方面都是有具體的量化標準的，相關(guān)的計算公式在“常用公式和定律”中可以找到。
并行技術(shù)
在計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展中，并行技術(shù)無疑是濃墨重彩的一筆。正是采用的各種各樣的并行技術(shù)，才使計算機的性能得到了翻天覆地的變化，本小節(jié)就介紹一下計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中常用的并行技術(shù)。
流水線
并行技術(shù)，大體可分為指令級并行，數(shù)據(jù)級并行，任務(wù)級并行三個層次。而流水線技術(shù)就是指令級并行技術(shù)中最早也是最成熟的技術(shù)。流水線，這個概念最早并不是出現(xiàn)在計算機領(lǐng)域，而是在陶瓷工廠里。1769年，英國人喬賽亞·韋奇伍德開辦埃特魯利亞陶瓷工廠，在場內(nèi)實行精細的勞動分工，他把原來由一個人從頭到尾完成的制陶流程分成幾十道專門工序，分別由專人完成。這樣一來，原來意義上的“制陶工”就不復(fù)存在了，存在的只是挖泥工、運泥工、扮土工、制坯工等等制陶工匠變成了制陶工場的工人，他們必須按固定的工作節(jié)奏勞動，服從統(tǒng)一的勞動管理。根據(jù)上述資料可以明確看出韋奇伍德的這種工作方法已經(jīng)完全可以定義成為“流水線”。另一說法是亨利·福特發(fā)明了流水線裝配工藝，這一說法顯然不夠嚴謹，但亨利·福特的確在流水線在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用發(fā)揮了巨大作用。計算機流水線是Intel首次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線。在CPU中由5—6個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條X86指令分成5—6步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能實現(xiàn)在一個CPU時鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運算速度。經(jīng)典奔騰每條整數(shù)流水線都分為了四級或五級，即指令預(yù)取、譯碼、執(zhí)行（訪存）、寫回結(jié)果。浮點流水線則一般會分為八級。計算機流水線（Pipeline）技術(shù)是廣泛應(yīng)用于微處理芯片（CPU）中的一項關(guān)鍵技術(shù)，計算機流水線技術(shù)指的是對CPU內(nèi)部的各條指令的執(zhí)行方式的一種形容，要了解它，就必須先了解指令及其執(zhí)行過程。
（1）計算機指令
計算機指令，就是告訴CPU要做什么事的一組特定的二進制集合。如果我們將CPU比喻成一個加工廠，那么，一條指令就好比一張訂單，它引發(fā)了CPU加工廠的一系列動作，最后分別得到了運算結(jié)果和產(chǎn)品。那么，它們到底是怎樣工作的呢？首先，要有一個接收訂單的部門——CPU的取指令機構(gòu)；其次，還要有完成訂單的車間——CPU的執(zhí)行指令機構(gòu)。在工廠中，一張訂單上的產(chǎn)品被分成了許多道工序，而指令亦在CPU中轉(zhuǎn)換成了許多條對應(yīng)的微操作，依次完成它們，就執(zhí)行完了整條指令。
（2）執(zhí)行指令
在低檔的CPU中，指令的執(zhí)行是串行的，簡單地說，就是執(zhí)行完了一條指令后、再執(zhí)行下一條指令，好比我們上面提到的那個加工廠在創(chuàng)業(yè)之初，只有一間小車間及孤軍奮戰(zhàn)的老板，那么，當他接到一張訂單之后，他必然忙于完成第1張訂單，而沒有能力去接第2張訂單。這樣接訂單→完成訂單→接訂單→……取指令→執(zhí)行指令→取指令→……是一個串行的過程。后來，老板發(fā)現(xiàn)接受訂單不費太多時間，而且他還有了一個幫工，他們可以相互獨立地工作，這樣，老板就在完成上張訂單產(chǎn)品的同時，接受下一張訂單的訂貨。這表現(xiàn)在CPU上就是取指令機構(gòu)與執(zhí)行指令機構(gòu)的分開，這樣從CPU整體來看，CPU在執(zhí)行上條指令的同時，又在并行地取下條指令。這在CPU技術(shù)上是一個質(zhì)的飛躍，它使得CPU從串行工作變?yōu)椴⑿泄ぷ鳎瑥亩哂辛肆魉€的雛型。CPU在完成了上面這一步之后，剩下的就是如何提高并行處理能力的問題了，CPU的設(shè)計者們從加工廠的裝配線得到啟發(fā)，將一條指令的執(zhí)行分解成了許多各不相同的多個工序-微指令，從而極大地簡化了指令的復(fù)雜度，簡化了邏輯設(shè)計，提高了速度。在具有流水線技術(shù)的CPU中，上條指令剛執(zhí)行完第一道“工序”，馬上第二條指令就加入了流水線中，開始執(zhí)行。很明顯，這種流水線技術(shù)要求有多個執(zhí)行單元，這在X86芯片中均得到了實現(xiàn)。通過上面的介紹，我們已經(jīng)了解到什么是流水線技術(shù)，這雖不是一種創(chuàng)新，但在技術(shù)的實現(xiàn)上則是一大難關(guān)，是CPU設(shè)計者對計算機發(fā)展的一大貢獻。除了剛剛介紹的流水線，后來還出現(xiàn)了流水線的升級版-超流水線。那么，超流水線又是怎么回事呢？超流水線（Super Pipeline）在本質(zhì)上仍為一種流水線技術(shù)，但它做了以下的改進。A．流水線條數(shù)從奔騰的兩條增至三條，還有十一個獨立的執(zhí)行單元并行支持。B．在執(zhí)行中采取了無序執(zhí)行（out－of－orderprocessing）技術(shù)。即當某條指令需要一些數(shù)據(jù)而未能立即執(zhí)行完畢時，它將被剔出流水線并等待數(shù)據(jù)，CPU則馬上執(zhí)行下條指令，就好比在裝配線上發(fā)現(xiàn)某件產(chǎn)品不太合格，而被淘汰，等待返工一個道理。這樣，可以防止一條指令不能執(zhí)行而影響了整個流水線的效率。C．將指令劃分成了更細的階段，從而使邏輯設(shè)計、工序等等更為簡化，提高了速度。在486芯片中，一條指令一般被劃分為五個標準的部分，奔騰亦是如此。而在P6中，由于采用了近似于RISC的技術(shù)，一條指令被劃分成了創(chuàng)紀錄的十四個階段。這極大地提高了流水線的速度。
亂序
一切藝術(shù)都來源于生活，計算機體系結(jié)構(gòu)也不例外。所以，我們就舉一個例子來說明亂序執(zhí)行的產(chǎn)生原因和過程。在生活中，我們經(jīng)常遇到這樣的事情。在餐廳吃早點時，會排很長的隊，有的人買豆?jié){，有的人買米粥。如果豆?jié){是現(xiàn)成的還好，如果是“現(xiàn)磨豆?jié){”，如果嚴格采用上面的流水線技術(shù)，那就麻煩了，明明有很多人根本就不買“現(xiàn)磨豆?jié){”，也必須要等前面買的人買完才行。很顯然，這種流水線就顯得很愚笨，能不能讓排在后面的不買“現(xiàn)磨豆?jié){”的人先買別的呢？如果允許，“亂序”就產(chǎn)生了。對于CPU也是一樣，如果把排隊買早點的人比作一條一條的指令，把買米粥的人比作加法指令（單周期），把買“現(xiàn)磨豆?jié){”的人比作乘法指令或者更復(fù)雜的指令（多周期）。如果這兩條指令不相關(guān)，那么完全可以讓排在后面的加法指令先執(zhí)行，以提高性能。
向量機SIMD
SIMD(SingleInstruction Multiple Data，單指令多數(shù)據(jù)流)是指，采用這種架構(gòu)而設(shè)計的計算機，其指令能夠復(fù)制多個操作數(shù)，并把這些操作數(shù)打包到大型寄存器中，各個執(zhí)行單元以同步方式，在同一時間內(nèi)執(zhí)行同一條指令。SIMD在性能上有其特有的優(yōu)勢。以加法指令為例，單指令單數(shù)據(jù)（SISD）的CPU對加法指令譯碼后，執(zhí)行部件先訪問內(nèi)存，取得第一個操作數(shù)；之后再一次訪問內(nèi)存，取得第二個操作數(shù)；隨后才能進行求和運算。而在SIMD型的CPU中，指令譯碼后幾個執(zhí)行部件同時訪問內(nèi)存，一次性獲得所有操作數(shù)進行運算。這個特點使SIMD特別適合于多媒體應(yīng)用等數(shù)據(jù)密集型運算。
同時多線程
SMT(同時多線程)技術(shù)是一種在多流出、動態(tài)調(diào)度的處理器上同時開發(fā)線程級并行和指令級并行的技術(shù)。SMT的出現(xiàn)是有其背景的。首先，在微處理器中開發(fā)的指令級并行不斷提高，進一步開發(fā)出更多的ILP越來越難。其次，在有些程序中可能開發(fā)ILP本來就很難。還有，程序中可能有很多自然存在的更高一級的并行（在線事務(wù)處理系統(tǒng)、科學(xué)計算）。有了SMT的出現(xiàn)背景，要實現(xiàn)多線程還要有關(guān)鍵原理性基礎(chǔ)。線程切換只需要幾個時鐘周期，最快可以每個時鐘周期切換一次。而進程的切換一般需要成百上千個處理器時鐘。現(xiàn)代多流出處理器通常含有多個并行的功能單元，而單個線程不能有效利用這些功能單元。通過寄存器重命名和動態(tài)調(diào)度機制，來自各個獨立線程的多條指令可以同時流出，而不用考慮它們之間的相互依賴關(guān)系，其相互依賴關(guān)系通過動態(tài)調(diào)度機制得以解決。SMT一般可分為兩類，細粒度多線程和粗粒度多線程細粒度多線程的特點是，在沒條指令之間都能進行線程的切換，從而使多個線程可以交替執(zhí)行。通常以時間片輪轉(zhuǎn)的方法實現(xiàn)這樣的交替執(zhí)行，輪轉(zhuǎn)中跳過處于停頓的線程。CPU在每個時鐘周期都能進行線程的切換。優(yōu)點是，能夠隱藏長時間和段時間停頓帶來的損失。缺點是，減慢了每個獨立線程的執(zhí)行。粗粒度多線程的特點是，切換至發(fā)生在時間較長的停頓出現(xiàn)時（如：第二級Cache失效）。優(yōu)點是，減少了切換次數(shù)，也不會降低單個線程的執(zhí)行速度。缺點是，減少吞吐率的能力有限，特別是對于較短的停頓來說更是如此。任何事物都具有兩面性，SMT在提高性能的同時也會帶來一些問題。對于粗粒度多線程，其流水線建立時間的開銷較大。粗粒度多線程的CPU只執(zhí)行單個線程的指令，因此當發(fā)生停頓時，流水線必須排空或暫停。停頓后切換的新的線程在第一條指令執(zhí)行完畢之前必須先填滿整個流水線。此外，SMT也面臨一些挑戰(zhàn)，首先，保存多線程的現(xiàn)場需要設(shè)置更大的寄存器組，其次，SMT技術(shù)的采用不能影響時鐘周期，特別是在關(guān)鍵路徑上。SMT還需要保證由于并發(fā)執(zhí)行多個線程帶來的Cache沖突和TLB沖突不會導(dǎo)致明顯的性能下降。
CMP
CMP是由美國斯坦福大學(xué)提出的，其思想是將大規(guī)模并行處理器中的SMP（對稱多處理器）集成到同一芯片內(nèi)，各個處理器并行執(zhí)行不同的進程。與CMP比較， SMT處理器結(jié)構(gòu)的靈活性比較突出。但是，當半導(dǎo)體工藝進入0.18微米以后，線延時已經(jīng)超過了門延遲，要求微處理器的設(shè)計通過劃分許多規(guī)模更小、局部性更好的基本單元結(jié)構(gòu)來進行。相比之下，由于CMP結(jié)構(gòu)已經(jīng)被劃分成多個處理器核來設(shè)計，每個核都比較簡單，有利于優(yōu)化設(shè)計，因此更有發(fā)展前途。目前，IBM 的Power 4芯片和Sun的 MAJC5200芯片都采用了CMP結(jié)構(gòu)。多核處理器可以在處理器內(nèi)部共享緩存，提高緩存利用率，同時簡化多處理器系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。未來的主流應(yīng)用需要處理器具備同時執(zhí)行更多條指令的能力，但是從單一線程中已經(jīng)不太可能提取更多的并行性，主要有以下兩個方面的原因：一是不斷增加的芯片面積提高了生產(chǎn)成本；二是設(shè)計和驗證所花費的時間變得更長。在處理器結(jié)構(gòu)上，更復(fù)雜化的設(shè)計也只能得到有限的性能提高。對單一控制線程的依賴限制了多數(shù)應(yīng)用可提取的并行性，而主流商業(yè)應(yīng)用，如在線數(shù)據(jù)庫事務(wù)處理（Online Database Transaction）與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(如Web服務(wù)器)等，一般都具有較高的線程級并行性(TLP，Thread Level Parallelism）。為此，研究人員提出了兩種新型體系結(jié)構(gòu):單芯片多處理器(CMP)與同時多線程處理器(Simultaneous Multithreading，SMT)，這兩種體系結(jié)構(gòu)可以充分利用這些應(yīng)用的指令級并行性和線程級并行性，從而顯著提高了這些應(yīng)用的性能。從體系結(jié)構(gòu)的角度看，SMT比CMP對處理器資源利用率要高，在克服線延遲影響方面更具優(yōu)勢。CMP相對SMT的最大優(yōu)勢還在于其模塊化設(shè)計的簡潔性。復(fù)制簡單設(shè)計非常容易，指令調(diào)度也更加簡單。同時SMT中多個線程對共享資源的爭用也會影響其性能，而CMP對共享資源的爭用要少得多，因此當應(yīng)用的線程級并行性較高時，CMP性能一般要優(yōu)于SMT。此外在設(shè)計上，更短的芯片連線使CMP比長導(dǎo)線集中式設(shè)計的SMT更容易提高芯片的運行頻率，從而在一定程度上起到性能優(yōu)化的效果。總之，單芯片多處理器通過在一個芯片上集成多個微處理器核心來提高程序的并行性。每個微處理器核心實質(zhì)上都是一個相對簡單的單線程微處理器或者比較簡單的多線程微處理器，這樣多個微處理器核心就可以并行地執(zhí)行程序代碼，因而具有了較高的線程級并行性。由于CMP采用了相對簡單的微處理器作為處理器核心，使得CMP具有高主頻、設(shè)計和驗證周期短、控制邏輯簡單、擴展性好、易于實現(xiàn)、功耗低、通信延遲低等優(yōu)點。此外，CMP還能充分利用不同應(yīng)用的指令級并行和線程級并行，具有較高線程級并行性的應(yīng)用如商業(yè)應(yīng)用等可以很好地利用這種結(jié)構(gòu)來提高性能。單芯片多處理器已經(jīng)成為處理器體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個重要趨勢。2000年IBM、HP、Sun 推出了用于RISC的多核概念，并且成功推出了擁有雙內(nèi)核的HP PA8800和IBM Power4處理器。此類處理器已經(jīng)成功應(yīng)用不同領(lǐng)域的服務(wù)器產(chǎn)品中，像IBM eServer pSeries 690或HP 9000此類服務(wù)器上仍可以看到它們的身影。由于它們相當昂貴的，因此從來沒得到廣泛應(yīng)用2005年4月，Intel推出了第一款供個人使用的雙核處理器，打開了處理器歷史新的一頁，從那之后，多核與眾核處理器紛紛登場。
SMP
SMP（對稱多處，Symmetrical Multi-Processing），是指在一個計算機上匯集了一組處理器(多CPU),各CPU之間共享內(nèi)存子系統(tǒng)以及總線結(jié)構(gòu)。它是相對非對稱多處理技術(shù)而言的、應(yīng)用十分廣泛的并行技術(shù)。在這種架構(gòu)中，一臺電腦不再由單個CPU組成，而同時由多個處理器運行操作系統(tǒng)的單一復(fù)本，并共享內(nèi)存和一臺計算機的其他資源。雖然同時使用多個CPU，但是從管理的角度來看，它們的表現(xiàn)就像一臺單機一樣。系統(tǒng)將任務(wù)隊列對稱地分布于多個CPU之上，從而極大地提高了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。所有的處理器都可以平等地訪問內(nèi)存、I/O和外部中斷。在對稱多處理系統(tǒng)中，系統(tǒng)資源被系統(tǒng)中所有CPU共享，工作負載能夠均勻地分配到所有可用處理器之上。我們平時所說的雙CPU系統(tǒng)，實際上是對稱多處理系統(tǒng)中最常見的一種，通常稱為"2路對稱多處理"，它在普通的商業(yè)、家庭應(yīng)用之中并沒有太多實際用途，但在專業(yè)制作，如3DMax Studio、Photoshop等軟件應(yīng)用中獲得了非常良好的性能表現(xiàn)，是組建廉價工作站的良好伙伴。隨著用戶應(yīng)用水平的提高，只使用單個的處理器確實已經(jīng)很難滿足實際應(yīng)用的需求，因而各服務(wù)器廠商紛紛通過采用對稱多處理系統(tǒng)來解決這一矛盾。在國內(nèi)市場上這類機型的處理器一般以4個或8個為主，有少數(shù)是16個處理器。但是一般來講，SMP結(jié)構(gòu)的機器可擴展性較差，很難做到100個以上多處理器，常規(guī)的一般是8個到16個，不過這對于多數(shù)的用戶來說已經(jīng)夠用了。這種機器的好處在于它的使用方式和微機或工作站的區(qū)別不大，編程的變化相對來說比較小，原來用微機工作站編寫的程序如果要移植到SMP機器上使用，改動起來也相對比較容易。SMP結(jié)構(gòu)的機型可用性比較差。因為4個或8個處理器共享一個操作系統(tǒng)和一個存儲器，一旦操作系統(tǒng)出現(xiàn)了問題，整個機器就完全癱瘓掉了。而且由于這個機器的可擴展性較差，不容易保護用戶的投資。但是這類機型技術(shù)比較成熟，相應(yīng)的軟件也比較多，因此現(xiàn)在國內(nèi)市場上推出的并行機大量都是這一種。PC服務(wù)器中最常見的對稱多處理系統(tǒng)通常采用2路、4路、6路或8路處理器。目前UNIX服務(wù)器可支持最多64個CPU的系統(tǒng)，如Sun公司的產(chǎn)品Enterprise 10000。SMP系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)是如何更好地解決多個處理器的相互通訊和協(xié)調(diào)問題。
局部性原理
局部性原理是除并行技術(shù)之外在計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域使用的最廣泛的技術(shù)之一?？梢赃@么說，在計算機系統(tǒng)中，局部性原理幾乎無處不在。那么，什么事局部性原理呢？在回答這個問題之前，我們先看一個例子。 圖1 局部性原理舉例 假設(shè)你就是我，正在寫一本關(guān)于計算機體系結(jié)構(gòu)方面的書。臺上一分鐘，臺下十年功。寫書也不例外，要想寫一本書，起碼要先閱讀上百本書或論文。這么多資料，你不可能實現(xiàn)把所有的資料都放在你面前，也不會每次只借一本書。實際的情況是，先去圖書館借你認為參考價值最大的一些資料，這些資料里面包含了你當前階段可能需要參考的的部分內(nèi)容，放在你的書桌上。這樣在寫書的過程中一旦需要什么查閱一些參考資料，首先會確認一下，你想要查閱的資料有沒有在你借的資料里面，如果有的話，就不用去圖書館了。如果你開始了新的一章內(nèi)容的編寫，想查閱資料時，發(fā)現(xiàn)你之前借的那些資料里面沒有相關(guān)內(nèi)容，這時，你就必須去圖書館了。在上面的例子中，如果把圖書館比作整個內(nèi)存的話，那么，起到緩沖區(qū)作用的，你的書桌，也就相當于cache。顯然，采用事先借一部分書的方法能顯著減少你去圖書館的次數(shù)，當然，也不用把整個圖書館的書都借回來了。這里面內(nèi)含的道理，就是所謂的局部性原理。局部性原理（principle of locality），一般可分成兩個方面，即時間局部性（temporal locality）和空間局部性（spatiallocality）。通俗的說，時間局部性指的是，如果一個數(shù)據(jù)被使用，那么這個數(shù)據(jù)在不久的一段時間里也很可能被使用。針對于上面的例子來說就是，如果你剛剛參考了一本書的話，那么這本書很可能在最近幾天都會被你參考?？臻g吧局部性指的是，如果一個數(shù)據(jù)被使用，那么與這個數(shù)據(jù)地址相鄰數(shù)據(jù)很有可能會很快被使用。針對于上面的例子來說就是，如果你借的一本書是在圖書館的某一個書架上，那么這個書架上與這本書相鄰的書也很可能被你借走。其實，局部性原理在計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用很廣泛。比如內(nèi)存就可以看做是硬盤的緩沖區(qū)，cache就可以看做是內(nèi)存的緩沖區(qū)，而CPU內(nèi)部的通用寄存器又可以看做是cache的緩沖區(qū)。大家所熟知的MMU中的TLB也可以看做是緩沖頁表項的緩沖區(qū)。實質(zhì)上，局部性原理可以認為是存儲空間和存儲訪問速度之間的一種平衡機制。
計算機的評價
如何衡量一臺計算機的優(yōu)劣呢？一般包括三個主要方面，運算速度，成本，功耗。首先，判斷一臺計算機優(yōu)劣的第一個指標是其運算速度。有時候，超級計算機的運算速度是一個國家科技進步程度的重要標志。這或許也是我們國家花大力氣搞超級計算機的原因吧，最近，我國研發(fā)的天河II號超級計算機摘得了世界上最快計算機的稱號。此外，在需要大量計算的情況下，如果計算機的計算速度跟不上的話，就有可能失去意義。比如，天氣預(yù)報工作，需要大量的復(fù)雜的計算，如果計算機太慢，等天氣預(yù)報結(jié)果需要好幾天才出來，那就叫天氣后報了。所以，運算速度是衡量計算機優(yōu)劣的一個重要指標，然而，影響計算機運算速度的因素有很多，既有體系結(jié)構(gòu)，CPU主頻，方面的因素，還有軟件算法，編譯系統(tǒng)等。其次，成本是衡量計算機優(yōu)劣的另外一個重要指標。隨著計算機的不斷普及，在滿足一般性能需求的情況下，人們越來越關(guān)注計算機的價格。最后，衡量一臺計算機優(yōu)劣的指標就是功耗。尤其是現(xiàn)在智能手機的大量普及，正是說明了這一點。試想，無論一個手機的性能有多好，配置有多高，如果這個手機的電池僅能使用10分鐘，恐怕也沒人會買。其實，除了上述三個衡量計算機優(yōu)劣的指標之外，在一些特殊情況下，還要考慮計算機的其它指標，比如使用壽命，安全性，可靠性等。以手機可靠性為例，咱們普通大眾可以不用過于擔(dān)心，如果某天咱們的手機壞了，大不了明天再買一個新的就是了。但是對于obama來說，手機的可靠性可是需要特別考慮了。以手機的安全性為例，默克爾的手機，可能就是對安全性考慮不周，才被美國監(jiān)控的吧。上面所述對計算機優(yōu)劣的衡量只是一個定性的考量，其實，計算速度，成本，功耗，這三個方面都是有具體的量化標準的，相關(guān)的計算公式在“常用公式和定律”中可以找到。
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