微处理器的新发展

微处理器的新发展微处理器的结构和主频一直是推动整个计算机系统发展的原动力。在某一阶段微处理器的结构不变，处理器依靠主频的不断提升来提高其处理性能。随着处理器设计技术和生产工艺的发展，处理器突破性的性能提升还必须依赖处理器的结构更新。CISC微处理器随着VLSI技术的迅速发展，在计算机系统中，硬件成本不断降低，软件成本不断上升，使得人们热衷于在指令系统中增加更多的指令并采用复杂的指令，以适应不同应用领域的需要，并考虑尽量减少指令系统和与高级语言的语义差异，以便于高级语言程序编译和降低软件成本。当某一系列计算机增加新的型号时，为保护用户在软件上的投资不受损失，新机器一般要继承老机器指令系统中的全部指令，这种情况使同一系列的计算机指令系统越来越复杂，指令集内的指令数目多达几百条，我们称这种计算机为复杂指令系统计算机，简称CISC。这种计算机采用的微处理器属于CISC结构的微处理器。在CISC微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的；每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但机器各部分的利用率不高，执行速度慢。Intel的80386系列就属于CISC结构的微处理器。RISC微处理器对CISC机进行测试表明，各种指令的使用频度相当悬殊，昀常使用的是一些比较简单的指令，它们仅占指令总数的20％，但在程序中出现的频度却占80％。复杂的指令系统必然增加微处理器的复杂性，使微处理器研制时间长、成本高。复杂指令需要复杂的操作，从而降低了机器的速度。70年代末，JohnCocke提出精简指令的想法。80年代初斯坦福大学研制出MIPS机，为精简指令系统计算机（简称RISC）的诞生与发展起了很大作用。RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。MIPSR3000、HP－PA8000系列，MotorolaM88000等均属于RISC微处理器。它们的指令数目只有几十条。RISC微处理器不仅精简了指令系统，还采用超标量和超流水线结构，大大增强了并行处理能力。1987年SunMicrosystem公司推出的SPARC芯片就是一种超标量结构的RISC处理器。而SGI公司推出的MIPS处理器则采用超流水线结构，这些RISC处理器在构建并行精简指令系统多处理机中起着核心的作用。它们都是当今UNIX领域64位多处理机的主流芯片。RISC微处理器取得成功的诀窍之一是由于指令集简化后，流水线以及常用指令均可用硬件执行；诀窍之二是采用大量的寄存器，使大部分指令操作都在寄存器之间进行，提高了处理速度；诀窍之三是采用缓存－主存－外存三级存储结构，使取数与存数指令分开执行，使处理器可以完成尽可能多的工作，且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。由于RISC处理器指令简单、采用硬布线控制逻辑、处理能力强、速度快，世界上绝大部分UNIX工作站和服务器厂商均采用RISC芯片作CPU用。如原DEC的Alpha21364、IBM的PowerPCG4、HP的PA－8900、SGI的R12000A和SUNMicrosystem公司的UltraSPARCII。这些RISC芯片的工作频率一般在400MHz数量级。时钟频率低，功率消耗少，温升也少，机器不易发生故障和老化，提高了系统的可靠性。如SGI的R12000A微处理器主要靠改进微处理器的体系结构来提高处理器的总体性能，使运行应用程序时速度加快。在RISC微处理器发展过程中。曾产生了超长指令字（VLIW）微处理器，它使用非常长的指令组合，把许多条指令连在一起，以增加运算速度。在VLIW微处理器中多个功能部件用一组寄存器相连，以支持多功能并行执行。VLIW处理器的基本模型是标量代码的执行模型，使每个机器周期内有多个操作。有些RISC处理器中也采用少数VLIW指令来提高处理速度。EPIC微处理器近来，64位CPU的声浪甚高。何谓64位计算机？现今工业界对64位计算机的描述，是指具有64位运算能力、64位寻址空间和64位数据通路的计算机。64位的硬件环境能提供哪些好处？＊64位的CPU和数据通路，可以提供快速双精度的运算能力;＊64位的指针可以提供大于1TB的虚拟存储空间，文件长度可以大于1TB;＊物理地址空间大于1TB。64位CPU可以快速而精确地执行应用程序，允许程序人员在设计程序时可以使用比以往更大的数据库和存储空间，可以处理很复杂的计算模型。作为64位微处理器架构，IA－64代表了一种新的微处理器的发展方向。IA－64微处理器采用显示并行指令计算（简称EPIC）技术和分支预测、动态执行等技术，以提高指令执行的并行性。EPIC技术突破了传统RISC处理器暗示并行的排序代码并传递给处理器执行的限制，利用编译优化技术获得昀大限度的并行能力，并以明显的方式传递给处理器，使处理器可以更有效地并行执行指令。简单地说，EPIC处理器首先由编译程序分析指令之间的依赖关系；然后将没有依赖关系的指令组合成群；昀后由内置的执行单元读入指令群并分头并行执行。由于各条指令究竟分配给哪个单元是由编译器来决定的，而不是由硬件进行调度，因此降低了处理器的制造成本。EPIC处理器中除了采用EPIC技术外，还采用分支预测和动态执行技术来提高处理速度。所谓分支预测就是采用分支判断语句，进而确定选取哪一个分支和舍弃哪一个分支。换句话说，利用分支预测功能可以提高分支预测的命中率。所谓动态执行技术，就是在程序运行过程中，当发现某个数据需要用到时，就将该数据提前从存储器中取出，并放入寄存器中备用，这样可以减少等待从存储器中取出数据的时间，提高了CPU的运行效率。分支预测和动态执行都会打乱程序原来的执行程序，并需要动态地重新进行排序执行，这要通过优化编译程序来实现。当前EPIC处理器工作的时钟频率达到了1GHz的数量级，所以运算速度也得到提高。Intel的Intanium（安腾）处理器和AMD的Athlon（速龙）处理器均属于64位的EPIC微处理器，两者均采用0.18微米的CMOS制造工艺。因此在64位的EPIC处理器战场上，Intel和AMD两大厂商展开了激烈的竞争。RISCVs.IA－64自从1994年，Intel和HP合作开发IA－64芯片，并宣布推出第一代Merced的芯片以来，对计算机产业发生了巨大的影响。许多厂商也停止或调整了开发64位RISC的计划，而转向IA－64，尤其HP将PA－RISC的特性运用到IA－64架构中，那么它会替代RISC吗？现在说还为时过早，我们可以预见RISC体系结构处理器还将会从几方面发展：增加处理器的并行性；扩展支持可伸缩并行计算机系统的功能；提高工艺水平。并且现在很多厂商的高端计算机还在继续使用RISC处理器。尽管当前微处理器的竞争处于白热化阶段，但可以肯定，64位的微处理器将逐渐普及。微处理器的发展是IT产业的原动力，随着技术的不断进步，未来必将出现更新、更快、更强的微处理器推动IT产业向前发展。