计算机组成原理和结构（一）

前面章节介绍的计算机指令系统结构从软件的角度描述了计算机功能，从本章开始将介绍计算机组成结构，从硬件的角度来看看计算机是怎样构成的。

如果说图灵机是现代计算机的计算理论模型，冯·诺依曼结构就是现代计算机的结构理论模型。本章从冯·诺依曼的理论模型开始，介绍计算机系统的各个组成部分，并与现代计算机的具体实现相对应。

5.1 冯·诺依曼结构

现代计算机都采用存储程序结构，又称为冯·诺依曼结构，是1945年匈牙利籍数学家冯·诺依曼受宾夕法尼亚大学研制的ENIAC计算机结构的启发提出的，是世界上第一个完整的计算机体系结构。

冯·诺依曼结构的主要特点是：①计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五部分组成，其中运算器和控制器合称为中央处理器（Central Processing Processor，简称CPU）。②存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元的位数固定。③采用存储程序方式，即指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中。④控制器通过执行指令发出控制信号控制计算机的操作。指令在存储器中按其执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址。指令计数器一般按顺序递增，但执行顺序可按运算结果或当时的外界条件而改变。⑤以运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送都经过运算器。冯·诺依曼计算机的工作原理如图5.1所示。

图 5.1: 冯·诺依曼计算机体系结构

随着技术的进步，冯·诺依曼结构得到了持续的改进，主要包括以下几个方面：①由以运算器为中心改进为以存储器为中心。使数据的流向更加合理，从而使运算器、存储器和输入输出设备能够并行工作。②由单一的集中控制改进为分散控制。计算机发展初期，工作速度很低，运算器、存储器、控制器和输入输出设备可以在同一个时钟信号的控制下同步工作。现在运算器、内存与输入输出设备的速度差异很大，需要采用异步方式分散控制。③从基于串行算法改进为适应并行算法。出现了流水线处理器、超标量处理器、向量处理器、多核处理器、对称多处理器（Symmetric Multiprocessor，简称SMP）、大规模并行处理机（Massively Parallel Processing，简称MPP）和机群系统等。④出现为适应特殊需要的专用计算机，如图形处理器（Graphic Processing Unit，简称GPU）、数字信号处理器（Digital Signal Processor，简称DSP）等。⑤在非冯·诺依曼计算机的研究方面也取得一些成果，如依靠数据驱动的数据流计算机、图归约计算机等。

虽然经过了长期的发展，现代计算机系统占据主要地位的仍然是以存储程序和指令驱动执行为主要特点的冯·诺依曼结构。

作为冯·诺依曼结构的一个变种，哈佛结构把程序和数据分开存储。控制器使用两条独立的总线读取程序和访问数据，程序空间和数据空间完成分开。在通用计算机领域，由于应用软件的多样性，要求计算机不断地变化所执行的程序内容，并且频繁地对数据与程序占用的存储器资源进行重新分配，使用统一编址可以最大限度地利用资源。但是在嵌入式应用中，系统要执行的任务相对单一，程序一般是固化在硬件里的，同时嵌入式系统对安全性、可靠性的要求更高，哈佛结构独立的程序空间更有利于代码保护。因此，在嵌入式领域，哈佛结构得到了广泛应用。需要指出的是，哈佛结构并没有改变冯·诺依曼结构存储程序和指令驱动执行的本质，它只是冯·诺依曼结构的一个变种，并不是独立于冯·诺依曼结构的一种新型结构。

5.2 计算机的组成部件

本节对计算机的主要组成部件进行介绍。按照冯·诺依曼结构，计算机包含五大部分，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

5.2.1 运算器

运算器是计算机中负责计算（包括算术计算和逻辑计算等）的部件。运算器包括算术和逻辑运算部件（Arithmetic Logic Units，简称ALU）、移位部件、浮点运算部件（Floating Point Units，简称FPU）、向量运算部件、寄存器等。其中，复杂运算如乘除法、开方及浮点运算可用程序实现或由运算器实现。寄存器既可用于保存数据，也可用于保存地址。运算器还可设置条件码寄存器等专用寄存器，条件码寄存器保存当前运算结果的状态，如运算结果是正数、负数或零，是否溢出等。

运算器支持的运算类型经历了从简单到复杂的过程。最初的运算器只有简单的定点加减和基本逻辑运算，复杂运算如乘除通过加减、移位指令构成的数学库完成；后来逐渐出现硬件定点乘法器和除法器。在早期的微处理器中，浮点运算器以协处理器的形式出现在计算机中（如Intel 8087协处理器），包含二进制浮点数的加、减、乘、除等运算，现代的通用微处理器则普遍包含完整的浮点运算部件。20世纪90年代开始，微处理器中出现了单指令多数据（Single Instruction Multiple Data，简称SIMD）的向量运算器，部分处理器还实现了超越函数硬件运算单元，如sin、cos、exp、log等。部分用于银行业务处理的计算机（如IBM Power系列）还实现了十进制定、浮点数的运算器。

随着晶体管集成度的不断提升，处理器中所集成的运算器的数量也持续增加，通常将具有相近属性的一类运算组织在一起构成一个运算单元。不同的处理器有不同的运算单元组织，有的倾向于每个单元大而全，有的倾向于每个单元的功能相对单一。处理器中包含的运算单元数目也逐渐增加，从早期的单个运算单元逐渐增加到多个运算单元。由于运算单元都需要从寄存器中读取操作数，并把结果写回寄存器，因此处理器中运算单元的个数主要受限于寄存器堆读写端口个数。运算单元一般按照定点、浮点、访存、向量等大类来组织，也有混合的，如SIMD部件既能做定点也能做浮点运算，定点部件也可以做访存地址计算等。

表5.1给出了几种经典处理器的运算器结构。其中Alpha 21264、MIPS R10000、HP PA8700、Ultra Sparc III、Power 4是20世纪90年代RISC处理器鼎盛时期经典的微处理器，而Intel Skylake、AMD Zen、Power 8、龙芯3A5000则是最新处理器。

表 5.1: 经典处理器的运算器结构

5.2.2 控制器

控制器是计算机中发出控制命令以控制计算机各部件自动、协调地工作的装置。控制器控制指令流和每条指令的执行，内含程序计数器和指令寄存器等。程序计数器存放当前执行指令的地址，指令寄存器存放当前正在执行的指令。指令通过译码产生控制信号，用于控制运算器、存储器、IO设备的工作以及后续指令的获取。这些控制信号可以用硬连线逻辑产生，也可以用微程序产生，也可以两者结合产生。为了获得高指令吞吐率，可以采用指令重叠执行的流水线技术，以及同时执行多条指令的超标量技术。当遇到执行时间较长或条件不具备的指令时，把条件具备的后续指令提前执行（称为乱序执行）可以提高流水线效率。控制器还产生一定频率的时钟脉冲，用于计算机各组成部分的同步。

由于控制器和运算器的紧密耦合关系，现代计算机通常把控制器和运算器集成在一起，称为中央处理器，即CPU。随着芯片集成度的不断提高，现代CPU除了含有运算器和控制器外，常常还集成了其他部件，比如高速缓存（Cache）部件、内存控制器等。

计算机执行指令一般包含以下过程：从存储器取指令并对取回的指令进行译码，从存储器或寄存器读取指令执行需要的操作数，执行指令，把执行结果写回存储器或寄存器。上述过程称为一个指令周期。计算机不断重复指令周期直到完成程序的执行。体系结构研究的一个永恒主题就是不断加速上述指令执行周期，从而提高计算机运行程序的效率。由于控制器负责控制指令流和每条指令的执行，对提高指令执行效率起着至关重要的作用。

现代处理器的控制器都通过指令流水线技术来提高指令执行效率。指令流水线把一条指令的执行划分为若干阶段（如分为取指、译码、执行、访存、写回阶段）来减少每个时钟周期的工作量，从而提高主频；并允许多条指令的不同阶段重叠执行实现并行处理（如一条指令处于执行阶段时，另一条指令处于译码阶段）。虽然同一条指令的执行时间没有变短，但处理器在单位时间内执行的指令数增加了。

计算机中的取指部件、运算部件、访存部件都在流水线的调度下具体执行指令规定的操作。运算部件的个数和延迟，访存部件的存储层次、容量和带宽，以及取指部件的转移猜测算法等是决定微结构性能的重要因素。常见的提高流水线效率的技术包括转移预测技术、乱序执行技术、超标量（又称为多发射）技术等。

（1）转移预测技术。冯·诺依曼结构指令驱动执行的特点，使转移指令成为提高流水线效率的瓶颈。典型应用程序平均每5-10条指令中就有一条转移指令，而转移指令的后续指令需要等待转移指令执行结果确定后才能取指，导致转移指令和后续指令之间不能重叠执行，降低了流水线效率。随着主频的提高，现代处理器流水线普遍在10-20级之间，由于转移指令引起的流水线阻塞成为提高指令流水线效率的重要瓶颈。

转移预测技术可以消除转移指令引起的指令流水线阻塞。转移预测器根据当前转移指令或其他转移指令的历史行为，在转移指令的取指或译码阶段预测该转移指令的跳转方向和目标地址并进行后续指令的取指。转移指令执行后，根据已经确定的跳转方向和目标地址对预测结果进行修正。如果发生转移预测错误，还需要取消指令流水线中的后续指令。为了提高预测精度并降低预测错误时的流水线开销，现代高性能处理器采用了复杂的转移预测器。

例如，可以在取指部件中设置一位标志记录上一条转移指令的跳转方向，碰到转移指令，不用等该转移指令执行结果，就根据该标志猜测跳转方向进行取指。对于C语言中的for (i=0,i<N,i++)类的循环，这种简单的转移猜测就可以达到（N-1）/（N+1）的准确度，当N很大时准确度很高。

（2）乱序执行技术。如果指令i是条长延迟指令，如除法指令或Cache不命中的访存指令，那么在顺序指令流水线中指令i后面的指令需要在流水线中等待很长时间。乱序执行技术通过指令动态调度允许指令i后面的源操作数准备好的指令越过指令i执行（需要使用指令i的运算结果的指令由于源操作数没有准备好，不会越过指令i执行），以提高指令流水线效率。为此，在指令译码之后的读寄存器阶段，应判断指令需要的操作数是否准备好。如果操作数已经准备好，就进入执行阶段；如果操作数没有准备好，就进入称为保留站或者发射队列的队列中等待，直到操作数准备好后再进入执行阶段。为了保证执行结果符合程序规定的要求，乱序执行的指令需要有序结束。为此，执行完的指令均进入一个称为重排序缓冲（Re-Order Buffer，简称ROB）的队列，并把执行结果临时写入重命名寄存器。ROB根据指令进入流水线的次序，有序提交指令的执行结果到目标寄存器或存储器。CDC6600和IBM 360/91分别使用记分板和保留站最早实现了指令的动态调度。

就像保留站和重排序缓冲用来临时存储指令以使指令在流水线中流动更加通畅，重命名寄存器用来临时存储数据以使数据在流水线流动更加通畅。保留站、重排序缓冲、重命名寄存器都是微结构中的数据结构，程序员无法用指令来访问，是结构设计人员为了提高流水线效率而用来临时存储指令和数据的。其中，保留站把指令从有序变为无序以提高执行效率，重排序缓存把指令从无序重新变为有序以保证正确性，重命名寄存器则在乱序执行过程中临时存储数据。重命名寄存器与指令可以访问的结构寄存器（如通用寄存器、浮点寄存器）相对应。乱序执行流水线把指令执行结果写入重命名寄存器而不是结构寄存器，以避免破坏结构寄存器的内容，到顺序提交阶段再把重命名寄存器内容写入结构寄存器。两组执行不同运算但使用同一结构寄存器的指令可以使用不同的重命名寄存器，从而避免该结构寄存器成为串行化瓶颈，实现并行执行。

（3）超标量技术。工艺技术的发展使得在20世纪80年代后期出现了超标量处理器。超标量结构允许指令流水线的每一阶段同时处理多条指令。例如Alpha 21264处理器每拍可以取4条指令，发射6条指令，写回6条指令，提交11条指令。如果把单发射结构比作单车道马路，多发射结构就是多车道马路。

由于超标量结构的指令和数据通路都变宽了，使得寄存器端口、保留站端口、ROB端口、功能部件数都需要增加，例如Alpha 21264的寄存器堆有8个读端口和6个写端口，数据Cache的RAM通过倍频支持一拍两次访问。现代超标量处理器一般包含两个以上访存部件，两个以上定点运算部件以及两个以上浮点运算部件。超标量结构在指令译码或寄存器重命名时不仅要判断前后拍指令的数据相关，还需要判断同一拍中多条指令间的数据相关。