计算机体系结构的发展.docx
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计算机体系结构的发展
1.3计算机体系结构的发展
1.3.1存储程序计算机体系结构及其发展
A数据流・A控制流
1.3计算机体系结构的发展
1.
（1）机器以运算器为中心；
（2）釆用存储程序原理；
（3）存储器是按地址访问的、线性编址的空间;
（4）控制流由指令流产生；
（5）指令由操作码和地址码组成；
（6）数据以二进制编码表示，采用二进制运算。
2.对体系结构进行的改进
（1）分布的I/O处理能力
以运算器为中心带来了慢速输入/输
出操作占用快速运算器的问题。
为了解决这一问题，人们提出了各种输入/输出方式。
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1.3计算机体系结构的发展
（2）保护的存储器空间
是否把指令和数据放在同一存储器中？
优点：
•不必预先区分指令和数据，易实现存储管理软件;
•程序和指令在执行过程中可以被修改，因而可以编写出灵活的可修改的程序；
•对于存取指令和数据仅需一套读/写和寻址电路，硬件简单；
•数据可以分配于任何可用空间，从而可更有效地利用存储空间等。
1.3计算机体系结构的发展
缺点：
•不利于进行程序调试诊断；
•不利于实现程序的可再入性和程序的递归调用；
•不利于重叠和流水方式的操作。
现在绝大多数计算机都规定，在执行进程中
不准修改程序。
（3）存储器组织结构的发展
•相联存储器和相联处理机
•通用寄存器
•高速缓冲存储器和多级存储器组织结构
（4）并行处理技术
如何挖掘传统机器中的并行性？
♦改进CPU的组成
•重叠方式
•先行控制
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1.3计算机体系结构的发展
•多操作部件
•流水方式
♦在体系结构上对某些计算问题实现并行计算。
如向量计算
♦多机并行处理系统
把一个作业（程序）划分成能并行执行的多个任务（程序段），把每个任务分配给一个处理机执行。
（5）指令集结构的发展
♦指令集的功能
•复杂指令集计算机（CISC）
•精简指令集计算机（RISC）
♦指令的地址空间和寻址方式
多种灵活的寻址方式。
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1.3计算机体系结构的发展
1.3.2计算机的分代和分型
1-计算机到目前为止已经发展了五代
这五代计算机分别具有明显的器件、体系结构技术和软件技术的特征。
2.计算机可以根据价格分为五个档次：
巨型机、大型机、中型机、小型机.微型机
第一代（1945-1954）
电子管和继电器
存储程序计算机、程序控制I/O
机器语言和汇编语言
普林斯顿ISA、ENIAC.IBM701
第二代（1955-1964）
晶体管、磁芯、印刷电路
浮点数据表示、寻址技术、中断.I/O处理机
高级语言和编译、批处理监控系统
UnivacLARC、CDC1604.IBM7030
第三代（1965-1974）
SSI和MSI、多层印刷电路、微程序
流水线、Cache、先行处理、系
列»算机
多道程序和分时操作系统
IBM360/370.CDC6600/7600.
DECPDP-8
第四代（1974-1990）
LSI和VLSI、半导体存储器
向量处理、分布式存储器
并行与分布处理
Cray-1>IBM3090、DECVAX9000.
Convax-1
鎬五代（1991-）
高性能微处理器.高密度电路
超标量、超流水、SMP.MP、
MPP
大规模、可扩展并行与分布处理
SGICrayT3E、IBMSP2.DECAlphaServer8400
1.3计算机体系结构的发展
3.计算机系统性能随时间“下移”
价格（对数坐标）
虔线为等性能线
.__II机
•'、、、、大型机
■'小鉀亠、、、、微型机
A时间
4.根据当前的计算机应用市场的现状和价格特征，通常把计算机分为服务器、桌面系统和嵌入式计算三大领域。
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1.3计算机体系结构的发展
5.新型体系结构的设计
（1）合理地增加计算机系统中硬件的功能比例，这种体系结构对操作系统、高级语言甚至应用软件提供更多更好的支持；
（2）通过多种途径提高计算机体系结构中的并行
性等级，使得凡是能并行计算和处理的问题都能并行计算和处理，使这种体系结构和组成对算法提供更多更好的支持。
1.3.3应用需求的发展
1.计算机的设计受两方面因素的影响
•计算机现在和未来的使用方法
•下层的实现技术
2.软件技术最重要的发展趋势
（1）程序及数据所使用存储器容量的不断增大；
（2）编译器的重要性日益突出，逐渐成为用户与计算机的主要界面。
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1.3计算机体系结构的发展
3.计算机技术和市场分化成为桌面计算、服务器
和嵌入式计算三个部分，这三个不同的领域应
用需求的特点对计算机系统设计的影响巨大。
•桌面计算市场是销售额最大的市场，是对
性能价格比要求最为苛刻和敏感的市场。
•服务器市场对计算机的要求是可用性、大容量和可扩展性。
•嵌入式计算与解决的应用问题密切相关，需求千差万别。
表1・3桌面计算.服务器和嵌入式计算三类应用领域的一些典型特性
特征
桌面计算
朋务器
嵌入式计算（只考虑32位和64位）
系统价格（美元）
1000-10000
10000-10000000
10-100000
每个处理器价格（美元）
100-1000
200-2000
0.2-200
2000年芯片销售量（片）
150000000
4000000
300000000
关键指标
性能价格比
可用性、可扩展性
随应用领域需求而变化，主要有：
成本、功耗、实时性等。
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1.3.4计算机实现技术的发展
1.现代计算机实现技术的基础核心是以晶体管为基本单元的平面集成电路
2.摩尔定律
集成电路密度大约每两年翻一番。
3.内存芯片和Intel微处理器的发展变化
4.
图1・7内存芯片密度和Intel微处理器集成度的发展
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1.3计算机体系结构的发展
5.四种实现技术对于当代计算机的发展发挥着非常关键的作用
•逻辑电路
•半导体DRAM（动态随机访问存储器）
•磁盘
•网络
1.3.5技术的挑战和体系结构的生命周期
1.对计算机系统设计人员的技术挑战
体系结构、设计工具、制造工艺.软件和
应用等多个方面，甚至包括经济的问题。
2.集成电路制造中的重要技术指标之一：
特征尺寸
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表1.4Intel公司部分微处理器的部分工艺参数
型号
发布日期
制造工艺
特征尺寸（pun）
集成度
（晶体管）
工作频率
基片面积（mm2）
4004
1971
PMOS
10
2300
108KHz
13.5
8008
1972
PMOS
10
3500
200kHz
15.2
8080
1974
NMOS
6
6000
2MHz
20.0
8086/8088
1978
NMOS
3
29000
5MHz
28.6
80286
1982
CMOS
1.5
134000
6MHz
68.7
80386DX
1985
CMOS
1.5
275000
16MHz
104
80486DX
1989
CMOS
1.0
1200000
25/33MHz
163
Pentium
1993
BiCMOS
0.8
3100000
60/66MHz
264
PentiumPro
1995
BiCMOS
0.35
5500000
150MHz
310
PentiumII
1997
CMOS
0.35
7500000
233MHz
209
PentiumIII
1999
CMOS
0.18
28C00000
500MHz
140
Pentium4
2000
CMOS
0.18
42C00000
1400MHz
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3.随着特征尺寸减小，挑战首先是功耗。
原因：
（1）导致集成电路连线的相对长度增加，单位长度阻抗也增大，更高的电路工作主频需要更大的电流来驱动电平的翻转和信号变化的传递；
（2）电路密度增加，导致芯片单位面积功率
（功率密度）上升；
（3）集成电路在减小特征尺寸的同时，也在减
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少电路各层的厚度，从而降低了工作电压;
（4）随着特征尺寸的下降，晶体管各个电极之间的绝缘层性能急剧下降，电极之间漏电流的问题日益突出；
（5）由于现代微处理器中的部件成千上万，而这些部件并不都是同时工作，这就需要在设计中合理分配电力使用，对于不工作的部件暂时减低工作性能或者暂停工作，以减少系统的功耗。
图1・8微处理器中的工作电流和漏电流
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4.在设计上将面临的问题：
微处理器芯片正确性验证复杂性成倍上升.
5.从经济角度看问题和从技术角度看问题往往
是不同的
6.一个计算机体系结构，从产生到消亡，大致
需要15〜20年的时间。
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图1.9体系结构的生命周期
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