计算机体系结构的发展.docx

1、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。3/271.3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

2、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7/271.3计算机体系结构的发

3、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。9/271.3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

4、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Univac LARC、 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.DEC PDP-8第四代 (1974- 1990)LSI 和 V LSI、 半导体存储 器向量处理、分 布式存储器并行与分

5、布 处理Cray-1 IBM 3090、 DEC VAX9000.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SGI Cray T3E、IBM SP2. DEC AlphaServer84001.3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。13/271.3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

6、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。15/271.3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

7、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13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）1000-10 00010 000-10 000 00010-100 000每个处理器价格（美元）100-1 000200-2 0000.2-2002000年芯片销售量（片）150 000 0004 000 000300 000 000关键指标性

8、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。17/271.3计算机体系结构的发展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17内存芯片密度和Intel微处理器集成度的发展19/271.3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

9、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21/27表1.4 Intel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）40041971PMOS102 300108KHz13. 580081972PMOS103 500200kHz15.280801974NMOS66 0002MHz20. 08086/80881978NMOS329 0005MHz28. 6802861982CMOS1. 5134 0006MHz68. 780386DX1985CMOS1. 5275 00016MH

10、z10480486DX1989CMOS1.01 200 00025/33MHz163Pentium1993BiCMOS0.83 100 00060/66MHz264Pentium Pro1995BiCMOS0. 355 500 000150MHz310Pentium II1997CMOS0. 357 500 000233MHz209Pentium III1999CMOS0. 1828 C00 000500MHz140Pentium 42000CMOS0. 1842 C00 0001400MHz2243.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

11、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1.3计算机体系结构的发展少电路各层的厚度，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18微处理器中的工作电流和漏电流25/271.3计算机体系结构的发展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1520年的时间。26/27图1.9体系结构的生命周期