计算机体系结构的发展.ppt

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1、1271.3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 第一章 计算机体系结构的基本概念计算机系统按功能划分成2271.存储程序计算机的主要特点(1)(1)机器以运算器为中心；机器以运算器为中心；(2)(2)采用存储程序原理；采用存储程序原理；(3)(3)存储器是按地址访问的、线性编址的空间；存储器是按地址访问的、线性编址的空间；(4)(4)控制流由指令流产生；控制流由指令流产生；(5)(5)指令由操作码和地址码组成；指令由操作码和地址码组成；(6)(6)数据以二进制编码表示，采用二进制运算。数据以二进制编码表示，采用二进制运算。1.3 计算机体系结构的发展计算机系统按功

2、能划分成3272.对体系结构进行的改进 (1)(1)分布的分布的I/OI/O处理能力处理能力 以运算器为中心带来了慢速输入输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。出操作占用快速运算器的问题。为了解决这一问题，人们提出了各种为了解决这一问题，人们提出了各种 输入输入/输出方式输出方式。1.3 计算机体系结构的发展 计算机系统按功能划分成4271.3 计算机体系结构的发展计算机系统按功能划分成527(2)(2)保护保护的的存储器空间存储器空间 是否把指令和数据放在同一存储器中？是否把指令和数据放在同一存储器中？优点优点:l 不必预先区分指令和数据，易实现存储管理软件；不必预先

3、区分指令和数据，易实现存储管理软件；l 程序和指令在执行过程中可以被修改，因而可以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；编写出灵活的可修改的程序；l 对于存取指令和数据仅需一套读对于存取指令和数据仅需一套读/写和寻写和寻址址电路，电路，硬件简单；硬件简单；l 数据可以分配于任何可用空间，从而可更有数据可以分配于任何可用空间，从而可更有效效地地 利用存储空间等。利用存储空间等。1.3 计算机体系结构的发展627缺点：缺点：l 不利于进行程序调试诊断；不利于进行程序调试诊断；l 不利于实现程序的可再入性和程序的递归调用；不利于实现程序的可再入性和程序的递归调用；l

4、不利于重叠和流水方式的操作。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。1.3 计算机体系结构的发展计算机系统按功能划分成727(3)(3)存储器组织结构的发展存储器组织结构的发展 l 相联存储器和相联处理机相联存储器和相联处理机 l 通用寄存器通用寄存器 l 高速缓冲高速缓冲存储器存储器和多级存储器组织结构和多级存储器组织结构 (4)(4)并行处理技术并行处理技术 如何挖掘传统机器中的并行性如何挖掘传统机器中的并行性？改进改进CPUCPU的组成的组成l 重叠方式重叠方式l 先行控制先行控制1.3 计算机体系结构的发展计算机系统按功能划分成827 在体系结构

5、上对某些计算问题实现并行计算。在体系结构上对某些计算问题实现并行计算。如向量计算如向量计算 多机并行处理系统多机并行处理系统 把一个作业把一个作业(程序程序)划分成能并行执行的多个任划分成能并行执行的多个任 务务(程序段程序段)，把每个任务分配给一个处理机执行。，把每个任务分配给一个处理机执行。l 多操作部件多操作部件l 流水方式流水方式1.3 计算机体系结构的发展927l 复杂指令集计算机复杂指令集计算机(CISC)(CISC)l 精简指令集计算机精简指令集计算机(RISC)(RISC)(5)5)指令集结构的发展指令集结构的发展 指令集的功能指令集的功能 指令的地址空间和寻址方式指令的地址空

6、间和寻址方式 多种灵活的寻址方式。多种灵活的寻址方式。1.3 计算机体系结构的发展计算机系统按功能划分成10271.3.2 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。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、微型机巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机1.3 计算机体系结构的发展计算机系统按功能划分成第一代第一代(1945-1954)电子管和继电子管和继电器电器存储程序计算存储程序计算机、程序控制机、程序控制I/O机器语言和机器语言

7、和汇编语言汇编语言普林斯顿普林斯顿ISA、ENIAC、IBM701第二代第二代(1955-1964)晶体管、磁晶体管、磁芯、印刷电芯、印刷电路路浮点数据表示、浮点数据表示、寻址技术、中寻址技术、中断、断、I/O处理机处理机高级语言和高级语言和编译、批处编译、批处理监控系统理监控系统Univac LARC、CDC1604、IBM7030第三代第三代(1965-1974)SSI和和MSI、多层印刷电多层印刷电路、微程序路、微程序流水线、流水线、Cache、先行处理、系先行处理、系列计算机列计算机多道程序和多道程序和分时操作系分时操作系统统IBM360/370、CDC6600/7600、DEC PD

8、P-8第四代第四代(1974-1990)LSI和和VLSI、半导体存储半导体存储器器向量处理、分向量处理、分布式存储器布式存储器并行与分布并行与分布处理处理Cray-1、IBM 3090、DEC VAX9000、Convax-1第五代第五代(1991-)高性能微处高性能微处理器、高密理器、高密度电路度电路超标量、超流超标量、超流水、水、SMP、MP、MPP大规模、可大规模、可扩展并行与扩展并行与分布处理分布处理SGI Cray T3E、IBM SP2、DEC AlphaServer8400计算机系统按功能划分成1227 3.计算机系统性能随时间“下移”1.3 计算机体系结构的发展13271.3

9、 计算机体系结构的发展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。计算机系统按功能划分成14275.新型体系结构的设计 (1)(1)合理地增加合理地增加计算机系统中硬件的功能比例，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；用软件提供更多更好的支持；(2)(2)通过多种途径通过多种途径提高计算机体系结构中的并行提高计算机体系结构中的并行 性等级，性等级，使得凡是能并行计算和处理的问题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

10、组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。成对算法提供更多更好的支持。1.3 计算机体系结构的发展计算机系统按功能划分成15271.3.3 应用需求的发展 1.计算机的设计受两方面因素的影响2.软件技术最重要的发展趋势 (1)(1)程序及数据所使用存储器容量的不断增大；程序及数据所使用存储器容量的不断增大；(2)(2)编译器的重要性日益突出，逐渐成为用户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。与计算机的主要界面。l 计算机现在和未来的使用方法计算机现在和未来的使用方法l 下层的实现技术下层的实现技术1.3 计算机体系结构的发展16273.计算机技术

11、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。l 桌桌面面计计算算市市场场是是销销售售额额最最大大的的市市场场，是是对对 性能价格比要求最为苛刻和敏感的市场。性能价格比要求最为苛刻和敏感的市场。l 服服务务器器市市场场对对计计算算机机的的要要求求是是可可用用性性、大大 容量和可扩展性。容量和可扩展性。l 嵌嵌入入式式计计算算与与解解决决的的应应用用问问题题密密切切相相关关，需求千差万别。需求千差万别。1.3 计算机体系结构的发展计算机系统按功能划分成1727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 系

12、统价格（美元）系统价格（美元）每个处理器价格（美元）每个处理器价格（美元）20002000年芯片销售量（片）年芯片销售量（片）关键指标关键指标1000-10 000 100-1 000150 000 000性能价格比10 000-10 000 000 200-2 000 4 000 000可用性、可扩展性嵌入式计算（只考虑32位和64位）10-100 000 0.2-200 300 000 000随应用领域需求而变化，主要有：成本、功耗、实时性等。特征桌面计算服务器18271.3.4 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

13、密度大约每两年翻一番。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 1.3 计算机体系结构的发展计算机系统按功能划分成1927图图1.71.7 内存芯片密度和内存芯片密度和IntelIntel微处理器集成度的发展微处理器集成度的发展 1.3 计算机体系结构的发展计算机系统按功能划分成20274.四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 l 逻辑电路逻辑电路 l 半导体半导体DRAM(DRAM(动态随机访问存储器动态随机访问存储器)l 磁盘磁盘 l 网络网络 1.3 计算机体系结构的发展计算机系统按功能划分成21271.3.5 技术的挑战和体系结构的生命

14、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。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：特征尺寸特征尺寸 1.3 计算机体系结构的发展2227型号4004400480088008808080808086/80888086/8088802868028680386DX80386DX80486DX80486DXPentiumPentiumPentium ProPentium ProPentium IIPentium IIPentium IIIPentium III

15、Pentium 4Pentium 4发布日期197119721974197819821985198919931995199719992000制造工艺PMOSPMOSNMOSNMOSCMOSCMOSCMOSBiCMOSBiCMOSCMOSCMOSCMOS特征尺寸（m）1010631.51.51.00.80.350.350.180.18集成度（晶体管）2 3003 5006 00029 000134 000275 0001 200 0003 100 0005 500 0007 500 00028 000 00042 000 000工作频率108KHz200kHz2MHz5MHz6MHz16MHz2

16、5/33MHz60/66MHz150MHz233MHz500MHz1400MHz基片面积（mm2）13.515.220.028.668.7104163264310209140224表1.4 Intel公司部分微处理器的部分工艺参数 计算机系统按功能划分成23273.随着特征尺寸减小，挑战首先是功耗。原因：原因：1.3 计算机体系结构的发展(1)(1)导致集成电路连线的相对长度增加，单位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要更大的电流来驱动电平的翻转和信号变 化的传递；化的传递；(2)

17、(2)电路密度增加，导致芯片单位面积功率电路密度增加，导致芯片单位面积功率 （功率密度）上升；（功率密度）上升；(3)(3)集成电路在减小特征尺寸的同时，也在减集成电路在减小特征尺寸的同时，也在减计算机系统按功能划分成2427 少电路各层的厚度，从而降低了工作电压；少电路各层的厚度，从而降低了工作电压；(4)(4)随着特征尺寸的下降，晶体管各个电极之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；流的问题日益突出；(5)(5)由于现代微处理器中的部件成千上万，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

18、时工作，这就需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。工作，以减少系统的功耗。1.3 计算机体系结构的发展计算机系统按功能划分成2527图图1.81.8 微处理器中的工作电流和漏电流微处理器中的工作电流和漏电流 1.3 计算机体系结构的发展26274.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。1.3 计算机体系结构的发展2727图图1.91.9 体系结构的生命周期体系结构的生命周期