1.3 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（同濟(jì)）

1.3 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1.3.1存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及其發(fā)展

第一章計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本概念1.存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)(1)機(jī)器以運(yùn)算器為中心；(2)采用存儲(chǔ)程序原理；(3)存儲(chǔ)器是按地址訪問(wèn)的、線性編址的空間；(4)控制流由指令流產(chǎn)生；(5)指令由操作碼和地址碼組成；(6)數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算。

1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展2.對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn)

(1)分布的I/O處理能力

以運(yùn)算器為中心帶來(lái)了慢速輸入／輸出操作占用快速運(yùn)算器的問(wèn)題。

為了解決這一問(wèn)題，人們提出了各種

輸入/輸出方式。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展(2)保護(hù)的存儲(chǔ)器空間

是否把指令和數(shù)據(jù)放在同一存儲(chǔ)器中？

優(yōu)點(diǎn):

不必預(yù)先區(qū)分指令和數(shù)據(jù)，易實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)管理軟件；程序和指令在執(zhí)行過(guò)程中可以被修改，因而可以

編寫(xiě)出靈活的可修改的程序；對(duì)于存取指令和數(shù)據(jù)僅需一套讀/寫(xiě)和尋址電路，

硬件簡(jiǎn)單；數(shù)據(jù)可以分配于任何可用空間，從而可更有效地

利用存儲(chǔ)空間等。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展缺點(diǎn)：

不利于進(jìn)行程序調(diào)試診斷；不利于實(shí)現(xiàn)程序的可再入性和程序的遞歸調(diào)用；不利于重疊和流水方式的操作。

現(xiàn)在絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)都規(guī)定，在執(zhí)行進(jìn)程中不準(zhǔn)修改程序。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展(3)存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展

相聯(lián)存儲(chǔ)器和相聯(lián)處理機(jī)通用寄存器高速緩沖存儲(chǔ)器和多級(jí)存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)(4)并行處理技術(shù)

如何挖掘傳統(tǒng)機(jī)器中的并行性？

◆

改進(jìn)CPU的組成

重疊方式先行控制1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展◆

在體系結(jié)構(gòu)上對(duì)某些計(jì)算問(wèn)題實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。

如向量計(jì)算◆

多機(jī)并行處理系統(tǒng)

把一個(gè)作業(yè)(程序)劃分成能并行執(zhí)行的多個(gè)任 務(wù)(程序段)，把每個(gè)任務(wù)分配給一個(gè)處理機(jī)執(zhí)行。

多操作部件流水方式1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISC)

精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)

(5)指令集結(jié)構(gòu)的發(fā)展

◆

指令集的功能

◆

指令的地址空間和尋址方式

多種靈活的尋址方式。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.3.2計(jì)算機(jī)的分代和分型1.計(jì)算機(jī)到目前為止已經(jīng)發(fā)展了五代

這五代計(jì)算機(jī)分別具有明顯的器件、體系結(jié)構(gòu)技術(shù)和軟件技術(shù)的特征。2.計(jì)算機(jī)可以根據(jù)價(jià)格分為五個(gè)檔次：

巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展第一代(1945-1954)電子管和繼電器存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)、程序控制I/O機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言普林斯頓ISA、ENIAC、IBM701第二代(1955-1964)晶體管、磁芯、印刷電路浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示、尋址技術(shù)、中斷、I/O處理機(jī)高級(jí)語(yǔ)言和編譯、批處理監(jiān)控系統(tǒng)UnivacLARC、CDC1604、IBM7030第三代(1965-1974)SSI和MSI、多層印刷電路、微程序流水線、Cache、先行處理、系列計(jì)算機(jī)多道程序和分時(shí)操作系統(tǒng)IBM360/370、CDC6600/7600、DECPDP-8第四代(1974-1990)LSI和VLSI、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器向量處理、分布式存儲(chǔ)器并行與分布處理Cray-1、IBM3090、DECVAX9000、Convax-1第五代(1991-)高性能微處理器、高密度電路超標(biāo)量、超流水、SMP、MP、MPP大規(guī)模、可擴(kuò)展并行與分布處理SGICrayT3E、IBMSP2、DECAlphaServer8400

3.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能隨時(shí)間“下移”1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展4.根據(jù)當(dāng)前的計(jì)算機(jī)應(yīng)用市場(chǎng)的現(xiàn)狀和價(jià)格特征，通常把計(jì)算機(jī)分為服務(wù)器、桌面系統(tǒng)和嵌入式計(jì)算三大領(lǐng)域。

5.新型體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

(1)合理地增加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件的功能比例，這種體系結(jié)構(gòu)對(duì)操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言甚至應(yīng)用軟件提供更多更好的支持；(2)通過(guò)多種途徑提高計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的并行性等級(jí)，使得凡是能并行計(jì)算和處理的問(wèn)題都能并行計(jì)算和處理，使這種體系結(jié)構(gòu)和組成對(duì)算法提供更多更好的支持。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.3.3應(yīng)用需求的發(fā)展

1.計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)受兩方面因素的影響2.軟件技術(shù)最重要的發(fā)展趨勢(shì)

(1)

程序及數(shù)據(jù)所使用存儲(chǔ)器容量的不斷增大；(2)編譯器的重要性日益突出，逐漸成為用戶與計(jì)算機(jī)的主要界面。

計(jì)算機(jī)現(xiàn)在和未來(lái)的使用方法下層的實(shí)現(xiàn)技術(shù)1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展3.計(jì)算機(jī)技術(shù)和市場(chǎng)分化成為桌面計(jì)算、服務(wù)器和嵌入式計(jì)算三個(gè)部分，這三個(gè)不同的領(lǐng)域應(yīng)用需求的特點(diǎn)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響巨大。

桌面計(jì)算市場(chǎng)是銷售額最大的市場(chǎng)，是對(duì)

性能價(jià)格比要求最為苛刻和敏感的市場(chǎng)。服務(wù)器市場(chǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)的要求是可用性、大

容量和可擴(kuò)展性。嵌入式計(jì)算與解決的應(yīng)用問(wèn)題密切相關(guān)，

需求千差萬(wàn)別。1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展表1.3 桌面計(jì)算、服務(wù)器和嵌入式計(jì)算三類應(yīng)用

領(lǐng)域的一些典型特性

系統(tǒng)價(jià)格（美元）每個(gè)處理器價(jià)格（美元）2000年芯片銷售量（片）關(guān)鍵指標(biāo)1000-10000100-1000150000000性能價(jià)格比10000-10000000200-20004000000可用性、可擴(kuò)展性嵌入式計(jì)算（只考慮32位和64位）10-1000000.2-200300000000隨應(yīng)用領(lǐng)域需求而變化，主要有：成本、功耗、實(shí)時(shí)性等。特征桌面計(jì)算服務(wù)器1.3.4計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展1.

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的基礎(chǔ)核心是以晶體管為

基本單元的平面集成電路2.摩爾定律

集成電路密度大約每?jī)赡攴环?.內(nèi)存芯片和Intel微處理器的發(fā)展變化

1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展圖1.7 內(nèi)存芯片密度和Intel微處理器集成度的發(fā)展

1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展4.四種實(shí)現(xiàn)技術(shù)對(duì)于當(dāng)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展發(fā)揮著非

常關(guān)鍵的作用

邏輯電路半導(dǎo)體DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器)磁盤(pán)

網(wǎng)絡(luò)1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.3.5技術(shù)的挑戰(zhàn)和體系結(jié)構(gòu)的生命周期1.對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的技術(shù)挑戰(zhàn)

體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)工具、制造工藝、軟件和應(yīng)用等多個(gè)方面，甚至包括經(jīng)濟(jì)的問(wèn)題。

2.集成電路制造中的重要技術(shù)指標(biāo)之一：

特征尺寸1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展型號(hào)4004800880808086/80888028680386DX80486DXPentiumPentiumProPentiumIIPentiumIIIPentium4發(fā)布日期197119721974197819821985198919931995199719992000制造工藝PMOSPMOSNMOSNMOSCMOSCMOSCMOSBiCMOSBiCMOSCMOSCMOSCMOS特征尺寸（m）1010631.51.51.00.80.350.350.180.18集成度（晶體管）2300350060002900013400027500012000003100000550000075000002800000042000000工作頻率108KHz200kHz2MHz5MHz6MHz16MHz25/33MHz60/66MHz150MHz233MHz500MHz1400MHz基片面積（mm2）13.515.220.028.668.7104163264310209140224表1.4 Intel公司部分微處理器的部分工藝參數(shù)

3.隨著特征尺寸減小，挑戰(zhàn)首先是功耗。

原因：1.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展(1)導(dǎo)致集成電路連線的相對(duì)長(zhǎng)度增加，單位長(zhǎng)度阻抗也增大，更高的電路工作主頻需要更大的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電平的翻轉(zhuǎn)和信號(hào)變化的傳遞；(2)電路密度增加，導(dǎo)致芯片單位面積功率（功率密度）上升；(3)集成電路在減小特征尺寸的同時(shí)，也在減少電路各層的厚度，從而降低了工作電壓；(4)隨著特征尺寸的下降，晶體管各個(gè)電極之

間的絕緣層性能急劇下降，電極之間漏電流的問(wèn)題日益突出；(5)由于現(xiàn)代微處理器中的部件成千上萬(wàn)，而這些部件并不都是同時(shí)工作，這就需要在設(shè)計(jì)中合理分配電力使用，對(duì)于不工作的部件暫時(shí)減低工作性能或者暫停