计算机体系结构论文.

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1、高级计算机体系结构题目:计算机体系结构的发展史2015年12月计算机体系结构的发展史摘要本文回顾了计算机体系的发展历程，并分析了计算机体系的发展和技术研究的关键:Cell和多核等新型处理结构和可重构计算技术。提出了新的计算机体系结构，为计算机研究和应用提供参考。关键词：计算机体系微处理器多处理器可重构多核目录引言1计算机体系的发展历程1Cell和多核等新型处理器结构带来新的方向3可重构技术与多核技术的融合6引言现代计算机的发展历程可以分为2个时代：串行计算时代和并行计算时代。并行计算是在串行计算的基础上，由一组处理单元组成，处理单元彼此通过相互之间

2、的通信与协作，共同高速完成一项大规模的计算任务。而每一个计算时代都是从体系结构的发展开始，然后才是基于该结构的系统软件(特别是编译器与操作系统)、应用软件的发展，最后随着问题求解和发展而达到顶峰。计算机系统结构也可以称为计算机体系结构。1964年Amdahl等人提出了计算机系统结构这个概念。他们把系统结构定义为程序员所看到的计算机系统的属性，即计算机系统的概念性结构与功能属性。这些属性是机器语言程序设计者（或者编译程序生成系统）为使其所设计（或生成）的程序能在机器上正常运行，所需遵循的计算机属性。这些属性是计算机系统中由硬件或固件完成的功能，程序员

3、在了解这些属性后才能编出在传统机器级上正确运行的程序。因此，计算机系统结构概念的实质是确定计算机系统中软硬件的界面。界面之上是软件的功能，界面之下是硬件和固件的功能。微电子技术和封装技术的进步，使得高性能的VLSI 微处理器得以大批量生产，性能价格比不断合理，这为并行多处理机的发展奠定了重要的物质基础。计算机系统性能增长的根本因素有两个：一是微电子技术，另一个是计算机体系结构技术。五十年代以来，人们先后采用了先行控制技术、流水线技术、增加功能部件甚至多机技术、存储寻址和管理能力的扩充、功能分布的强化、各种互联网络的拓扑结构以及支持多道、多任务的软件

4、技术等一系列并行处理技术，提高计算机处理速度，增强系统性能。多处理机体系结构是计算机体系结构发展中的一个重要内容，已成为并行计算机发展中人们最关注的结构。计算机体系的发展历程6随着计算技术的发展，计算机体系也在不断发展变化。20世纪60年代初期，随着晶体管和磁芯存储器的出现，处理单元和存储器实现小型化，并行计算机开始出现。到了20世纪60年代末期，单一处理器中可以集成多个功能单元，产生了流水线技术。该技术与单纯提高CPU时钟频率相比，大大提高了并行计算机系统的性能。当时，伊利诺依大学和Burroughs公司开始着手实施IlliacⅣ计划，研制1台6

5、4颗CPU的SIMD主机系统，涉及到相关硬件技术、体系结构、I/O设备、操作系统、程序设计语言，以及包括应用程序在内的众多研究课题。1975年，随着一台规模大大缩小的原型系统(仅使用了16颗CPU)的面世，新的计算技术也得到了发展。首先是存储系统的概念，提出了虚拟存储和缓存的思想，大大提高了计算机的整体性能。其次是半导体存储器开始代替磁芯存储器，大大缩小了存储器的体积并提高了访存速度。集成电路技术也被广泛而迅速地应用到计算机技术中。1976年Cray-1问世，向量计算技术被应用到高性能计算机中。Cray-1对所使用的逻辑电路是经过精心设计的，采用R

6、ISC精简指令集，引入向量寄存器，完成向量运算。20世纪80年代开始，微处理器技术高速发展，随着机器的字长从4位、8位、16位一直增加到32位、64位，其性能也随之显著提高。 卡内基·梅隆大学提出共享存储多处理器体系结构，并在当时流行的DECPDP-11小型计算机的基础上研制出1台由16台PDP-11/40处理机通过交叉开关与16个共享存储器模块相连接而成的共享存储多处理器系统C.mmp。伯克利加州大学对基于SMP方式的总线协议进行扩展，提出了Cache一致性问题的处理方案。从此，C.mmp开创出的共享存储多处理器体系结构便成为服务器和桌面工作站的

7、主流。20世纪80年代中期，基于消息传递机制的并行计算机开始出现，加州理工学院将64个i8086/i8087处理器通过超立方体互连结构连接起来。此后，便先后出现了InteliPSC系列、INMOSTransputer系列、IntelParagon，以及IBMSP的前身Vulcan等基于消息传递机制的并行计算机。RISC 精简指令集计算机，用20%指令的组合实现了CISC 计算机指令系统不常用的80%指令的功能。在提高性能方面，RISC 采用了超级流水线、超级标量、超长指令字并行处理结构；多级指令Cache；编译优化等技术，充分利用RISC 的内部资

8、源，发挥其内部操作的并行性，从而提高流水线的执行效率。620 世纪80 年代后期，RISC 处理机的性能指标几乎以每年翻一