计算机体系结构的发展与变化

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1、/1福建电脑!""#年第$期计算机体系结构的发展与变化孟开元!西安石油大学计算机学院!陕西西安"#$$%&’!摘要!随着个人电脑的中央处理器的不断发展!除了性能上的飞跃"架构的改变!()*的核心体系也发生了根本的改变#复杂指令集计算机(+,(体系!精简指令集计算机-+,(体系和精确并行指令计算机.)+(体系的发展与变迁!对整个中央处理器技术的发展都具有深远的影响$"关键词!计算机体系结构%(+,(体系%-+,(体系%.)+(体系%流水线!引言采用加载!存储指令结构"即只保留加载指令和存储指令#面向!""%年"&’(公司正式推出革命性的)*位的+,-./01

2、处理运算部件的操作数都经过加载指令和存储指令"从存储器取出器"国际23业界对+,-./01表现出极大的关注和热情"纷纷表达后预先放在寄存器堆内"以加快执行速度#对&’(的祝愿和支持#由于&’(+,-./01处理器可以提供两’芯片逻辑不采用或少采用微码技术"而采用硬布线逻辑"条数据通道"任何应用都应当运行得更快#现有的%!位处理器以减少指令解释的开销#都具有*45的内存限制"而&’(+,-./01处理器的*"位物理’减少指令数和寻址方式"使控制部件简化"加快执行速度#和*6位虚拟寻址消除了这种限制"允许最高735的物理内存空’指令格式固定"指令译码简化#间和

3、!#)35的虚拟内存寻址空间#’编译开销很大"应尽可能优化#回顾计算机的发展历程"89:$8.1-/;<9/0=.>>0/:1?-"中央’&!&"来自于$222的迈克尔’斯莱特3/-45).0%0)6.*7处理器%是计算机的核心"个人电脑的中央处理器从21-.<公司’I2C8处理机应具有使流水线处理器能有效地执行和使优的*""*发展到现在的9.1-?@A!系列"除了性能上的飞跃&架化编译器能生成优化代码而设计的指令集#构的改变"89:的核心体系也发生了根本的改变#这些改变实际’为使流水线有效地执行"I2C8结构应具有如下特征(简单并不只是影响个人电脑的处理

4、器"也对整个处理器技术的发展且统一格式的指令译码)大部分指令可以单周期执行)只有加载都具有深远的影响#指令和存储指令访问存储器)简单的寻址方式)延迟转移)加载"复杂指令集计算机#$%#体系结构延迟#复杂指令集计算机$80A,<.B21>-/@=-?01C.-80A,@-./>"简称’I2C8结构为使优化编译器便于生成优化代码"应具有如82C8%是一种为了便于编程和提高内存访问效率的芯片设计体下特征(三地址指令格式)较多的寄存器)对称的指令格式#系#早期的计算机使用汇编语言编程"由于内存速度慢且价格昂%J!精简指令集计算机I2C8体系结构贵"使得82C8体系

5、得到了广泛应用#在!"世纪D"年代中期之I2C8体系结构的关键技术在于流水线操作$9?,.

6、少编程所需要的代码行数"减轻程序员的负担#图7单周期%段流水线操作示意图与高级语言对应的指令集#包括双操作数格式&寄存器到寄而超流水线FC@,./,?,.=;<.%技术已存器&寄存器到内存以及内存到寄存器的指令#普遍在芯片设计中使用#I2C8体系多用于非B6)阵营高性能微"&"#$%#体系的优缺点处理器89:"厂商包括&99MN&C42O’29C&25’&C:P&80A,;QO优点$能够有效缩短新指令的微代码设计时间"允许设计人(?K?-;<$(N8%&’0-0/0<;等#这些厂商设计的处理器在某种程度员实现82C8体系机

7、器的向下兼容#新的系统可以使用一个包含上"代表了I2C889:的发展趋势和未来#早期系统的指令超集$C@,./>.-%"也就可以使用较早电脑上使用/-+,(体系的指令特征的软件#另外微程序指令的格式与高级语言相匹配"因而编译器精简指令集"高的指令吞吐率#包含了简单&基本的指令"透并不一定要重新编写#过这些简单&基本的指令"就可以组合成复杂指令#指令规整&对缺点$指令集以及芯片的设计比上一代产品更复杂"不同的称&简单#指令小于7""条"基本寻址方式有!R%种#指令"需要不同的时钟周期来完成"而执行较慢的指令"将影响同样长度的指令#每条指令的长度都是相同的"可

8、以在一个整台机器的执行效率#单独操作里完成#’精简指令集计算机($