计算机体系结构学科发展简介

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1、计算机体系结构学科发展简介石教英浙江大学计算机学院计算机系统研究所2004年12月目录一、计算机体系结构学科发展回顾1．计算机性能高速发展及其原因2．计算机的分类3．计算机设计的任务4．技术发展趋向二、指令级并行性开发技术1．RISC与CISC2．流水线技术3．指令级并行性技术三、指令多发射技术1．指令多发射技术概述2．超标量处理器3．超长指令字处理器4．多发射处理器的技术难点四、Cache技术1．为什么要引入Cache2．为什么引入Cache能提高计算机性能？3．Cache技术的发展五、多处理器技术1． 并行

2、计算机体系结构分类2． 集中共享存储器型多处理计算机3． 分布式存储器型多处理器计算机4． 并行处理的难点六、我国计算机体系结构研究进展一、计算机体系结构学科发展回顾ComputerArchitecture定义应用机器语言的程序员为了能正确编写时序无关的程序所必须了解的计算机的结构。简单讲：计算机体系结构是一门设计计算机的学科，包括计算机的指令系统设计，结构设计，实现技术，以及与系统软件操作系统和编译器相关的技术。1、计算机性能高速发展及其原因1946年第一台通用电子计算机ENIAS诞生至今仅56年——每秒50

3、00次运算加法计算机技术以惊人速度发展，并将继续高速发展1980年百万美元机器的性能比不上今年<1千美元的机器今天最高性能的微处理器超过10年前的超级计算机如用于高端网络交换机和最新电子游戏机的微处理器速度可达每秒10亿次运算计算机性能高速发展原因1.构建计算机的各种技术进步2.计算机本身的创新设计技术的发展技术进步—以稳定速度发展，主要指IC技术创新设计—发展速度不稳定，有时快有时慢各年代的性能提高速率年代性能的年提高率原因1970年代初25%-30%1970年代末35%微处理器芯片广泛应用1980年代末58

4、%RISC体系结构、Cache等创新设计技术截止2001年微处理器性能增长率RISC、Cache技术发展阶段RISC体系结构发展又可分为两个阶段早期集中发展指令级并行技术后期集中发展多指令发射技术Cache技术发展同样经历两个阶段早期集中发展Cache的原理性应用后期集中发展新的Cache组织和各种Cache性能优化技术计算机创新设计对每年58%性能提高率的贡献——超过技术进步贡献达15倍之多说明：计算机体系结构学科的重要性！！计算机性能高速提高带来的影响用户拥有越来越高的性能和功能，今天最高性能的微处理器已经

5、超出10年前超级计算机的性能。基于微处理器的计算机成为计算机设计的主流现状：PC机、工作站成为主流产品小型机被采用微处理器的服务器所代替大型机被采用数十个至上百个微处理器构成的多处理器计算机所代替超级计算机正在被成千上万个微处理器构成的多处理器计算机所代替体系结构发展的核心－定量方法近年来计算机体系结构发展的核心，也是计算机创新设计技术的核心归功于——定量方法。用定量方法进行计算机设计用定量方法作为工具分析程序实际运行结果、各类实验和仿真用定量方法寻找计算机体系结构的新思路、新技术，保证计算机性能继续按现在速率

6、提高2、计算机的分类传统的计算机分类：大型机、小型机、巨型机（或称超级计算机）按机器规模指令（字长，内外存储器容量，速度等指标），价格等指标进行分类（PC）机、工作站，服务器1980年代产生了新的机型：个人（PC）机、工作站、服务器主要按用途来分类1990年代产生了嵌入式系统：高性能家电、机顶盒、电子游戏机、手机、网络路由器、交换机等这里微处理器成为设备的一个组件，如马达所起的作用，主要不是作计算用计算机的新分类台式机服务器嵌入式计算机它们分别面向不同应用，具有不同要求，采用不同技术台式机、服务器、嵌入式系统特

7、征对比3、计算机设计的任务计算机设计目标：应满足市场对功能的要求，同时也应满足成本，功耗和性能的目标计算机设计任务指令集设计——这是传统计算机体系结构的任务，即程序员面对的（看得见的）指令系统的设计计算机组织设计——存储器设计，CPU设计，I/O总线结构设计等高层内容，同一个指令集可以对应不同组织设计硬件设计——芯片的逻辑设计、封装、冷却。相同的指令集和组织可以对应不同的硬件实现形成一个产品系列，如PentiumⅡ和Celeron，使Celeron适用于低端产品计算机体系结构学科应包含上述三方面的内容Fig1。

8、4，p10计算机设计技术人员的任务明确具体的功能要求，因为来自市场的功能要求往往是不明确的明确最主要的任务是什么，最主要的功能往往是使用最频繁的部件，做好了最主要部件的设计对提高性能影响最大。优化设计——根据不同准则来选择最优的设计方案，例如前面介绍过对于个人机、服务器和嵌入式计算机的不同优化目标4、技术发展趋向由于计算机技术发展十分快速，一个成功的指令集设计不应该因为技术发展而遭淘汰