计算机体系结构的发展.ppt

1、1.3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,1. 存储程序计算机的主要特点,(1) 机器以运算器为中心； (2) 采用存储程序原理； (3) 存储器是按地址访问的、线性编址的空间； (4) 控制流由指令流产生； (5) 指令由操作码和地址码组成； (6) 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,计算机系统按功能划分成,2. 对体系结构进行的改进,(1) 分布的I/O处理能力 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。 为了解决这一问题，人们提出了各种 输入/输出

2、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,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,(2) 保护的存储器空间,是否把指令和数据放在同一存储器中？ 优点 :,不必预先区分指令和数据，易实现存储管理软件； 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； 对于存取指令和数据仅需一套读/写和寻址电路， 硬件简单； 数据可以分配于任何可用空间，从而可更有效地 利用存储空间等。,1.3 计算机体系结构的发展,缺点：,不利于进行程序调试诊断； 不利于实现程序的可再入性和程序的递归调用； 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

3、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,(3) 存储器组织结构的发展,相联存储器和相联处理机 通用寄存器 高速缓冲存储器和多级存储器组织结构,(4) 并行处理技术 如何挖掘传统机器中的并行性？ 改进CPU的组成,重叠方式 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, 在体系结构上对某些计算问题实现并行计算。 如向量计算 多机并行处理系统 把一个作业(程序)划分成能并行执行的多个任 务(程序段)，把每个任务分配给一个处理机执行。,多操作部件 流水方式,1.3 计算机体系结构的发展,复杂指令集计算机(CISC) 精简指令集计算机(RISC),(5

4、) 指令集结构的发展 指令集的功能, 指令的地址空间和寻址方式 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,1.3.2 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 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,1.3 计算机体系结构的发展,计算机系统按功能划分成,计算机系统按功能划分成,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,1.3 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

5、、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,5. 新型体系结构的设计 (1) 合理地增加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 用软件提供更多更好的支持； (2) 通过多种途径提高计算机体系结构中的并行 性等级，使得凡是能并行计算和处理的问题 都能并行计算和处理，使这种体系结构和组 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,1.3.3 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) 程序及数据所使用存储器容量的不断增大； (2) 编译器的重要性日益突出，逐渐成为

6、用户 与计算机的主要界面。,计算机现在和未来的使用方法 下层的实现技术,1.3 计算机体系结构的发展,3. 计算机技术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。,桌面计算市场是销售额最大的市场，是对 性能价格比要求最为苛刻和敏感的市场。 服务器市场对计算机的要求是可用性、大 容量和可扩展性。 嵌入式计算与解决的应用问题密切相关， 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,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,系统价格（美元） 每个处理器价格（美元） 2000年芯片销售

7、量（片） 关键指标,1000-10 000 100-1 000 150 000 000 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,1.3.4 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,

8、计算机系统按功能划分成,图1.7内存芯片密度和Intel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,4. 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,逻辑电路 半导体DRAM(动态随机访问存储器) 磁盘 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,1.3.5 技术的挑战和体系结构的生命周期,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 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,1.3 计算机体系结构的发展,型号 4004 8008 8080 8086/808

9、8 80286 80386DX 80486DX Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium III Pentium 4,发布日期 1971 1972 1974 1978 1982 1985 1989 1993 1995 1997 1999 2000,制造工艺 PMOS PMOS NMOS NMOS CMOS CMOS CMOS BiCMOS BiCMOS CMOS CMOS CMOS,特征尺寸（m） 10 10 6 3 1.5 1.5 1.0 0.8 0.35 0.35 0.18 0.18,集成度 （晶体管） 2 300 3 500 6 000 29 000

10、134 000 275 000 1 200 000 3 100 000 5 500 000 7 500 000 28 000 000 42 000 000,工作频率 108KHz 200kHz 2MHz 5MHz 6MHz 16MHz 25/33MHz 60/66MHz 150MHz 233MHz 500MHz 1400MHz,基片面积（mm2） 13.5 15.2 20.0 28.6 68.7 104 163 264 310 209 140 224,表1.4Intel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,3. 随着特征尺寸减小，挑战首先是功耗。 原因：,1.3 计算机体系结

11、构的发展,(1) 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 要更大的电流来驱动电平的翻转和信号变 化的传递； (2) 电路密度增加，导致芯片单位面积功率 （功率密度）上升； (3) 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,少电路各层的厚度，从而降低了工作电压； (4) 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 流的问题日益突出； (5) 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时工作，这就需 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，以减少系统的功耗。,1.3 计算机体系结构的发展