计算机体系结构的发展

1／271.3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运算器(ALU)控制器存储器输入设备输出设备数据流控制流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2／271.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3／272.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4／27程序控制输入输出方式DMAI/O处理机程序等待程序中断成组传递周期挪用通道外围处理机1.3计算机体系结构的发展计算机系统按功能划分成5／27(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6／27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7／27(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8／27◆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9／27复杂指令集计算机(CISC)精简指令集计算机(RISC)(5)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10／271.3.2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第一代(1945-1954)电子管和继电器存储程序计算机、程序控制I/O机器语言和汇编语言普林斯顿ISA、ENIAC、IBM701第二代(1955-1964)晶体管、磁芯、印刷电路浮点数据表示、寻址技术、中断、I/O处理机高级语言和编译、批处理监控系统UnivacLARC、CDC1604、IBM7030第三代(1965-1974)SSI和MSI、多层印刷电路、微程序流水线、Cache、先行处理、系列计算机多道程序和分时操作系统IBM360/370、CDC6600/7600、DECPDP-8第四代(1974-1990)LSI和VLSI、半导体存储器向量处理、分布式存储器并行与分布处理Cray-1、IBM3090、DECVAX9000、Convax-1第五代(1991-)高性能微处理器、高密度电路超标量、超流水、SMP、MP、MPP大规模、可扩展并行与分布处理SGICrayT3E、IBMSP2、DECAlphaServer8400计算机系统按功能划分成12／27时间价格(对数坐标)巨型机t大型机中型机小型机微型机虚线为等性能线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13／271.3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、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14／275.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15／271.3.3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16／273.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17／27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年芯片销售量（片）关键指标1000-10000100-1000150000000性能价格比10000-10000000200-20004000000可用性、可扩展性嵌入式计算（只考虑32位和64位）10-1000000.2-200300000000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18／271.3.4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计算机系统按功能划分成19／271101001000100001000001000000100000001000000001000000000100000000001965197019751980198519901995200020052010存储器（位）Intel处理器（晶体管数）1K4K16K64K256K1M4M16M64M128M256M512M4004800880868028680386DX80486DXPentiumPentiumIIPentiumIIIPentium480801G2G4G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20／274.四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21／271.3.5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22／27型号4004800880808086/80888028680386DX80486DXPentiumPentiumProPentiumIIPentiumIIIPentium4发布日期197119721974197819821985198919931995199719992000制造工艺PMOSPMOSNMOSNMOSCMOSCMOSCMOSBiCMOSBiCMOSCMOSCMOSCMOS特征尺寸（m）1010631.51.51.00.80.350.350.180.18集成度（晶体管）2300350060002900013400027500012000003100000550000075000002800000042000000工作频率108KHz200kHz2MHz5MHz6MHz16MHz25/33MHz60/66MHz150MHz233MHz500MHz1400MHz基片面积（mm2）13.515.220.028.668.7104163264310209140224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23／273.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24／27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计算机系统按功能划分成25／270.0010.010.11101001000196019701980199020002010时间功耗（W）工作电流漏电流图1.8微处理器中的工作电流和漏电流1.3计算机体系结构的发展26／274.在设计上将面临的问题：微处理器芯片正确性验证复杂性成倍上升.5.从经济角度看问题和从技术角度看问题往往是不同的6.一个计算机体系结构，从产生到消亡，大致需要15～20年的时间。1.3计算机体系结构的发展27／27硬件系统软件应用软件5~7年5~7年一般发展80386：1985Win32：1992Windows98普及：199832位x86(IA-32)Iantium：2003IA-64系统软件：？IA-64应用：？IA-64消亡5~7年64位x86出现：2003图1.9体系结构的生命周期