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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CISC 2．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Cache 2．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 Computer Architecture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5000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必威体育精装版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 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 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