体系结构第1章 第2讲.pptVIP

计算机体系结构 * 计算机体系结构 * 1.1.4系列机和兼容 系列机（family machine）是具有相同体系结构，但组成和实现不同的一系列不同型号的计算机系统 IBM公司在推出IBM S360时首次提出的系列机的概念，被认为是计算机发展史上一个重要里程碑 各计算机厂家仍按系列机研发产品 现代计算机不但系统系列化，其构成部件和软件也系列化 如微处理器（CPU）、硬盘、操作系统、高级语言等 系列机(Family machine) 一种指令集结构可以有多种组成。同样，一种组成可以有多种物理实现。系列机就是指在一个厂家生产的具有相同的指令集结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。 计算机 时间 处理器 字宽 主要I/O总线 存储空间 PC和PC XT 1981 8088 16位 PC总线 20位 PC AT 1982 80286 16位 AT（ISA） 24位 80386 PC 1985 80386 32位 ISA/EISA 32位 80486 PC 1989 80486 32位 ISA+VL 32位 Pentium PC 1993 Pentium 32位 ISA+PCI 32位 Pentium II PC 1997 Pentium II 32位 ISA+PCI+AGP 32位 Pentium III PC 1999 Pentium III 32位 PCI+AGP +USB 32位 Pentium 4 PC 2000 Pentium 4 32位 PCI-X+AGP +USB 32位 软件兼容 长期以来，程序员希望有一个稳定的软件环境，使他们编制出来的程序能够在更加广泛计算机类型中得到长期的应用 软件兼容（software compatibility） 系列机具有相同的体系结构，软件可以在系列计算机的各档机器上运行 同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于有不同的运行时间 兼容分为二进制级兼容、汇编级兼容、高级语言兼容、数据级兼容等等 兼容机 虽然程序员希望有一个稳定的软件环境，但是机器设计人员则希望根据硬件技术和器件技术的进展不断地推出新的机器 兼容机（compatible machine） 不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机 计算机厂家为了能利用大的计算机厂家的开发成果，采用新的计算机组织和实现技术，研制一些软件兼容的产品，具有更加低廉的价格 在市场上有较强的竞争能力 兼容性 向上(下)兼容指的是按某档机器编制的程序，不加修改的就能运行于比它高(低)档的机器 向前(后)兼容指的是按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之前(后)投入市场的机器 兼容对体系结构的影响 计算机系统及软件设计者的“障碍”： 系统软件的开发难度大 需要保护巨大的应用软件宝库 向后兼容是才是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征 为了保证软件的兼容，要求指令集不改变，这无疑又妨碍计算机体系结构的发展 向后兼容虽然削弱了系列机对体系结构发展的约束，但仍然是体系结发展的沉重包袱 20世纪80年代具有RISC体系结构的微处理器在新结构、新技术应用等方面领先传统的CISC微处理器的主要原因之一 Intel公司的x86系列 Intel公司的x86系列微处理器在向后兼容方面是非常具有代表性的 1979年的8086到2009年的Nehalem 由16位系统发展到32位系统 增加了保护方式指令集、MMX指令集和面向64位的扩展等 但它保持了极好的二进制代码级的向后兼容性 1.2 计算机体系结构的发展 Von Neumann体系结构 计算机分代和分型 软件的发展 应用的发展 集成电路的发展 体系结构的发展 2.计算机的分代 分代 器件 体系结构技术 软件技术 典型机器 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 Univac LARC 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 IBM360/370CDC6600/7600、DEC PDP-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、IBM 3090、DEC VAX9000、Convax-1 第五代 (1991-) 高性能微处理器、大规模高密度电路 指令级并行、SMP、MP、MPP、网络 可扩展并行与