计算机体系结构的分类模型_沈绪榜

第28卷 第11期2005年11月

计 算 机 学 报

CH INESE JOURNA L OF COM PU TERS

V ol.28N o.11

No v.2005

收稿日期:2004-09-01;修改稿收到日期:2005-05-08.沈绪榜,男,1933年生,中国科学院院士,博士生导师,长期从事嵌入式计算机及其国产芯片实现的研究工作.张发存,男,博士,副教授,研究方向为嵌入式计算机系统结构.冯国臣,男,1975年生,博士研究生,研究方向为嵌入式计算机系统结构.车德亮,男,1975年生,博士研究生,研究方向为嵌入式计算机系统结构.王 光,男,1973年生,博士研究生,嵌入式计算机系统结构.

计算机体系结构的分类模型

沈绪榜1) 张发存

1),2)

冯国臣1) 车得亮1) 王 光

1)

1)(西安微电子技术研究所 西安 710054)

2)

(西安理工大学计算机学院 西安 710048)

摘 要 根据计算机体系结构的发展,以指令流(instruction st ream)计算、数据流(data stream )计算与构令流(config ur atio n str eam)计算的概念为基础,提出了一种新的计算机体系结构的分类模型.关键词 指令流;数据流;构令流;软件;构件;流件;体系结构中图法分类号T P 302

The Classification Model of Computer Architectures

SHEN Xu -Bang 1) ZH AN G Fa -Cun 1),2) FENG Guo -Chen 1) CH E De -Liang 1) WANG Guang 1)

1)

(X i c an M icroelectronic T echnique Institute ,X i c an 710054)2)(S chool

of Compu ter ,X i c an Univ ersity of T ech nology ,X i c an 710048)

Abstract A ccording to the dev elo pment o f computer architectures,on the basis o f the concept of Instruction Str eam co mputation,Data Stream computation and Co nfiguration Str eam co mputa -tion,this paper proposes a new classification m odel of co mputer architectures.

Keywords instruction stream;data stream;co nfiguratio n stream;so ftw are;configw are;flow -w are;ar chitecture

1 引 言

从制造技术上讲,芯片的集成度是按摩尔定律成指数增长的,摩尔定律不是一个物理定律,而是一个经营管理的规律,目前已成为IC 业制定规划的标准,只有达到这个标准,才能实现计算能力不变时,微处理器的价格和体积每18个月能减小1倍的目标.从设计技术上讲,芯片集成度的不断提高,促进了可重用的芯片实现形式的不断发展变化.如何改变和重新定义计算硬件的性质,这不但会影响软件和硬件的计算平台,而且也会影响计算机的应用领域.在多媒体、无线通信、数据通信与许多其它的嵌入式应用领域中,为了满足标准的不断更新和多标

准操作所带来的高吞吐量和超低功耗要求,可重构

计算技术成了当前的研究热点.

重构计算已经为硬件设计开辟了一个新天地,可能导致计算/逻辑0的一次革命.硬件重构不仅能加快程序执行,而且也能调整计算平台.为了尽可能地降低可重构性的开销,设计者必须从硬件与软件两个方面考虑计算任务的优化划分,寻找可重构性与性能之间的平衡.人们估计到2010年,90%以上的程序设计者都将是从事嵌入式系统的程序设计的,那时,可重构计算也将是程序设计者必须具备的基础知识之一.

可重构计算技术的发展,使计算机不仅有传统的基于指令流计算的体系结构和基于数据流计算的体系结构,而且有基于构令流的体系结构.所以,为

了更清楚地能对现代计算机的体系结构进行分类描述,需要有一种新的计算机体系结构分类模型.

本文以指令流(instruction stream)计算、数据流(data stream)计算与构令流(configuration stream )计算的概念为基础,研究了一种新的计算机体系结构的分类模型.

2 体系结构的发展

导致现在的多种可重用的IC(Integrated Circuit)实现形式以及数字计算机体系结构发展的微电子学技术,是从1947年晶体管的发明开始的,1947~1957年是其研究与发展的10年;1957~1967年开始了晶体管生产的商业化.当1955年晶体管用于计算机事业之后,便开始了微电子技术沿着5个重要方面演变的革命:晶体管缩小(shrinking tran -sistor )、器件发明(device invention)、封装改进

(package improvement)、体系结构创新(ar chitecture inno vation)以及CAD 设计(design by computer).按照Makimoto .s 的统计资料,IC 的实现形式是波浪式发展的,从标准化(standardization)形式到定制化(custo mization)形式再到标准化形式,以10年为周期周而复始地发展变化的,如图1中所示[1].每一周期都有与IC 集成度相适应的新的发展内容:芯片是1958年由Kilby 发明的,1967~1977年开始了定制芯片的商业化;微处理器是1974年由H off 发明的,1977~1987年开始了微处理器芯片商业化;1987~1997年是定制逻辑芯片的10年,也许低功耗高集成度的Flash 存储器件与可重构的逻辑器件预示着一个以用户编程(重构)能力为发展内容的IC 标准化实现形式新周期的开始,使IC 的标准化实现形式从可编程的芯片(处理器)形式,发展到可重构的芯片形式

.

图1 M akintoto 波形

2.1 基于指令流计算的体系结构

基于指令流计算的体系结构是目前主要的冯#诺依曼计算机体系结构.因为运算指令是由操作码与数据地址码两部分组成的,于是指令流包括了操作流与数据流,是按控制流原理(contro l flow para -digm)工作的,是应用最灵活的体系结构.

如图1中所示,20世纪60年代后期,基于指令流计算的体系结构,是通过以74/54和4000系列为代表的GPL (General -Pur pose -Logic)可重用的定制芯片实现的.20世纪70年代第一块存储器芯片与第一块处理器芯片问世之后,可重用性是以微处理器、存储器和GPL 器件相结合的(称为嵌入式系统)硬件形式实现的,用户只需通过编写不同的应用软件就能实现不同的应用.20世纪70年代后期,随着芯片集成度的进一步提高,便出现了流行的(称为MCU(Micro -Co ntro ller Unit))的可重用的器件.

历史上,基于指令流的具体结构除了控制流体系

结构外,还出现过非控制流体系结构.控制流体系结构是以过程语言(例如BASIC,FORTRAN,PASCAL 和C)的基本概念为基础的,基本的动作是赋值,语句执行是顺序控制的.非控制流体系结构则出现过4种:(1)以单赋值语言(例如,ID,LU CID,VAL 和VALID)的基本概念为基础的,数据从一个语句/流0向另一个语句,语句的执行是数据驱动的,而且,标识符遵守单赋值规则,对应的是数据流体系结构;(2)以应用语言(例如:Puro,LISP,SASL 和FP)的基本概念为基础的归约的体系结构;(3)以面向对象的语言(例如,SM ALLTALK)的基本概念为基础的递归的体系结构;(4)以谓词逻辑语言(例如,PROLOG)的基本概念为基础的推理的体系结构.非控制流体系结构虽然有过很多研究,但由于开销太大,没有得到实际应用,如今已没有继续研究.非

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