精品]计算机体系结构学科发展简介

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
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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
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
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2、计算机的分类
传统的计算机分类：
➢ 大型机、小型机、巨型机（成熟超级计算机）
➢ 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
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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
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各年代的性能提高速率
年代
性能的年 提高率
1970年代初 25%-30%
原因
1970年代末 35% 1980年代末 58%
它们分别面向不同应用，具有不同要求，采用 不同技术
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台式机、服务器、嵌入式系统特征对比
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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
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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
六、我国计算机体系结构研究进展
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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。
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
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计算机的新分类
➢ 台式机 ➢ 服务器 ➢ 嵌入式计算机
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Fig1。4， p10
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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 部件的设计对提高性能影响最大。
优化设计——根据不同准则来选择最优的 设计方案，例如前面介绍过对于个人机、 服务器和嵌入式计算机的不同优化目标
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
集成电路技术 半导体DRAM 磁盘技术 网络技术
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集成电路技术
晶体管密度每年增加35%，即每4年增加 4倍
集成电路芯片的尺寸每年提高10%-20%
综合上述两个参数，芯片的晶体管数每 年提高55%
hБайду номын сангаас
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半导体DRAM（动态随机存取存储器）
芯片密度每年递增40%-60%，即每3-4年 增加4倍
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
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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。
存取周期缩短相对较慢，每10年缩短1/3
DRAM接口改进提高了存取带宽
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磁盘技术
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4、技术发展趋向
由于计算机技术发展十分快速，一个成 功的指令集设计不应该因为技术发展而 遭淘汰
计算机体系结构设计师应预见到技术发 展的趋向，在设计下一代产品时，预见 到产品大规模进入市场时恰好是所用的 下一代技术的性价比达到最佳的时候， 从而使其设计的产品生命周期得以延长
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影响最大的四种关键技术
性能优化技术
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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！！
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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：
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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最新电子游戏机的微处理 器速度可达每秒10亿次运算
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
2002年11月
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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
微处理器芯片广泛应 用
RISC体系结构、Cache 等创新设计技术
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截止2001年微处理器性能增长率
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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