精品]计算机体系结构学科发展简介
计算机体系结构的发展
计算机体系结构的发展计算机体系结构是指计算机硬件与软件之间的接口和相互关系。
它涉及到计算机的组织、设计和实现等方面，是计算机科学和工程领域的重要基础知识之一。
随着计算机技术的不断发展，计算机体系结构也在不断演进和改进。
本文将从计算机体系结构的发展历程、影响因素以及未来趋势等方面进行探讨。
计算机体系结构的发展可以追溯到早期的冯·诺依曼体系结构。
冯·诺依曼体系结构是一种将计算机硬件和软件分离的设计思想，它将计算机的指令和数据存储在同一存储器中，并通过控制器和运算器来执行程序。
这种体系结构的优点是简单、易于实现，成为了现代计算机的基础。
随着计算机技术的发展，计算机体系结构也在不断演进。
在20世纪50年代和60年代，随着集成电路技术的进步，计算机体系结构逐渐向着更加复杂、功能更强大的方向发展。
此时的计算机采用了更高级的指令集和更复杂的微程序控制方式，提高了计算机的性能和可编程能力。
在20世纪80年代和90年代，随着个人计算机的普及和互联网的兴起，计算机体系结构也发生了重大变革。
此时的计算机采用了更加高效的处理器架构和更大容量的存储器，从而实现了更快的计算速度和更大的存储空间。
同时，计算机体系结构也开始关注能耗和功耗的问题，提出了一系列节能的设计思想和技术。
近年来，随着人工智能、物联网和大数据等新兴技术的兴起，计算机体系结构也面临着新的挑战和机遇。
为了满足对计算能力和存储能力的需求，计算机体系结构发展出了一系列新的架构，如多核处理器、图形处理器和云计算等。
这些新的架构不仅提高了计算机的性能和可扩展性，也为新兴应用领域提供了更好的支持。
计算机体系结构的发展受到多方面的影响，包括技术、应用和经济等因素。
技术因素是推动计算机体系结构发展的重要驱动力之一。
随着半导体技术、集成电路技术和通信技术的不断进步，计算机体系结构得以不断创新和优化。
应用因素是另一个重要影响因素，计算机体系结构需要根据具体应用场景的需求进行调整和优化。
计算机体系结构的发展与演变
计算机体系结构的发展与演变计算机体系结构是指计算机硬件与软件之间的接口，是计算机的基本构架和组织方式。
随着科技的不断进步和需求的不断增长，计算机体系结构也在不断发展与演变。
本文将从历史角度出发，简要介绍计算机体系结构的发展与演变。
一、早期计算机体系结构在上世纪四十年代，计算机的出现还处于早期阶段。
当时计算机体系结构主要以冯·诺依曼体系结构为主，即计算机内部的存储器用于存放指令和数据，通过控制器和运算器进行运算处理。
这种体系结构虽然简单，但具备了基本的计算功能，为计算机的后续发展奠定了基础。
二、精简指令集（RISC）体系结构随着计算机应用领域的不断扩大，人们对计算机性能的要求越来越高。
于是，在上世纪七十年代末期，精简指令集（RISC）体系结构应运而生。
RISC体系结构强调精简指令集，通过增加硬件功能来提高计算机的性能。
相较于冯·诺依曼体系结构，RISC体系结构具有更高的执行速度和更高的吞吐量，因此逐渐成为主流。
三、复杂指令集（CISC）体系结构然而，RISC体系结构的成功并不代表着冯·诺依曼体系结构的消失。
事实上，在上世纪八十年代，复杂指令集（CISC）体系结构再度崛起。
CISC体系结构注重指令集的复杂性，将更多的功能集成到指令中，从而减少指令数量，简化程序设计，提高了编程效率。
CISC体系结构适用于一些复杂的应用场景，如图形处理、语音识别等。
四、多核体系结构随着科技的不断发展，单核处理器已经无法满足日益增长的计算需求。
为此，多核体系结构应运而生。
多核体系结构指的是在一颗芯片上集成多个处理核心，以增加系统的运算速度和处理能力。
多核体系结构具有更好的并行处理能力，可以同时执行多个任务，提高了计算机的整体性能。
五、异构体系结构近年来，随着人工智能、深度学习等技术的兴起，对计算机性能的要求更加迫切。
异构体系结构应运而生，该体系结构通过集成不同类型的处理器核心，如中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、神经网络处理器（NPU）等，以满足不同应用场景的需求。
计算机体系结构的发展与趋势
计算机体系结构的发展与趋势计算机体系结构是计算机系统的基础架构，它定义了计算机硬件和软件的设计方案。
它决定了计算机系统的性能、可靠性、可扩展性和成本。
随着信息技术的发展，计算机体系结构也在不断地变化和更新。
本文将探讨计算机体系结构的发展历程和未来的趋势。
1. 单处理器时代早期的计算机系统采用单处理器结构，即计算机中只有一个中央处理器（CPU）来处理所有的任务。
CPU是整个计算机系统的核心，它执行指令、控制数据流和管理系统资源。
单处理器结构的计算机系统主要用于科学计算和数据处理，它们的性能和可靠性较低，应用场景有限。
2. 多处理器时代随着计算机技术的进步，多处理器系统逐渐出现。
多处理器系统是指一台计算机中拥有多个处理器，它们可以同时处理多个任务，提高计算机系统的性能和可靠性。
多处理器系统有两种架构模式：对称多处理（SMP）和非对称多处理（ASMP）。
SMP系统中所有的处理器都共享系统资源，它们之间没有主从关系。
ASMP系统中有一个主处理器和多个从处理器，主处理器控制整个系统、调度任务和管理系统资源，从处理器负责执行任务。
多处理器系统可以分为两种类型：紧耦合（CC-NUMA）和松耦合（SC-NUMA）。
CC-NUMA系统中处理器、内存和I/O设备直接连接在同一总线上，系统吞吐量较高。
SC-NUMA系统中各个处理器、内存和I/O设备通过网络相互连接，系统扩展性较好。
3. 分布式计算时代分布式计算是指在多个计算机之间分配任务、共享资源和协同工作，实现计算机系统的集群化和分布式。
分布式计算将多个计算机集成到一个大型计算机系统中，具有强大的计算能力和扩展性。
分布式计算系统可以由多台计算机组成，这些计算机之间可以通过网络进行通信和数据共享。
分布式计算是互联网技术的基础，它在大数据处理、科学计算、人工智能等领域得到广泛应用。
分布式计算系统的体系结构复杂，需要高度的管理和维护，其中包括负载均衡、故障恢复、数据管理等方面的问题。
计算机体系结构的演化与发展
计算机体系结构的演化与发展计算机体系结构是指计算机系统中各个组成部分之间相互连接和组织的方式。
随着科技的不断进步和计算机应用领域的不断拓展，计算机体系结构也在不断演化和发展。
本文将从早期计算机到现代计算机体系结构的演化过程进行探讨。
一、早期计算机体系结构的演化早期计算机体系结构的发展主要是在二十世纪40年代-60年代。
这个时期出现的计算机体系结构主要是基于电子管技术的机器。
电子管技术的特点决定了早期计算机的规模较大、功耗较高以及可靠性较低。
在这个时期，计算机体系结构主要采用的是冯·诺依曼体系结构，即由中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）、存储器、输入输出设备和控制单元组成的结构。
这种结构的计算机由于还不能进行多任务处理和并行计算，因此计算速度相对较慢。
二、现代计算机体系结构的演化随着半导体技术的发展和集成电路的出现，使得计算机体系结构得到了革命性的变革。
现代计算机体系结构的演化主要是在20世纪70年代-至今。
这个时期出现了微处理器和大规模集成电路，使得计算机变得更加小型化、高效化和可靠化。
1. 单处理器体系结构20世纪70-80年代，计算机体系结构仍然以单处理器为主。
单处理器体系结构是指计算机系统中只有一个处理器负责执行指令的体系结构。
这个时期出现了基于精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，简称RISC）的计算机体系结构。
RISC体系结构相对于复杂指令集（Complex Instruction Set Computing，简称CISC）有着更简化的指令集和运算方式，能够提高计算机的执行效率。
2. 对称多处理器体系结构进入90年代，随着处理器技术的进一步发展，计算机体系结构开始出现了对称多处理器（Symmetric Multi-Processor，简称SMP）体系结构。
对称多处理器体系结构是指计算机系统中有多个处理器同时工作，共同处理任务的体系结构。
计算机体系结构学科发展简介
Fig1。4， p10
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
2．流水线技术
简介：流水线是一种多条指令重叠执行的实现 技术
这是理想流水线的性能：达到每一个时钟周期 可以完成一条指令
与指令串行执行相比较，速度提高5倍
流水线的竞争
实际流水线不可能像上述理想流水线那 样完美
存在三种流水线竞争
结构竞争：由硬件资源不足造成流水线停顿 数据竞争：由前后指令之间存在数据相关性
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
（CPU）时间 IC——代码的指令条数（Instruction Comt），
与指令集设计编译器的优化有关 CPI——平均执行每条指令的时钟周期数，与
指令集设计、体系结构等技术有关 CC——时钟周期（Clock Cyde）与计算机组成，
IC工艺等技术有关
缩短CPI成为缩短CPUtime 的主要技术途径
指令多发射处理器有两类：
超标量处理器（Superscalar precessors） 超长指令字处理器（VLIW-very
计算机体系结构学科发展简介.pptx
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%
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
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（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
1、计算机性能高速发展及其原因
1Hale Waihona Puke 46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
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
计算机体系结构的发展历程
计算机体系结构的发展历程计算机体系结构是指计算机中各个组成部分的组织方式和相互连接关系，它决定了计算机的功能和性能。
随着计算机技术的不断发展，计算机体系结构也经历了多次演进和革新。
本文将为您介绍计算机体系结构的发展历程，从最早的冯·诺依曼体系结构到现代的并行计算体系结构。
一、冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是现代计算机体系结构的鼻祖，由冯·诺依曼于1945年提出。
其主要特点是将数据和指令以同等地位存储在存储器中，通过控制器和运算器的协作来实现计算机的运算功能。
冯·诺依曼体系结构由五个基本部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
二、批处理计算机随着计算机技术的发展，人们对计算机的应用需求也越来越高。
在20世纪50年代和60年代，批处理计算机开始出现，采用了批处理方式进行运算。
批处理计算机顺序地执行一系列任务，无需人工干预。
该体系结构采用分时操作系统，将计算机资源合理分配给多个用户，提高了计算机的利用率。
三、指令流水线指令流水线是20世纪60年代末和70年代初提出的一种计算机体系结构，旨在提高计算机运算速度。
它将指令的执行分为多个步骤，并行地执行不同的指令步骤，从而实现多条指令的同时执行。
指令流水线大大提高了计算机的运算效率，广泛应用于各个领域。
四、超标量和超长指令字超标量和超长指令字是为了进一步提高计算机的性能而提出的两种计算机体系结构。
超标量体系结构通过增加硬件资源提高指令并行度，实现多条指令的同时执行。
超长指令字体系结构通过将多条指令打包成一条长指令，在一次指令的执行过程中完成多条指令的操作，从而提高计算机的指令级并行度。
五、并行计算体系结构随着计算机应用对计算能力的需求不断增加，并行计算成为了计算机体系结构的一个重要发展方向。
并行计算体系结构将计算任务分为多个子任务，由多个处理器并行地执行，从而提高计算机的运算速度。
并行计算体系结构广泛应用于高性能计算、人工智能等领域。
计算机体系结构的发展历程
计算机体系结构的发展历程计算机体系结构是现代计算机科学的重要组成部分，它涵盖了计算机硬件和软件之间的结构和交互。
计算机体系结构的发展历程经历了多个阶段，从最早的冯·诺依曼体系结构到如今的并行计算和云计算体系结构，每个阶段都对计算机的演进起到了重要的推动作用。
1. 冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是现代计算机体系结构的起源，它由影响深远的数学家冯·诺依曼于20世纪40年代提出。
这种体系结构包括了存储器、运算器、控制器和输入输出设备，以及用于存储指令和数据的内存。
冯·诺依曼体系结构的重要特征是存储程序概念，即指令和数据存储在同一存储器中，通过程序控制计算机的操作。
这种体系结构的设计思想奠定了现代计算机的基础。
2. 提供并行计算的体系结构随着计算机技术的不断发展，人们开始意识到单一处理器的运算能力受限，因此提出了并行计算的概念。
并行计算体系结构通过使用多个处理器，同时进行计算任务的划分和执行，以提升计算速度和效率。
并行计算体系结构分为多处理器和多计算机体系结构。
多处理器体系结构指的是在一个计算机系统中同时使用多个处理器，共享内存和数据，实现任务之间的并行执行。
而多计算机体系结构则是将多个计算机连接在一起，通过网络进行通信和协作，实现并行计算的目标。
3. 云计算体系结构随着互联网的普及和计算能力的不断增强，云计算成为一种新的计算模式和体系结构。
云计算体系结构基于网络的分布式计算，提供了按需获得计算资源的能力。
云计算体系结构分为三个层次：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。
在云计算体系结构中，计算资源和应用程序不再局限于本地计算机，而是通过云平台提供商提供的网络服务进行访问和部署。
4. 新兴的体系结构除了上述提到的几种主要的计算机体系结构，还出现了一些新兴的体系结构，如量子计算机体系结构和神经网络计算机体系结构。
计算机体系结构演进历程
计算机体系结构演进历程计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口，它决定了计算机系统的组织结构、指令集和操作方式。
计算机体系结构的演进历程可以追溯到20世纪40年代，随着技术的不断进步和计算需求的不断增长，计算机体系结构也经历了多次重大变革和演化。
本文将以时间为轴，介绍计算机体系结构的演进历程。
1. 第一代计算机体系结构（1940年代-1950年代）第一代计算机体系结构采用的是电子管技术，计算机的硬件体系结构主要包括中央处理器（CPU）、内存和输入输出设备。
其中，CPU负责执行指令和进行算术逻辑运算，内存用于存储程序和数据，输入输出设备用于与外部交互。
第一代计算机体系结构的代表性计算机包括ENIAC和EDVAC。
2. 第二代计算机体系结构（1950年代-1960年代）第二代计算机体系结构的关键技术突破是晶体管的引入，相较于电子管，晶体管更小巧可靠。
第二代计算机的硬件体系结构在第一代的基础上做了改进和扩展，引入了高速存储器、指令寄存器和磁盘存储器等新技术。
此时的计算机体系结构更加稳定可靠，并且整体性能有了明显提升。
3. 第三代计算机体系结构（1960年代-1980年代）第三代计算机体系结构的突破点是集成电路技术的应用。
集成电路将许多晶体管集成在一块芯片上，使得计算机的体积减小、功耗降低。
此时的计算机体系结构开始关注指令集和指令执行的效率，引入了微指令和流水线等技术。
代表性的计算机包括IBM System/360和DEC PDP-11。
4. 第四代计算机体系结构（1980年代-至今）第四代计算机体系结构的重要特点是微处理器的出现。
微处理器将所有的计算机部件集成在一块芯片上，大大提高了计算机的性能和可靠性。
此时的计算机体系结构开始注重并行计算和分布式系统，引入了多核处理器和超级计算机等技术。
代表性的计算机包括Intel Core系列和IBM Watson。
5. 未来计算机体系结构的发展方向当前，计算机体系结构的研究方向主要集中在提高计算性能和降低功耗。
『译』计算机体系结构发展史
『译』计算机体系结构发展史摘要：一、计算机体系结构发展史简介1.计算机体系结构的定义2.计算机体系结构发展史的重要性二、计算机体系结构的演变1.电子管计算机2.晶体管计算机3.中断和操作系统4.集成电路计算机5.微处理器三、计算机体系结构的发展趋势1.多核处理器2.并行处理3.人工智能与计算机体系结构四、我国在计算机体系结构领域的贡献1.超级计算机的发展2.国产处理器研发正文：计算机体系结构发展史是计算机科学的一个重要组成部分，它记录了计算机从诞生到现在的发展过程。
了解计算机体系结构发展史，不仅有助于我们更好地理解计算机的工作原理，还能为我们预测未来计算机发展趋势提供依据。
计算机体系结构的演变经历了多个阶段。
最早的计算机采用电子管作为主要元器件，这些计算机体积庞大、耗电量高、运算速度慢。
随着半导体技术的发展，晶体管取代了电子管，使得计算机体积缩小、功耗降低、运算速度提高。
在此基础上，计算机体系结构逐渐演变成具有中断和操作系统的中型计算机。
20 世纪70 年代，集成电路技术的出现再次改变了计算机的面貌，使得计算机变得更小、更快、更强大。
这一时期的计算机体系结构以大型机和小型机为主，广泛应用于企业和科研领域。
进入20 世纪80 年代，个人计算机开始普及，微处理器成为计算机体系结构的核心。
英特尔、AMD 等公司生产的处理器逐渐成为市场主流。
近年来，计算机体系结构的发展趋势呈现出多元化。
多核处理器的出现，使得计算机能够同时处理多个任务，提高了计算效率。
此外，计算机体系结构逐渐向并行处理方向发展，以适应人工智能、大数据等领域对计算能力的需求。
在我国，计算机体系结构领域的发展也取得了显著成果。
自20 世纪80 年代开始，我国就开始研制自己的处理器。
近年来，我国在超级计算机领域取得了世界领先地位，如“天河”系列超级计算机。
此外，我国还在努力研发国产处理器，如飞腾处理器等，以提高国家在计算机领域的自主创新能力和核心竞争力。
高等计算机体系结构北大
高等计算机体系结构北大高等计算机体系结构是计算机科学与技术专业里的一门重要课程，它主要研究计算机系统的组成和运行原理，涉及到计算机硬件、操作系统、编译器等方面的知识。
下面将从计算机系统结构的发展历程、体系结构的层次划分以及一些经典的体系结构进行介绍。
1.计算机系统结构的发展历程计算机系统结构的发展历程可以划分为五个阶段：单指令流单数据流(SISD)、单指令流多数据流(SIMD)、多指令流单数据流(MISD)、多指令流多数据流(MIMD)、存储器层次结构。
（1）SISD阶段：早期的计算机系统是单指令流单数据流的结构，主要特点是一条指令操作一个数据。
这个阶段的代表是早期的冯·诺依曼结构。
（2）SIMD阶段：随着计算机科学的发展，提出了单指令流多数据流的结构，主要特点是一条指令操作多个数据。
多媒体处理器就是这个阶段的代表。
（3）MISD阶段：多指令流单数据流的结构主要用于冗余系统，多个处理器通过执行不同的指令来实现容错和安全性。
不过这个阶段的实际应用比较少。
（4）MIMD阶段：多指令流多数据流的结构是目前主流的计算机系统结构，它允许多个处理器并行执行不同的指令和操作不同的数据。
其中多核处理器就是这个阶段的代表。
（5）存储器层次结构：随着计算机系统的发展，存储器的速度与处理器的速度之间的差距越来越大。
为了解决这个问题，引入了存储器层次结构，即多层次的存储器，包括高速缓存、主存和辅存等，以提高计算机系统的整体性能。
总结来说，计算机系统结构的发展历程就是从单指令流单数据流到多指令流多数据流，并引入存储器层次结构的过程。
2.计算机体系结构的层次划分计算机体系结构可以从不同的层次进行划分，常见的划分方式有指令系统层次、微指令层次、操作系统层次、硬件逻辑层次等。
（1）指令系统层次：指令系统层次是计算机体系结构的最高层次，它定义了计算机的指令集和指令的格式。
常见的指令系统有CISC、RISC 等。
（2）微指令层次：微指令层次是指令系统层次之下的一层，它负责将高级指令翻译为低级的微指令，以供硬件执行。
计算机体系结构发展历史概述
计算机体系结构发展历史概述计算机体系结构是指计算机硬件与软件之间的结构和相互关系。
它的发展历程可以追溯到二十世纪四十年代的早期电子计算机。
一、第一代计算机体系结构在二战期间，计算机开始崭露头角。
1943年，美国哈佛大学的数学家霍华德·阿金斯提出了“范·洛依德体系结构”，这是第一个计算机体系结构的设计思路。
范·洛依德体系结构包括储存程序、指令集、控制器和运算器等核心组件，其影响至今。
二、第二代计算机体系结构20世纪50年代到60年代，晶体管技术的发展使计算机体系结构迈向了第二代。
此时，计算机厂商开始设计采用存储器单元的计算机，这些计算机使用指令的地址作为操作数，提高了计算机的运算速度和灵活性。
麻省理工学院的IBM 709和IBM 704计算机是这一时期的典型代表。
三、第三代计算机体系结构20世纪60年代至80年代中期，计算机体系结构迎来第三代的革命。
这一时期，集成电路的应用使得计算机在整体上更小、更便宜、更可靠、更易于维护。
计算机体系结构设计开始关注并行处理和虚拟内存等概念。
1971年，英特尔发布了第一款微处理器Intel 4004，标志着个人计算机时代的到来。
四、第四代计算机体系结构20世纪80年代后期至今，计算机体系结构进入第四代。
这一时期，计算机处理能力大幅提升，数据吞吐量迅速增长，多处理器和多核心设计成为主流，计算机大规模并行处理能力显著加强。
此外，计算机体系结构开始关注功耗和能效的问题，并提出了众核处理器等创新设计。
五、未来计算机体系结构的发展趋势随着人工智能、大数据和物联网等技术的快速发展，计算机体系结构也在不断变化和创新。
未来的计算机体系结构将更加注重能效、并行处理能力和存储技术的优化。
例如，量子计算机、光子计算机和神经元计算机等新的计算机体系结构也将有可能成为未来的发展方向。
结论：计算机体系结构的发展历史经历了多个阶段，从早期的范·洛依德体系结构到现代的多核处理器设计，计算机体系结构不断创新和优化。
『译』计算机体系结构发展史
『译』计算机体系结构发展史摘要：一、计算机体系结构的起源与发展二、经典计算机体系结构的代表——冯·诺依曼架构三、计算机体系结构的演变与创新四、未来计算机体系结构的发展趋势五、我国在计算机体系结构领域的研究与应用正文：计算机体系结构是指计算机系统的硬件和软件之间的相互作用和组织结构。
自从20世纪40年代第一台计算机诞生以来，计算机体系结构的发展经历了多个阶段，不断创新和完善。
一、计算机体系结构的起源与发展早在古代，人们就开始尝试使用机械设备进行数学计算。
然而，现代计算机的起源可以追溯到19世纪末和20世纪初的电子计算机。
早期计算机的代表有ENIAC和EDVAC等，它们的问世奠定了计算机体系结构的基础。
二、经典计算机体系结构的代表——冯·诺依曼架构20世纪50年代，冯·诺依曼提出了冯·诺依曼架构，该架构强调将程序和数据存储在同一存储器中，并采用存储程序原则。
这一架构成为了计算机体系结构的经典之作，影响了后来的计算机设计和发展。
三、计算机体系结构的演变与创新随着半导体技术和集成电路的出现，计算机硬件逐渐向微型化和高性能方向发展。
同时，计算机体系结构也发生了许多变化，如流水线处理、RISC架构、并行计算等。
此外，计算机体系结构还与其他领域如人工智能、大数据、物联网等紧密结合，不断拓展其应用范围。
四、未来计算机体系结构的发展趋势随着科技的进步，未来计算机体系结构将面临更多挑战。
一方面，量子计算机和新型存储技术的发展将为计算机体系结构带来革命性的变革；另一方面，随着云计算和边缘计算的普及，计算机体系结构将更加注重可扩展性和适应性。
此外，绿色计算和可持续发展也将成为计算机体系结构研究的重要方向。
五、我国在计算机体系结构领域的研究与应用近年来，我国在计算机体系结构领域取得了显著成果。
在超级计算机、芯片设计、高性能计算等方面，我国都取得了世界领先的地位。
此外，我国还积极开展人工智能、量子计算等前沿领域的研究，努力推动计算机体系结构的创新发展。
计算机体系结构的发展与趋势
计算机体系结构的发展与趋势计算机的出现，极大地改变了人类社会的发展。
随着科技的不断更新迭代，计算机的体系结构也在飞速发展。
计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的相互作用方式，是计算机设计中最基本的概念之一。
计算机体系结构的发展与趋势，体现了计算机科技发展的技术方向和重心，下面就来具体探讨一下。
一、计算机体系结构的发展历程1、冯·诺依曼结构1945年，冯·诺依曼发明了第一台采用“现代计算机结构”的电子计算机，这种计算机使用二进制数、以程序为控制、采用内存储存数据和程序的计算机结构。
这种结构被称为冯·诺依曼结构，被广泛应用于电子计算机中，至今仍是计算机体系结构的主要形式。
2、并行计算机20世纪80年代，随着计算机处理速度的提高，人们开始关注计算机性能的提升。
1982年，英特尔公司发布的超级计算机iWarp，采用并行计算方式，使得计算机处理速度得到了极大地提升。
并行计算机的出现，对计算机体系结构的发展起到了推动作用。
3、多核处理器随着半导体技术的发展，计算机芯片中的元器件数量越来越多，并且尺寸越来越小。
2005年，英特尔公司发布了第一款多核处理器，这种处理器可以同时运行多个任务，并且可以利用并行计算的优势，提高计算机的处理速度。
4、云计算2010年，云计算开始逐渐普及。
云计算是一种新型计算模式，它利用互联网技术将计算和存储资源虚拟化，为用户提供一种按需使用的计算服务。
云计算的出现，对计算机体系结构的发展也带来了新的机遇和挑战。
二、计算机体系结构的发展趋势1、大数据和人工智能随着互联网的普及和信息化的加速，数据量呈爆炸式增长。
对于传统的存储和处理方式已经无法应对大数据挑战。
在此背景下，高效的数据存储和处理技术已成为计算机体系结构发展的核心。
同时，人工智能的迅速崛起，人类对于计算机性能的要求也逐渐提高。
2、边缘计算传统的计算机体系结构是集中式的，所有运算都在中央处理器上完成，需要经过数据的传输和处理。
计算机学科内容
计算机学科内容计算机学科是一门研究计算机科学与技术的学科，涵盖了计算机硬件、软件、算法、网络、数据库等多个方面。
本文将从计算机的起源、发展、组成结构、操作系统、编程语言和网络等方面介绍计算机学科的内容。
一、计算机的起源和发展计算机起源于20世纪40年代，经过多年的发展，现代计算机已经成为人们生活中不可或缺的工具。
计算机的发展经历了多个阶段，从最初的巨型机、小型机到个人计算机和移动计算设备的普及，计算机的体积越来越小，性能越来越强大。
二、计算机的组成结构计算机由硬件和软件两部分组成。
硬件包括中央处理器（CPU）、内存、硬盘、显卡等组件，这些组件相互配合完成计算机的各种任务。
软件包括操作系统、应用程序和编程语言等，通过软件控制硬件完成各种功能。
三、操作系统操作系统是计算机系统的核心软件，它负责管理和控制计算机的硬件资源，并提供用户与计算机之间的接口。
常见的操作系统有Windows、Linux和Mac OS等，每种操作系统有其特点和适用场景。
四、编程语言编程语言是计算机学科中的重要内容，它是人与计算机之间进行交流的工具。
编程语言可以分为低级语言和高级语言两种，低级语言主要是机器语言和汇编语言，而高级语言包括C、Java、Python等。
不同的编程语言适用于不同的场景和任务，开发人员根据需求选择合适的编程语言进行开发。
五、网络网络是计算机学科中的重要研究方向，它使得计算机之间可以相互连接，实现信息的传输和共享。
常见的网络技术包括局域网（LAN）、广域网（WAN）、互联网和无线网络等。
网络技术的发展使得人们可以随时随地进行信息交流和获取。
六、计算机学科的应用领域计算机学科的应用领域非常广泛，涉及到各行各业。
在科学研究中，计算机被广泛应用于模拟实验、数据分析和科学计算等；在工业生产中，计算机被应用于自动化控制和生产管理；在商业领域，计算机被应用于电子商务和金融交易等；在教育领域，计算机被应用于在线教育和远程教育等。
计算机体系结构的演进
计算机体系结构的演进计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的组织和相互作用方式。
它的发展经历了多个阶段，从单一的中央处理器到分布式系统的发展，每个阶段都代表了计算机技术的重大进步和创新。
本文将介绍计算机体系结构的演进历程，并探讨未来发展的趋势。
I. 单一中央处理器阶段计算机体系结构的演进可以追溯到20世纪40年代末的第一台电子计算机ENIAC。
当时的计算机体系结构由单一的中央处理器(CPU)和存储器组成，数据通过总线传输。
这种体系结构称为单指令流单数据流(SISD)，它只能执行一个指令并处理一个数据。
II. 多处理器阶段随着技术的进步，人们开始探索如何提高计算机的性能。
1960年代，出现了多处理器体系结构(MP)。
多处理器系统中有多个CPU同时工作，能够并行执行多个指令和处理多个数据。
这种体系结构使得计算速度大幅提高，应用程序的性能有了明显提升。
III. 存储器层次结构为了解决存储器容量和速度的矛盾，计算机体系结构引入了存储器层次结构。
存储器层次结构包括多级缓存和主存储器，通过使用不同容量和访问速度的存储器来提高整体性能。
较小但速度更快的缓存存储器用于存储最常用的数据和指令，而较大但速度较慢的主存储器用于存储其他数据。
IV. 并行处理阶段20世纪80年代至90年代末，计算机体系结构进一步发展到并行处理阶段。
并行处理是指同时执行多个任务或指令的能力，在计算机系统中具有重要意义。
并行处理可以分为指令级并行和数据级并行两种形式。
指令级并行通过同时执行多个指令来提高性能，而数据级并行则通过同时操作多个数据元素来提高性能。
V. 分布式系统和云计算分布式系统是指由多台计算机组成的网络，通过共享资源和进行通信来实现任务的分配和执行。
分布式系统体系结构可以进一步提高计算机的性能和可用性。
云计算是分布式系统的一种应用形式，通过将计算资源和服务提供给用户，实现了按需使用的模式。
VI. 新兴技术的影响如今，新兴技术如物联网、人工智能和量子计算等正在对计算机体系结构产生深远的影响。
计算机体系结构的发展与趋势
计算机体系结构的发展与趋势计算机是现代科技的代表之一，计算机的发明和普及已经改变了人类社会的运作方式，极大地提升了生产力。
而计算机的核心就是计算机体系结构，它指的是计算机硬件中各个部件的组成、连接方式和互相作用的规则。
计算机体系结构的发展历程为人类社会的进步做出了极大的贡献，本文将从哪些方面来探讨计算机体系结构的发展与趋势。
一、经典计算机体系结构20世纪50年代到60年代是计算机体系结构的开端时期。
当时，人们发明了计算机原型谷歌与演算法，他们让计算机能够恰当地存储、读取程序，这也是计算机体系结构研究的第一步。
1965年，冯·诺依曼把自己的思考放在了计算机体系结构方面，他制定了冯·诺依曼结构（Von Neumann architecture），这一结构一直沿用至今，包括存储器、运算器、控制器和输入输出设备4个部分，控制器负责指挥运算器的运算，并集成存储器和输入输出设备。
二、精简指令集(RISC)的发展接下来是20世纪70年代至80年代，计算机体系结构的数十年。
1975年，IBM研制推出了著名的Pascal微处理器，这个处理器主要面向科学计算，并对循环和分支指令针直的执行机制进行了多方面优化，提出了精简指令集(RISC)的概念。
RISC是指指令集优化，目的是让计算机在获取指令时能够更加容易、高效地完成每个指令的执行。
因为RISC指令少、规模小，所以能够提供高速、低功耗的微处理器，这对计算机体系结构优化和新的体系结构研发做出了重大贡献。
也是在这一时期，出现了国际商用机器公司（IBM）的个人计算机，并逐渐普及至全球。
三、超大规模集成电路(VLSI)和多核并行处理器到20世纪末，计算机体系结构已经开始向微型化和并行化的方向发展，低功耗、高集成度的超大规模集成电路(VLSI)成为当时的研究热点。
1983年，Intel公司推出了第一个触摸屏处理器Intel80386，开始采用VLSI技术。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
石教英 浙江大学计算机学院计算机系统研究所
2002年11月
h
1
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
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
h
11
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。
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
h
13
计算机的新分类
➢ 台式机 ➢ 服务器 ➢ 嵌入式计算机
h
4
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
六、我国计算机体系结构研究进展
h
3
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。
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
h
23
磁盘技术
它们分别面向不同应用，具有不同要求，采用 不同技术
h
14
台式机、服务器、嵌入式系统特征对比
h
15
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
h
16
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
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
h
2
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
微处理器芯片广泛应 用
RISC体系结构、Cache 等创新设计技术
h
7
截止2001年微处理器性能增长率
h
8
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
集成电路技术 半导体DRAM 磁盘技术 网络技术
h
21
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%
h
22
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
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
h
12
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
h
17
Fig1。4， p10
h
18
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
h
5
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
h
6
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%
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
性能优化技术
h
9
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！！
h
10
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：
h
19
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
h
20
影响最大的四种关键技术