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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
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%
微处理器芯片广泛应 用
RISC体系结构、Cache 等创新设计技术
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
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
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
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
磁盘技术
近年来磁盘的存储密度以每年100%速度 递增，并将继续一段时间 （1990年以前每年以30%速度递增）
磁盘的存取周期缩短相对较慢，每10年 缩短1/3
网络技术
网络性能与交换机和发射端的性能有关
衡量网络的指标有：延迟时间和带宽等， 带宽是主要指标
——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
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
1、RISC与CISC
CISC即复杂指令集计算机（——Complex Instruction set Computer）
RISC思想在1980年代初提出
➢ 1980年代末大规模投入实际使用
1980年代中期以前的微处理器可统称为 CISC体系结构微处理器
RISC与CISC的最主要的区别
平 均 执 行 每 条 指 令 的 时 钟 周 期 数 CPI （Cycles per Instruction）的不同
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
影响最大的四种关键技术
计算机体系结构浙江
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
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。
近年来带宽提高速度较快
➢ 如以太网从10Mbps提高到100Mbps花了10年 时间，而从100Mbps提高到1Gbps只用了5年
二、指令级并行性技术
（Instruction Level Parallelism-ILP）
指令级并行性技术是RISC（精减指令集 计算机）（——Reduced Instruction set Computer）的主要贡献
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。
集成电路技术 半导体DRAM 磁盘技术 网络技术
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
四、Cache技术
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
各年代的性能提高速率
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
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%
微处理器芯片广泛应 用
RISC体系结构、Cache 等创新设计技术
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
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
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
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
磁盘技术
近年来磁盘的存储密度以每年100%速度 递增，并将继续一段时间 （1990年以前每年以30%速度递增）
磁盘的存取周期缩短相对较慢，每10年 缩短1/3
网络技术
网络性能与交换机和发射端的性能有关
衡量网络的指标有：延迟时间和带宽等， 带宽是主要指标
——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
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
1、RISC与CISC
CISC即复杂指令集计算机（——Complex Instruction set Computer）
RISC思想在1980年代初提出
➢ 1980年代末大规模投入实际使用
1980年代中期以前的微处理器可统称为 CISC体系结构微处理器
RISC与CISC的最主要的区别
平 均 执 行 每 条 指 令 的 时 钟 周 期 数 CPI （Cycles per Instruction）的不同
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
影响最大的四种关键技术
计算机体系结构浙江
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
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。
近年来带宽提高速度较快
➢ 如以太网从10Mbps提高到100Mbps花了10年 时间，而从100Mbps提高到1Gbps只用了5年
二、指令级并行性技术
（Instruction Level Parallelism-ILP）
指令级并行性技术是RISC（精减指令集 计算机）（——Reduced Instruction set Computer）的主要贡献
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。
集成电路技术 半导体DRAM 磁盘技术 网络技术
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
四、Cache技术
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
各年代的性能提高速率