計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展簡介(已修改)
2025-01-30 19:36 本頁面
【正文】 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展簡介 石教英 浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究所 2022年 12月 目錄 一 、 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展回顧 1． 計(jì)算機(jī)性能高速發(fā)展及其原因 2． 計(jì)算機(jī)的分類 3． 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的任務(wù) 4． 技術(shù)發(fā)展趨向 二 、 指令級并行性開發(fā)技術(shù) 1． RISC與 CISC 2． 流水線技術(shù) 3． 指令級并行性技術(shù) 三、指令多發(fā)射技術(shù) 1．指令多發(fā)射技術(shù)概述 2．超標(biāo)量處理器 3．超長指令字處理器 4．多發(fā)射處理器的技術(shù)難點(diǎn) 四、 Cache技術(shù) 1．為什么要引入 Cache 2．為什么引入 Cache能提高計(jì)算機(jī)性能？ 3． Cache技術(shù)的發(fā)展 五、多處理器技術(shù) 1． 并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)分類 2． 集中共享存儲(chǔ)器型多處理計(jì)算機(jī) 3． 分布式存儲(chǔ)器型多處理器計(jì)算機(jī) 4． 并行處理的難點(diǎn) 六、我國計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展 一、 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展回顧 ?Computer Architecture定義 ?應(yīng)用機(jī)器語言的程序員為了能正確編寫時(shí)序無關(guān)的程序所必須了解的計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu) 。 ?簡單講：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是一門設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的學(xué)科 ， 包括計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì) ， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ， 實(shí)現(xiàn)技術(shù) ， 以及與系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)和編譯器相關(guān)的技術(shù) 。 計(jì)算機(jī)性能高速發(fā)展及其原因 ? 1946年第一臺通用電子計(jì)算機(jī) ENIAS誕生至今僅 56年 —— 每秒 5000次運(yùn)算加法 ? 計(jì)算機(jī)技術(shù)以驚人速度發(fā)展，并將繼續(xù)高速發(fā)展 ? 1980年百萬美元機(jī)器的性能比不上今年 1千美元的機(jī)器 ? 今天最高性能的微處理器超過 10年前的超級計(jì)算機(jī) ? 如用于高端網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和最新電子游戲機(jī)的微處理器速度可達(dá)每秒 10億次運(yùn)算 計(jì)算機(jī)性能高速發(fā)展原因 ? ? 技術(shù)進(jìn)步 — 以穩(wěn)定速度發(fā)展，主要指 IC技術(shù) 創(chuàng)新設(shè)計(jì) — 發(fā)展速度不穩(wěn)定，有時(shí)快有時(shí)慢 各年代的性能提高速率 年代 性能的年提高率 原因 1970年代初 25%30% 1970年代末 35% 微處理器芯片廣泛應(yīng)用 1980年代末 58% RISC體系結(jié)構(gòu) 、 Cache等創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù) 截止 2022年微處理器性能增長率 RISC、 Cache技術(shù)發(fā)展階段 ? RISC體系結(jié)構(gòu)發(fā)展又可分為兩個(gè)階段 ? 早期集中發(fā)展指令級并行技術(shù) ? 后期集中發(fā)展多指令發(fā)射技術(shù) ?Cache技術(shù)發(fā)展同樣經(jīng)歷兩個(gè)階段 ? 早期集中發(fā)展 Cache的原理性應(yīng)用 ? 后期集中發(fā)展新的 Cache組織和各種 Cache性能優(yōu)化技術(shù) ?計(jì)算機(jī) 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 對每年 58%性能提高率的貢獻(xiàn) —— 超過技術(shù)進(jìn)步貢獻(xiàn)達(dá) 15倍之多 ?說明： 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)科的重要性??！ 計(jì)算機(jī)性能高速提高帶來的影響 ? 用戶擁有越來越高的性能和功能，今天最高性能的微處理器已經(jīng)超出 10年前超級計(jì)算機(jī)的性能。 ? 基于微處理器的計(jì)算機(jī)成為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的主流 ? 現(xiàn)狀： PC機(jī)、工作站成為主流產(chǎn)品 小型機(jī)被采用微處理器的服務(wù)器所代替 大型機(jī)被采用數(shù)十個(gè)至上百個(gè)微處理器構(gòu)成的多 處理器計(jì)算機(jī)所代替 超級計(jì)算機(jī)正在被成千上萬個(gè)微處理器構(gòu)成的 多處理器計(jì)算機(jī)所代替 體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的核心－定量方法 ?近年來計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的核心，也是計(jì)算機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)的核心歸功于 —— 定量方法 。 ?用定量方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì) ?用定量方法作為工具分析程序?qū)嶋H運(yùn)行結(jié)果、各類實(shí)驗(yàn)和仿真 ?用定量方法尋找計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的新思路、新技術(shù)，保證計(jì)算機(jī)性能繼續(xù)按現(xiàn)在速率提高 計(jì)算機(jī)的分類 ? 傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)分類： ? 大型機(jī)、小型機(jī)、巨型機(jī)（或稱超級計(jì)算機(jī)） ? 按機(jī)器規(guī)模指令（字長，內(nèi)外存儲(chǔ)器容量，速度等指標(biāo)），價(jià)格等指標(biāo)進(jìn)行分類（ PC）機(jī)、工作站，服務(wù)器 ? 1980年代產(chǎn)生了新的機(jī)型： ? 個(gè)人（ PC）機(jī)、工作站、服務(wù)器 ? 主要按用途來分類 ? 1990年代產(chǎn)生了 嵌入式系統(tǒng) ： ? 高性能家電、機(jī)頂盒、電子游戲機(jī)、手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)路由器、交換機(jī)等 ? 這里微處理器成為設(shè)備的一個(gè)組件，如馬達(dá)所起的作用，主要不是作計(jì)算用 ?計(jì)算機(jī)的新分類 ?臺式機(jī) ?服務(wù)器 ?嵌入式計(jì)算機(jī) 它們分別面向不同應(yīng)用，具有不同要求，采用不同技術(shù) 臺式機(jī)、服務(wù)器、嵌入式系統(tǒng)特征對比 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的任務(wù) ?計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)： ? 應(yīng)滿足市場對 功能 的要求，同時(shí)也應(yīng)滿足 成本 ， 功耗 和 性能 的目標(biāo) 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù) ? 指令集設(shè)計(jì) —— 這是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的任務(wù)，即程序員面對的（看得見的）指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ? 計(jì)算機(jī)組織設(shè)計(jì) —— 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)， CPU設(shè)計(jì)， I/O總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等高層內(nèi)容，同一個(gè)指令集可以對應(yīng)不同組織設(shè)計(jì) ? 硬件設(shè)計(jì) —— 芯片的邏輯設(shè)計(jì)、封裝、冷卻。 相同的指令集和組織可以對應(yīng)不同的硬件實(shí)現(xiàn)形成一個(gè)產(chǎn)品系列 ， 如 PentiumⅡ 和 Celeron， 使 Celeron適用于低端產(chǎn)品 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)科應(yīng)包含上述三方面的內(nèi)容 ?Fig1。 4， p10 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)人員的任務(wù) ?明確具體的功能要求，因?yàn)閬碜允袌龅墓δ芤笸遣幻鞔_的 ?明確
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