計算機體系結構學科發(fā)展簡介-全文預覽
【正文】 射技術 1． 指令多發(fā)射技術概述 ?從 CPUtime = IC CPI CC公式出發(fā)，進一步提高 CPU性能的途徑是令 CPI1 ?要達到 CPI1的目的，必須做到每個時鐘周期發(fā)射多條指令，有多個處理部件和足夠的硬件資源來并行處理多條指令，達到平均每條指令的處理時間小于 1個時鐘周期 ?指令多發(fā)射處理器有兩類： ?超標量處理器 （ Superscalar processors） ? 超長指令字處理器 （ VLIW— very long instruction word） ?根據(jù)指令發(fā)射機制 ， 即調(diào)度 、 組織可同時發(fā)射指令的機制 ， 也可分為兩類： ?動態(tài)多發(fā)射機制 ， 即由硬件在程序執(zhí)行過程中調(diào)度 ?靜態(tài)多發(fā)射機制，即由編譯器在程序編譯過程中調(diào)度 2．超標量處理器 ? 超標量處理器流水線操作 超標量處理器的特點 ? 在一個周期里能發(fā)射 可變 數(shù)量的指令，通常為1～ 8條指令 /周期 ? 同時發(fā)射的指令 按規(guī)定搭配 ，不能自由搭配，即有限制：如同時發(fā)射的指令必須是獨立的，即無數(shù)據(jù)競爭，以及滿足訪存次數(shù)規(guī)定等等。 ?用定量方法進行計算機設計 ?用定量方法作為工具分析程序?qū)嶋H運行結果、各類實驗和仿真 ?用定量方法尋找計算機體系結構的新思路、新技術，保證計算機性能繼續(xù)按現(xiàn)在速率提高 計算機的分類 ? 傳統(tǒng)的計算機分類： ? 大型機、小型機、巨型機（或稱超級計算機） ? 按機器規(guī)模指令（字長，內(nèi)外存儲器容量，速度等指標），價格等指標進行分類（ PC）機、工作站，服務器 ? 1980年代產(chǎn)生了新的機型： ? 個人（ PC）機、工作站、服務器 ? 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、機頂盒、電子游戲機、手機、網(wǎng)絡路由器、交換機等 ? 這里微處理器成為設備的一個組件，如馬達所起的作用，主要不是作計算用 ?計算機的新分類 ?臺式機 ?服務器 ?嵌入式計算機 它們分別面向不同應用，具有不同要求，采用不同技術 臺式機、服務器、嵌入式系統(tǒng)特征對比 計算機設計的任務 ?計算機設計目標： ? 應滿足市場對 功能 的要求，同時也應滿足 成本 ， 功耗 和 性能 的目標 計算機設計任務 ? 指令集設計 —— 這是傳統(tǒng)計算機體系結構的任務，即程序員面對的（看得見的）指令系統(tǒng)的設計 ? 計算機組織設計 —— 存儲器設計， CPU設計， I/O總線結構設計等高層內(nèi)容，同一個指令集可以對應不同組織設計 ? 硬件設計 —— 芯片的邏輯設計、封裝、冷卻。計算機體系結構學科發(fā)展簡介 石教英 浙江大學計算機學院計算機系統(tǒng)研究所 2022年 12月 目錄 一 、 計算機體系結構學科發(fā)展回顧 1． 計算機性能高速發(fā)展及其原因 2． 計算機的分類 3． 計算機設計的任務 4． 技術發(fā)展趨向 二 、 指令級并行性開發(fā)技術 1． RISC與 CISC 2． 流水線技術 3． 指令級并行性技術 三、指令多發(fā)射技術 1．指令多發(fā)射技術概述 2．超標量處理器 3．超長指令字處理器 4．多發(fā)射處理器的技術難點 四、 Cache技術 1．為什么要引入 Cache 2．為什么引入 Cache能提高計算機性能？ 3． Cache技術的發(fā)展 五、多處理器技術 1． 并行計算機體系結構分類 2． 集中共享存儲器型多處理計算機 3． 分布式存儲器型多處理器計算機 4． 并行處理的難點 六、我國計算機體系結構研究進展 一、 計算機體系結構學科發(fā)展回顧 ?Computer Architecture定義 ?應用機器語言的程序員為了能正確編寫時序無關的程序所必須了解的計算機的結構 。 ? 基于微處理器的計算機成為計算機設計的主流 ? 現(xiàn)狀： PC機、工作站成為主流產(chǎn)品 小型機被采用微處理器的服務器所代替 大型機被采用數(shù)十個至上百個微處理器構成的多 處理器計算機所代替 超級計算機正在被成千上萬個微處理器構成的 多處理器計算機所代替 體系結構發(fā)展的核心－定量方法 ?近年來計算機體系結構發(fā)展的核心，也是計算機創(chuàng)新設計技術的核心歸功于 —— 定量方法 。 ?優(yōu)化設計 —— 根據(jù)不同準則來選擇最優(yōu)的設計方案，例如前面介紹過對于個人機、服務器和嵌入式計算機的不同優(yōu)化目標 技術發(fā)展趨向 ?由于計算機技術發(fā)展十分快速，一個成功的指令集設計不應該因為技術發(fā)展而遭淘汰 ?計算機體系結構設計師應預見到技術發(fā)展的趨向，在設計下一代產(chǎn)品時，預見到產(chǎn)品大規(guī)模進入市場時恰好是所用的下一代技術的性價比達到最佳的時候，從而使其設計的產(chǎn)品生命周期得以延長 影響最大的四種關鍵技術 ?集成電路技術 ?半導體 DRAM ?磁盤技術 ?網(wǎng)絡技術 集成電路技術 ?晶體管密度每年增加 35%， 即每 4年增加4倍 ? 集成電路芯片的尺寸每年提高 10%20% ?綜合上述兩個參數(shù) ， 芯片的晶體管數(shù)每年提高 55% 半導體 DRAM（ 動態(tài)隨機存取存儲器） ?芯片密度每年遞增 40%60%， 即每 34年增加 4倍 ?存取周期縮短相對較慢 ， 每 10年縮短 1/3 ?DRAM接口改進提高了存取帶寬 磁盤技術 ?近年
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