引言计算机体系结构的概念计算机体系结构的发展

1、1.1 引言 1.2 计算机体系结构的概念 1.3 计算机体系结构的发展 1.4 影响计算机体系结构的成本和价格因素 1.5 定量分析技术基础 1.6 计算机体系结构中并行性的发展,第一章 计算机体系结构的基本概念,1.1 引 言,1. 计算机性能的高速增长受益于： 2. 体系结构的重要性 3. 基于微处理器的系统,电路技术的发展 体系结构技术的发展,第一章 计算机体系结构的基本概念,1.2.1 计算机系统中的层次概念 1. 计算机系统软件硬件/固件 2. 计算机语言由低级向高级发展 高一级语言的语句相对于低级语言功能更强，更便于应用，但又都以低级语言为基础。 3. 从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构。,1.2 计算机体系结构的概念,第一章 计算机体系结构的基本概念,软件,硬件或固件,(1) 虚拟机：由软件实现的机器。 (2) 语言实现的两种基本技术 翻译：先把N+1级程序全部变换成N级程序后， 再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1 级程序不再被访问。 解释：每当一条N+1级指令被译码后，就直接 去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一 条N+1级的指令，

2、依此重复进行。,解释执行比翻译花的时间多，但存储空间占用较少。,1.2 计算机体系结构的概念,1.2.2 计算机体系结构 1. 计算机体系结构的定义： 程序员所看到的计算机的属性，即概念性 结构与功能特性。 2. 按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序 员所看到的计算机具有不同的属性。 3. 透明性 在计算机技术中，对这种本来是存在的 事物或属性，但从某种角度看又好象不存在。,1.2 计算机体系结构的概念,4. Amdahl提出的体系结构：传统机器级的体系结构。 即一般所说的机器语言程序员所看到的传统 机器级所具有的属性。,5. 对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指：,(1) 数据表示 （硬件能直接辩认和处理的数据类型） (2) 寻址规则 （包括最小寻址单元、寻址方式及其表示） (3) 寄存器定义 （包括各种寄存器的定义、数量和使用方式）,1.2 计算机体系结构的概念,(4) 指令集 （包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排 序和控制机构等） (5) 中断系统 （中断的类型和中断响应硬件的功能等） (6) 机器工作状态的定义和切换 （如管态和目态等） (7) 存储系统 （主存容量

3、、程序员可用的最大存储容量等）,1.2 计算机体系结构的概念,(8) 信息保护 （包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持） (9) I/O结构 （包括I/O连接方式、处理机/存储器与I/O设备 间数据传送的方式和格式以及I/O操作的状态等）,经典计算机体系结构概念的实质： 计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。,1.2 计算机体系结构的概念,1.2.3 计算机组成和计算机实现技术 1. 计算机组成：计算机体系结构的逻辑实现。 2. 计算机实现：计算机组成的物理实现。 一种体系结构可以有多种组成。 一种组成可以有多种物理实现。 3. 系列机 (1) 系列机 在一个厂家内生产的具有相同的体系 结构，但具有不同组成和实现的一系列不 同型号的机器。,1.2 计算机体系结构的概念,(2) IBM PC系列机 （处理器、处理器字宽、主要I/O总线、存储空间、 主要操作系统和计算机结构）,如：IBM 370系列有370/115、125、135、145、158、168等一系列从低速到高速的各种型号。,1.2 计算机体系结构的概念,1.2 计算机体系结构的

4、概念,1.2 计算机体系结构的概念,1.2 计算机体系结构的概念,1.2 计算机体系结构的概念,1.2 计算机体系结构的概念,计算机 PC和PC XT PC AT 80386 PC 80486 PC Pentium PC Pentium II PC Pentium III PC Pentium 4 PC,时间 1981 1982 1985 1989 1993 1997 1999 2000,处理器 8088 80286 80386 80486 Pentium Pentium II Pentium III Pentium 4,字宽 16位 16位 32位 32位 32位 32位 32位 32位,主要I/O总线 PC总线 AT（ISA） ISA/EISA ISA+VL ISA+PCI ISA+PCI+AGP PCI+AGP +USB PCI-X+AGP +USB,存储空间 20位 24位 32位 32位 32位 32位 32位 32位,主要操作系统 DOS DOS、XENIX DOS、Windows 3.0 DOS、Windows 3.1 DOS、Windows 3.1 Windows 95

5、 Windows 98、2000 Windows Me、XP,表1.1 PC系列机典型特性比较,1.2 计算机体系结构的概念,4. 软件兼容:同一个软件可以不加修改地运行于体 系结构相同的各档机器，而且它们所获得的结果 一样，差别只在于有不同的运行时间。,1.2 计算机体系结构的概念, 向上(下)兼容：按某档机器编制的程序，不加修 改的就能运行于比它高(低)档的机器。 向前(后)兼容：按某个时期投入市场的某种型号 机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之 前(后)投入市场的机器。,向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。,5. 兼容机 不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机。,1.2 计算机体系结构的概念,1.3 计算机体系结构的发展,1.3.1 存储程序计算机体系结构及其发展,第一章 计算机体系结构的基本概念,1. 存储程序计算机的主要特点,(1) 机器以运算器为中心； (2) 采用存储程序原理； (3) 存储器是按地址访问的、线性编址的空间； (4) 控制流由指令流产生； (5) 指令由操作码和地址码组成； (6) 数据以二进制编码表示，采用二进制运算。,1.3 计算

6、机体系结构的发展,2. 对体系结构进行的改进,(1) 分布的I/O处理能力 以运算器为中心带来了慢速输入输 出操作占用快速运算器的问题。 为了解决这一问题，人们提出了各种 输入/输出方式。,1.3 计算机体系结构的发展,1.3 计算机体系结构的发展,(2) 保护的存储器空间,是否把指令和数据放在同一存储器中？ 优点 :,不必预先区分指令和数据，易实现存储管理软件； 程序和指令在执行过程中可以被修改，因而可以 编写出灵活的可修改的程序； 对于存取指令和数据仅需一套读/写和寻址电路， 硬件简单； 数据可以分配于任何可用空间，从而可更有效地 利用存储空间等。,1.3 计算机体系结构的发展,缺点：,不利于进行程序调试诊断； 不利于实现程序的可再入性和程序的递归调用； 不利于重叠和流水方式的操作。,现在绝大多数计算机都规定，在执行进程中不准修改程序。,1.3 计算机体系结构的发展,(3) 存储器组织结构的发展,相联存储器和相联处理机 通用寄存器 高速缓冲存储器和多级存储器组织结构,(4) 并行处理技术 如何挖掘传统机器中的并行性？ 改进CPU的组成,重叠方式 先行控制,1.3 计算机体系结构的发

7、展, 在体系结构上对某些计算问题实现并行计算。 如向量计算 多机并行处理系统 把一个作业(程序)划分成能并行执行的多个任 务(程序段)，把每个任务分配给一个处理机执行。,多操作部件 流水方式,1.3 计算机体系结构的发展,复杂指令集计算机(CISC) 精简指令集计算机(RISC),(5) 指令集结构的发展 指令集的功能, 指令的地址空间和寻址方式 多种灵活的寻址方式。,1.3 计算机体系结构的发展,1.3.2 计算机的分代和分型 1. 计算机到目前为止已经发展了五代 这五代计算机分别具有明显的器件、体系结 构技术和软件技术的特征。 2. 计算机可以根据价格分为五个档次： 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机,1.3 计算机体系结构的发展,3. 计算机系统性能随时间“下移”,1.3 计算机体系结构的发展,1.3 计算机体系结构的发展,4.根据当前的计算机应用市场的现状和价格特征， 通常把计算机分为服务器、桌面系统和嵌入式计 算三大领域。,5. 新型体系结构的设计 (1) 合理地增加计算机系统中硬件的功能比例， 这种体系结构对操作系统、高级语言甚至应 用软件提供更多更好的支持； (2)

8、通过多种途径提高计算机体系结构中的并行 性等级，使得凡是能并行计算和处理的问题 都能并行计算和处理，使这种体系结构和组 成对算法提供更多更好的支持。,1.3 计算机体系结构的发展,1.3.3 应用需求的发展 1. 计算机的设计受两方面因素的影响 2. 软件技术最重要的发展趋势 (1) 程序及数据所使用存储器容量的不断增大； (2) 编译器的重要性日益突出，逐渐成为用户 与计算机的主要界面。,计算机现在和未来的使用方法 下层的实现技术,1.3 计算机体系结构的发展,3. 计算机技术和市场分化成为桌面计算、服务器 和嵌入式计算三个部分，这三个不同的领域应 用需求的特点对计算机系统设计的影响巨大。,桌面计算市场是销售额最大的市场，是对 性能价格比要求最为苛刻和敏感的市场。 服务器市场对计算机的要求是可用性、大 容量和可扩展性。 嵌入式计算与解决的应用问题密切相关， 需求千差万别。,1.3 计算机体系结构的发展,表1.3 桌面计算、服务器和嵌入式计算三类应用 领域的一些典型特性,系统价格（美元） 每个处理器价格（美元） 2000年芯片销售量（片） 关键指标,1000-10 000 100-1

9、000 150 000 000 性能价格比,10 000-10 000 000 200-2 000 4 000 000 可用性、可扩展性,嵌入式计算（只考虑32位和64位） 10-100 000 0.2-200 300 000 000 随应用领域需求而变化，主要有：成本、功耗、实时性等。,特征,桌面计算,服务器,1.3.4 计算机实现技术的发展,1. 现代计算机实现技术的基础核心是以晶体管为 基本单元的平面集成电路 2. 摩尔定律 集成电路密度大约每两年翻一番。 3. 内存芯片和Intel微处理器的发展变化,1.3 计算机体系结构的发展,图1.7 内存芯片密度和Intel微处理器集成度的发展,1.3 计算机体系结构的发展,4. 四种实现技术对于当代计算机的发展发挥着非 常关键的作用,逻辑电路 半导体DRAM(动态随机访问存储器) 磁盘 网络,1.3 计算机体系结构的发展,1.3.5 技术的挑战和体系结构的生命周期,1. 对计算机系统设计人员的技术挑战 体系结构、设计工具、制造工艺、软件和 应用等多个方面，甚至包括经济的问题。 2. 集成电路制造中的重要技术指标之一： 特征尺寸,1.3 计算机体系结构的发展,型号 4004 8008 8080 8086/8088 80286 80386DX 80486DX Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium III Pentium 4,发布日期 1971 1972 1974 1978 1982 1985 1989 1993 1995 1997 1999 2000,制造工艺 PMOS PMOS NMOS NMOS CMOS CMOS CMOS BiCMOS BiCMOS CMOS CMOS CMOS,特征尺寸（m） 10 10 6 3 1.5 1.5 1.0 0.8 0.35 0.35 0.18 0.18,集成度 （晶体管） 2 300 3 500 6 000 29 000 134 000 275 000 1 200 000 3 100 000 5

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