计算机体系结构的发展调研报告.doc

计算机体系结构的发展调研报告计算机体系结构的发展调研报告—-PB10011081 秦成鹏计算机体系结构主要指计算机的系统化设计和构造，不同的计算机体系结构适用于不同 的需求或应用而随着整个计算机世界的发展，计算机的体系结构也发生着深刻的变化 现代计算机的两种主要体系结构是CISC体系和RISC体系其中RISC是近20年的研究 主流而随看计算机应用的普及，RISC结构也出现了许多与以多媒体处理和个人移动计 算机为主要内容的应用趋势的不协调1. 当今体系结构的现状当今微处理器体系结构，从传统意义指令界面上来看基本划分成两大类：一类是CISC 体系结构，如INTEL的X86芯片,另一类是RISC体系结构，如SPARC, MIPS, POWER PC, AL- PHA等不管是CISC体系结构还是RISC体系结构，人们在计算机体系结构的设计上均追 求两方面的目标：（1） 设计的计算机体系在面向应用（软件）描述方面使得自己的指令语义层次比较 高，这点CISC较为明显，因为它有许多指令可以直接支持高级语言的语义而RISC则比 较隐蔽，它是靠精简指令的优化编译（即通过若干条精简指令有机组合）来支持高级语言 的语义。

2） 设计的计算机体系在面向应用处理方面，使得自己的指令处理速度明显提高，进 而加速应用处理的速度这点RISC表现的比较明显，因为它的指令硬件译码直接实现和 采用流水线技术等大大提高了它的处理速度，而在CISC中，当初增加硬件的资源支持复 杂的高层次的语义的指令，本身就意味着提高应用的处理速度上述两个目标，从广义角度上来讲，人们总是希望设计机器的指令，其语义层次高，使 得它更接近于人类行为；当然人们也是希望自己描述的应用处理速度越快越好CISC体系的指令集由微程序来实现，也就是说它的每一个操作均由若干个微操作的程序 组合来实现，所以CISC可以使用微指令（微操作）编程（微程序）的方式来实现多种和 功能较复杂（语义层次较高）的指令在RISC体系的指令集中，它的每一条指令直接由硬布线来实现这就是说它的每条指 令执行原则上有自己一套逻辑组合的时序电路直接实现，所以单条指令实现所占用的硬件 资源相应要多因为RISC体系没有能采用增加单条指令的功能或提高指令语义，也没有去增多指令的条数，而是集中于它的精简指令集上RISC将把用户使用频率高的，数量少的指令通过硬件实现其基本特征是指令单周期执 行，一个周期内比CISC计算机有更高的指令吞吐率，且指令系统非常简单。

的思想 认为，只要给一个基本的指令，就能产生一个丰富的软件系统如果说CISC是计算机技术发展的天然产物，那么RISC应该是计算机技术发展的必然产 物2. 两种体系结构的不同2. 1设计思想不同计算机的一个最重要的性能是速度，一般用执行程序的时间来测量其速度一个程序的 执行时间等于其中的指令数乘以每条指令的执行时间，每条指令的执行时间等于每条指令 执行的周期数和每周期的时间(即主频的倒数)因此，要提高机器速度可从以下方面来 提高:(1) 提高主频，则一个周期内的门的级数要少，器件的延时要小，现代工艺的迅速发 展使器件的延时越来越小，主频也越来越高2) 提高每条指令执行的周期数小3) 可通过提高指令的语义级别来达到提高机器速度由此可见，CISC体系主要通过提高指令语义级别来减少实现程序的指令条数语义级别 高的指令通过采用内部微码结构来执行而RISC体系的指令简单，指令集较小，指令语 义低，几乎每条指令都是单周期执行控制简单，基本是一些简单的逻辑电路，因此采用 逻辑硬布线这样可以减少了单条指令周期，提高系统主频来提高指令执行速度2. 2实现方式不同CISC主要通过内部微码结构来实现，由于指令语义较高，执行周期长，采用实现简单 的指令数据合一的存储结构。

相反，RISC主要采用逻辑硬布线，指令执行周期短，存取指 令频繁，因此采用指令数据相分离的存储结构2. 3对编译器的要求不同有资料表明，在相同时钟频率条件下，如果没有编译器的支持RISC体系和CISC体系 计算机的效率没有本质的不同而且RISC更依赖于编译器的优化那么RISC体系和CISC体系究竟孰优孰劣？这是一个很难回答的问题RISC的赞成者认为，精简指令技术具有很大的竞争能力，而且是从体系结构进行突破 的唯一途径而CISC的赞成者则认为,CISC有其牢固的市场和阵地，并且技术已经发展得 相当成功，所以RISC不可能替代CISC,而且RISC技术的基本特征是采用逻辑硬布线， 这个逻辑硬布线现在还没有规则、方法事实上，由于RISC体系和CISC体系的优势具有互补性，CISC体系与RISC体系正朝着 互相取长补短相互靠拢的方向发展正是由于CISC技术与RISC技术的相互融合，目 前，导致它们之间的界限日益消失具体表现在现代RISC已经不再属于原始的RISC构架，主要变化如下：2. 3. 1超标量执行极大地减少CPI,坚持了 RISC的精神它是现代CPU都拥有的技术，包括CISC在内 超标量使用特殊的算法来动态地按时序执行并行指令，增加了处理器的复杂性。

2. 3. 2分支预测分支预测约在1981年提出，在芯片内部加入了复杂的硬件，目的是增加分支执行的效 率2. 3. 3附加指令附加指令不符合RISC原则，但实际上，G3的指令比奔腾2多，MAC用户仍然坚持这是 纯RISC芯片，因为他们认为RISC是优秀的代名词，而与之对比的奔腾2是纯CISC芯片, 代表看较差的性能当前的所谓RISC构架，如G3> MIPS, SPARC,他们的指令没有特殊用 途，使用率较高，周期时间很短，但指令数目增加了2. 3.4片内浮点和向量处理单元增加SIMD和浮点执行单元后，指令数和执行周期没有减少太多2. 3. 5乱序执行乱序执行是现代处理器常用策略，但它与RISC的根本法则直接相抵触，把复杂性又重 新移回了硬件方面通过重排序指令和执行来优化代码，增加了管道的深度和执行周期， 占用了大量的硬件资源乱序执行不仅使硬件更复杂，还简化了编译器的工作，编译器再 也不用为代码排序和检查操心因此，可以认为RISC不是一个特殊技术，而是计算机设计的策略方向；RISC的发明与 CISC的思想相反；RISC和CISC两个术语不适合当今的处理器时代，因为两极分化已经基 本结束，每个框架均有独特的优点。

3. 计算机体系结构的发展方向近十几年来，计算机技术得到迅猛发展和普及，使得从事各种技术工作的人员对计算机 的了解普遍加深但由于技术层次的多面性和应用的差异性，特别是发展的迅猛和不均匀 所带来的迷惑性，使人们不易看清某个方面的具体发展现状计算机体系结构是设计计算 机应用系统的一个重要参考因素，是一个近来较受关注的话题根据目前计算机体系结构 的发展状况来看，未来一段时间，计算机体系结构将向以下几个方向发展：3. 1VLIW 体系VLIW指的是一种指令集设计思想与技术，它利用编译器把若干个简单的、无相互依赖 的操作压缩到同一个很长的指令字中当超长指令字被从Cache或主存取进处理器时，可 以容易地分割出各个操作，并一次性分别分派到多个独立的执行单元中并行执行3. 2单芯片多处理器体系单芯片多处理器是随着VLSI工艺水平的提高自然会想到的一个方向在0. 25mm工艺 下，单片可以集成20个21064 (32kCache)；在2010年将实现的0. 07mm工艺下，单片 可以集成60个21064水平的微处理器不远的将来，现今的SMP系统可以完全集成在一 个芯片内，其性能提高显然是诱人的3. 3多线程体系多线程技术结合了指令级现场交换和顺序调度技术，是数据流模型和冯〃诺伊曼控制流 模型的有机结合。

简单地说，线程是一组静态排序的指令序列，其中，当第一条指令开始 执行，后续指令即开始执行而不中断线程作为执行调度的基本单位，多个线程可以并发 (并行)执行，以达到互相隐藏延迟操作和提高并行度的效果4. 小结从目前计算机体系发展来看，CISC体系与RISC体系的界限日益模糊，它们代表看两种 思想而不是技术冯〃诺伊曼体系结构构成了现代计算机实现的基础，而其局限性已经成 为现代计算机发展的障碍可以预见VLIW体系、多线程体系等必将成为计算机发展的重 要方向计算机的发展日新月异，计算机结构与微处理器的变化更是层出不穷，其带给人们的是 科技更加进步"社会更加向前发展了解计算机技术的发展趋势，适当掌握一些实用技术 对开发利用计算机大有益处随看新技术的不断应用和计算机的不断升级换代，人们所 能利用的工具越来越先进，接触的新技术越来越多，人们的视野会越来越宽阔，信息处理, 检索将越来越方便换句话说，在计算机各个不同侧面，不断推出的优化结构体系和新技 术将会使计算机整体性能持续提高，而诸如超频，超线程等计算机应用技术将会不断给人们 的工作和生活带来新的体验。