精品]计算机体系结构学科发展简介
计算机体系结构的发展
计算机体系结构的发展计算机体系结构是指计算机硬件与软件之间的接口和相互关系。
它涉及到计算机的组织、设计和实现等方面，是计算机科学和工程领域的重要基础知识之一。
随着计算机技术的不断发展，计算机体系结构也在不断演进和改进。
本文将从计算机体系结构的发展历程、影响因素以及未来趋势等方面进行探讨。
计算机体系结构的发展可以追溯到早期的冯·诺依曼体系结构。
冯·诺依曼体系结构是一种将计算机硬件和软件分离的设计思想，它将计算机的指令和数据存储在同一存储器中，并通过控制器和运算器来执行程序。
这种体系结构的优点是简单、易于实现，成为了现代计算机的基础。
随着计算机技术的发展，计算机体系结构也在不断演进。
在20世纪50年代和60年代，随着集成电路技术的进步，计算机体系结构逐渐向着更加复杂、功能更强大的方向发展。
此时的计算机采用了更高级的指令集和更复杂的微程序控制方式，提高了计算机的性能和可编程能力。
在20世纪80年代和90年代，随着个人计算机的普及和互联网的兴起，计算机体系结构也发生了重大变革。
此时的计算机采用了更加高效的处理器架构和更大容量的存储器，从而实现了更快的计算速度和更大的存储空间。
同时，计算机体系结构也开始关注能耗和功耗的问题，提出了一系列节能的设计思想和技术。
近年来，随着人工智能、物联网和大数据等新兴技术的兴起，计算机体系结构也面临着新的挑战和机遇。
为了满足对计算能力和存储能力的需求，计算机体系结构发展出了一系列新的架构，如多核处理器、图形处理器和云计算等。
这些新的架构不仅提高了计算机的性能和可扩展性，也为新兴应用领域提供了更好的支持。
计算机体系结构的发展受到多方面的影响，包括技术、应用和经济等因素。
技术因素是推动计算机体系结构发展的重要驱动力之一。
随着半导体技术、集成电路技术和通信技术的不断进步，计算机体系结构得以不断创新和优化。
应用因素是另一个重要影响因素，计算机体系结构需要根据具体应用场景的需求进行调整和优化。
计算机体系结构的发展与演变
计算机体系结构的发展与演变计算机体系结构是指计算机硬件与软件之间的接口，是计算机的基本构架和组织方式。
随着科技的不断进步和需求的不断增长，计算机体系结构也在不断发展与演变。
本文将从历史角度出发，简要介绍计算机体系结构的发展与演变。
一、早期计算机体系结构在上世纪四十年代，计算机的出现还处于早期阶段。
当时计算机体系结构主要以冯·诺依曼体系结构为主，即计算机内部的存储器用于存放指令和数据，通过控制器和运算器进行运算处理。
这种体系结构虽然简单，但具备了基本的计算功能，为计算机的后续发展奠定了基础。
二、精简指令集（RISC）体系结构随着计算机应用领域的不断扩大，人们对计算机性能的要求越来越高。
于是，在上世纪七十年代末期，精简指令集（RISC）体系结构应运而生。
RISC体系结构强调精简指令集，通过增加硬件功能来提高计算机的性能。
相较于冯·诺依曼体系结构，RISC体系结构具有更高的执行速度和更高的吞吐量，因此逐渐成为主流。
三、复杂指令集（CISC）体系结构然而，RISC体系结构的成功并不代表着冯·诺依曼体系结构的消失。
事实上，在上世纪八十年代，复杂指令集（CISC）体系结构再度崛起。
CISC体系结构注重指令集的复杂性，将更多的功能集成到指令中，从而减少指令数量，简化程序设计，提高了编程效率。
CISC体系结构适用于一些复杂的应用场景，如图形处理、语音识别等。
四、多核体系结构随着科技的不断发展，单核处理器已经无法满足日益增长的计算需求。
为此，多核体系结构应运而生。
多核体系结构指的是在一颗芯片上集成多个处理核心，以增加系统的运算速度和处理能力。
多核体系结构具有更好的并行处理能力，可以同时执行多个任务，提高了计算机的整体性能。
五、异构体系结构近年来，随着人工智能、深度学习等技术的兴起，对计算机性能的要求更加迫切。
异构体系结构应运而生，该体系结构通过集成不同类型的处理器核心，如中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）、神经网络处理器（NPU）等，以满足不同应用场景的需求。
计算机体系结构的发展与趋势
计算机体系结构的发展与趋势计算机体系结构是计算机系统的基础架构，它定义了计算机硬件和软件的设计方案。
它决定了计算机系统的性能、可靠性、可扩展性和成本。
随着信息技术的发展，计算机体系结构也在不断地变化和更新。
本文将探讨计算机体系结构的发展历程和未来的趋势。
1. 单处理器时代早期的计算机系统采用单处理器结构，即计算机中只有一个中央处理器（CPU）来处理所有的任务。
CPU是整个计算机系统的核心，它执行指令、控制数据流和管理系统资源。
单处理器结构的计算机系统主要用于科学计算和数据处理，它们的性能和可靠性较低，应用场景有限。
2. 多处理器时代随着计算机技术的进步，多处理器系统逐渐出现。
多处理器系统是指一台计算机中拥有多个处理器，它们可以同时处理多个任务，提高计算机系统的性能和可靠性。
多处理器系统有两种架构模式：对称多处理（SMP）和非对称多处理（ASMP）。
SMP系统中所有的处理器都共享系统资源，它们之间没有主从关系。
ASMP系统中有一个主处理器和多个从处理器，主处理器控制整个系统、调度任务和管理系统资源，从处理器负责执行任务。
多处理器系统可以分为两种类型：紧耦合（CC-NUMA）和松耦合（SC-NUMA）。
CC-NUMA系统中处理器、内存和I/O设备直接连接在同一总线上，系统吞吐量较高。
SC-NUMA系统中各个处理器、内存和I/O设备通过网络相互连接，系统扩展性较好。
3. 分布式计算时代分布式计算是指在多个计算机之间分配任务、共享资源和协同工作，实现计算机系统的集群化和分布式。
分布式计算将多个计算机集成到一个大型计算机系统中，具有强大的计算能力和扩展性。
分布式计算系统可以由多台计算机组成，这些计算机之间可以通过网络进行通信和数据共享。
分布式计算是互联网技术的基础，它在大数据处理、科学计算、人工智能等领域得到广泛应用。
分布式计算系统的体系结构复杂，需要高度的管理和维护，其中包括负载均衡、故障恢复、数据管理等方面的问题。
计算机体系结构的演化与发展
计算机体系结构的演化与发展计算机体系结构是指计算机系统中各个组成部分之间相互连接和组织的方式。
随着科技的不断进步和计算机应用领域的不断拓展，计算机体系结构也在不断演化和发展。
本文将从早期计算机到现代计算机体系结构的演化过程进行探讨。
一、早期计算机体系结构的演化早期计算机体系结构的发展主要是在二十世纪40年代-60年代。
这个时期出现的计算机体系结构主要是基于电子管技术的机器。
电子管技术的特点决定了早期计算机的规模较大、功耗较高以及可靠性较低。
在这个时期，计算机体系结构主要采用的是冯·诺依曼体系结构，即由中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）、存储器、输入输出设备和控制单元组成的结构。
这种结构的计算机由于还不能进行多任务处理和并行计算，因此计算速度相对较慢。
二、现代计算机体系结构的演化随着半导体技术的发展和集成电路的出现，使得计算机体系结构得到了革命性的变革。
现代计算机体系结构的演化主要是在20世纪70年代-至今。
这个时期出现了微处理器和大规模集成电路，使得计算机变得更加小型化、高效化和可靠化。
1. 单处理器体系结构20世纪70-80年代，计算机体系结构仍然以单处理器为主。
单处理器体系结构是指计算机系统中只有一个处理器负责执行指令的体系结构。
这个时期出现了基于精简指令集（Reduced Instruction Set Computing，简称RISC）的计算机体系结构。
RISC体系结构相对于复杂指令集（Complex Instruction Set Computing，简称CISC）有着更简化的指令集和运算方式，能够提高计算机的执行效率。
2. 对称多处理器体系结构进入90年代，随着处理器技术的进一步发展，计算机体系结构开始出现了对称多处理器（Symmetric Multi-Processor，简称SMP）体系结构。
对称多处理器体系结构是指计算机系统中有多个处理器同时工作，共同处理任务的体系结构。
计算机体系结构学科发展简介
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
2．流水线技术
简介：流水线是一种多条指令重叠执行的实现 技术
这是理想流水线的性能：达到每一个时钟周期 可以完成一条指令
与指令串行执行相比较，速度提高5倍
流水线的竞争
实际流水线不可能像上述理想流水线那 样完美
存在三种流水线竞争
结构竞争：由硬件资源不足造成流水线停顿 数据竞争：由前后指令之间存在数据相关性
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
（CPU）时间 IC——代码的指令条数（Instruction Comt），
与指令集设计编译器的优化有关 CPI——平均执行每条指令的时钟周期数，与
指令集设计、体系结构等技术有关 CC——时钟周期（Clock Cyde）与计算机组成，
IC工艺等技术有关
缩短CPI成为缩短CPUtime 的主要技术途径
指令多发射处理器有两类：
超标量处理器（Superscalar precessors） 超长指令字处理器（VLIW-very
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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
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（成熟超级计算机）
➢ 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
1、计算机性能高速发展及其原因
1Hale Waihona Puke 46年第一台通用电子计算机ENIAS诞生至今 仅56年——每秒5000次运算加法
计算机技术以惊人速度发展，并将继续高速发 展
1980年百万美元机器的性能比不上今年<1千美 元的机器
今天最高性能的微处理器超过10年前的超级计 算机
➢ 如用于高端网络交换机和最新电子游戏机的微处理 器速度可达每秒10亿次运算
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
四、Cache技术
1．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
计算机体系结构的发展历程
计算机体系结构的发展历程计算机体系结构是指计算机中各个组成部分的组织方式和相互连接关系，它决定了计算机的功能和性能。
随着计算机技术的不断发展，计算机体系结构也经历了多次演进和革新。
本文将为您介绍计算机体系结构的发展历程，从最早的冯·诺依曼体系结构到现代的并行计算体系结构。
一、冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是现代计算机体系结构的鼻祖，由冯·诺依曼于1945年提出。
其主要特点是将数据和指令以同等地位存储在存储器中，通过控制器和运算器的协作来实现计算机的运算功能。
冯·诺依曼体系结构由五个基本部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
二、批处理计算机随着计算机技术的发展，人们对计算机的应用需求也越来越高。
在20世纪50年代和60年代，批处理计算机开始出现，采用了批处理方式进行运算。
批处理计算机顺序地执行一系列任务，无需人工干预。
该体系结构采用分时操作系统，将计算机资源合理分配给多个用户，提高了计算机的利用率。
三、指令流水线指令流水线是20世纪60年代末和70年代初提出的一种计算机体系结构，旨在提高计算机运算速度。
它将指令的执行分为多个步骤，并行地执行不同的指令步骤，从而实现多条指令的同时执行。
指令流水线大大提高了计算机的运算效率，广泛应用于各个领域。
四、超标量和超长指令字超标量和超长指令字是为了进一步提高计算机的性能而提出的两种计算机体系结构。
超标量体系结构通过增加硬件资源提高指令并行度，实现多条指令的同时执行。
超长指令字体系结构通过将多条指令打包成一条长指令，在一次指令的执行过程中完成多条指令的操作，从而提高计算机的指令级并行度。
五、并行计算体系结构随着计算机应用对计算能力的需求不断增加，并行计算成为了计算机体系结构的一个重要发展方向。
并行计算体系结构将计算任务分为多个子任务，由多个处理器并行地执行，从而提高计算机的运算速度。
并行计算体系结构广泛应用于高性能计算、人工智能等领域。
计算机体系结构的发展历程
计算机体系结构的发展历程计算机体系结构是现代计算机科学的重要组成部分，它涵盖了计算机硬件和软件之间的结构和交互。
计算机体系结构的发展历程经历了多个阶段，从最早的冯·诺依曼体系结构到如今的并行计算和云计算体系结构，每个阶段都对计算机的演进起到了重要的推动作用。
1. 冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是现代计算机体系结构的起源，它由影响深远的数学家冯·诺依曼于20世纪40年代提出。
这种体系结构包括了存储器、运算器、控制器和输入输出设备，以及用于存储指令和数据的内存。
冯·诺依曼体系结构的重要特征是存储程序概念，即指令和数据存储在同一存储器中，通过程序控制计算机的操作。
这种体系结构的设计思想奠定了现代计算机的基础。
2. 提供并行计算的体系结构随着计算机技术的不断发展，人们开始意识到单一处理器的运算能力受限，因此提出了并行计算的概念。
并行计算体系结构通过使用多个处理器，同时进行计算任务的划分和执行，以提升计算速度和效率。
并行计算体系结构分为多处理器和多计算机体系结构。
多处理器体系结构指的是在一个计算机系统中同时使用多个处理器，共享内存和数据，实现任务之间的并行执行。
而多计算机体系结构则是将多个计算机连接在一起，通过网络进行通信和协作，实现并行计算的目标。
3. 云计算体系结构随着互联网的普及和计算能力的不断增强，云计算成为一种新的计算模式和体系结构。
云计算体系结构基于网络的分布式计算，提供了按需获得计算资源的能力。
云计算体系结构分为三个层次：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。
在云计算体系结构中，计算资源和应用程序不再局限于本地计算机，而是通过云平台提供商提供的网络服务进行访问和部署。
4. 新兴的体系结构除了上述提到的几种主要的计算机体系结构，还出现了一些新兴的体系结构，如量子计算机体系结构和神经网络计算机体系结构。
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石教英 浙江大学计算机学院计算机系统研究所
2002年11月
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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
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
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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。
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
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计算机的新分类
➢ 台式机 ➢ 服务器 ➢ 嵌入式计算机
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1、计算机性能高速发展及其原因
1946年第一台通用电子计算机ENIAS诞生至今 仅56年——每秒5000次运算加法
计算机技术以惊人速度发展，并将继续高速发 展
1980年百万美元机器的性能比不上今年<1千美 元的机器
今天最高性能的微处理器超过10年前的超级计 算机
➢ 如用于高端网络交换机和最新电子游戏机的微处理 器速度可达每秒10亿次运算
六、我国计算机体系结构研究进展
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一、计算机体系结构学科发展回顾
Computer Architecture定义 ➢应用机器语言的程序员为了能正确编 写时序无关的程序所必须了解的计算 机的结构。
简单讲：计算机体系结构是一门设计计 算机的学科，包括计算机的指令系统设 计，结构设计，实现技术，以及与系统 软件操作系统和编译器相关的技术。
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
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磁盘技术
它们分别面向不同应用，具有不同要求，采用 不同技术
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台式机、服务器、嵌入式系统特征对比
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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
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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
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
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四、Cache技术
1．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
微处理器芯片广泛应 用
RISC体系结构、Cache 等创新设计技术
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截止2001年微处理器性能增长率
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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
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
集成电路技术 半导体DRAM 磁盘技术 网络技术
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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%
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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
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
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2、计算机的分类
传统的计算机分类：
➢ 大型机、小型机、巨型机（成熟超级计算机）
➢ 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
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Fig1。4， p10
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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
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计算机性能高速发展原因
1.构建计算机的各种技术进步 2.计算机本身的创新设计技术的发展
技术进步—以稳定速度发展，主要指IC技术 创新设计—发展速度不稳定，有时快有时慢
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各年代的性能提高速率
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%
计算机组织设计
——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
性能优化技术
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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！！
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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。
基于微处理器的计算机成为计算机设计的主流 现状：
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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
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影响最大的四种关键技术