浙江工商大学计算机体系结构第1章 计算机体系结构概述PPT课件

晶体管密度：由于芯片上单位面积晶体管数目由 单个晶体管表面积大小决定，所以晶体管密度 与特征尺寸大小的平方成反比
与晶体管性能改进相比，连线延迟改进空间更大
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1.5 集成电路功耗的发展趋势
器件升级会对功耗产生影响 动态功率：主要能耗来自开关晶体管 动态功率计算：与电容电压频率有关
移动设备关注电池寿命，用能量单位度量：
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1.3 计算机系统结构定义
2）存储器寻址 使用字节形式访问存储器中的操作数
3）寻址方式 寻址方式需要明确指出操作数的地址（特殊寄存器和 常量除外），有多种方式寻址，如寄存器寻址、立即数 寻址、相对寻址和变址寻址等
4） 操作数类型及大小 操作数大小有8位（ASCII码）、16位（unicode码或 半字）、32位（整型或字）和64位（长整型或双字）
带宽的提高速度明显优于时延的提高速度（P10 图1.8），带宽有了1000-2000倍的提高，时 延则改进20-40倍，经验法则是带宽的提高速 度至少相当于时延改进速度的平方

1.4 实现技术的发展趋势
晶体管性能与连线的规模
特征尺寸：表征集成电路的加工工艺，是晶体管 或连线在x或y方向上的最小尺寸，从1971年 到2006年，特征尺寸从10微米降到0.09微米
由于电容不变，电压的平方和频率之比为：
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1.4 实现技术的发展趋势
4）网络实现技术 交换和传输的性能决定了网络的性能，网络的发展趋势 参考附录E
以上四种技术的快速发展，可使计算机设计 的生存周期延长至5年或更长
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1.4 实现技术的发展趋势
性能的发展趋势：带宽优于时延
带宽或吞吐量：给定的时间内完成的工作总量 时延或响应时间：从事件开始到完成所需要的时间
7）ISA的编码 分固定长度和可变长度两种类型，所有的MIPS指令都 是32位长度的，简化了指令的译码
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1.3 计算机系统结构定义
其他方面：设计满足目标和功能要求的组成和硬 件
实现包括两部分内容：组成和硬件 组成：涵盖计算机设计的更高层次，如存储系统、存储器互
连以及CPU（实现算术、逻辑、转移和数据传输指令） 硬件：是一台计算机的具体实现技术，包括逻辑设计和封装
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1.3 计算机系统结构定义
5）操作指令（P7 图1.5） 操作指令分为数据传输指令、算术逻辑运算指令、控 制指令以及浮点数操作指令，无互锁流水级微处理器（ MIPS）代表了2006年流行是RISC系统结构，是一种 简单且易于实现流水的指令集系统结构。
6）控制流指令 支持条件转移指令、无条件跳转指令、程序调用和返回 指令
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1.2 计算机的分类
嵌入式计算机
增长最快，智能设备随处可见，其处理能力和价格覆 盖范围很广。 嵌入式应用的特点 ： 1）实时性
如数字机顶盒，视频帧处理时间必须有限 2）最小化存储器需求
涉及到代码量大小问题 3）最小化功耗需求
优化功耗同样重要
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1.3 计算机系统结构定义
定义
早期的计算机系统结构通常是指指令系统设 计，计算机设计的其他方面则称为实现 这种定义忽视了计算机实现技术面临的挑战 回顾：指令集系统结构
技术
系统结构最终定义：包含计算机设计的三个 方面---指令集系统结构、组成和硬件
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1.4 实现技术的发展趋势
以下四种实现技术对计算机的发展最为重要： 1）集成电路技术
晶体管密度以每年35%的速度增长，四年翻两番，芯 片尺寸每年增长15%左右，使得每个芯片上晶体管数 目以每年50%左右速度增加。 2）DRAM（动态随机存取存储器） 容量每年增长40%，每两年翻一番 3）磁盘技术 1990年以前，每三年翻一番，此后提高到每年60% ，2004年以后又回落到每年30%
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1.5 集成电路功耗的发展趋势
电压降低：可以在很大程度上减少动态功率 和能耗，在过去的20年中，电压从5V降 低到接近1V的水平。
电容性负载：由连接到输出的晶体管数目以 及决定电线和晶体管电容的实现技术确定
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1.5 集成电路功耗的发展趋势
例子：目前一些微处理器采用可调整电压技 术，当电压下降15%时，频率也会下降 15%，这对动态功率有何影响？
计算机体系结构
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第1章 计算机设计基本原理
1.1 简介 计算机技术在近60年时间内性能飞速发展 前25年： 以 25%/年 速度增长 70年代末：以35%/年 速度增长 80年代初：精简指令集计算机(RISC)出现， 使得计算机性能每年以超过50%速度 增长。
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1.1 简介
RISC（Ruduced Instruction Set Computer）
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1.1 简介
本课程特色 主要从系统结构的角度和编译器的改进方面 来定量分析计算机系统性能在20世纪快速增 长的原因，此外，还关注面临的挑战及潜在 的方法和技术。
核心内容：计算机量化研究方法对程序的观 察实验和模拟
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1.2 计算机的分类
桌面计算机
占有市场最大份额，从低端到高端不等，性 价比是设计者关注的焦点，桌面计算机是最 新、最高性能微处理器和低成本微处理器最 先应用的领域
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1.2 计算机的分类
服务器
提供更大规模及更可靠文件与计算服务，万维网的出 现加速了这种服务 服务器注重以下特性： 1）可靠性 最关键，必须保证长期运转，不能出现故障，否则后果 很严重，会造成重大经济损失（P4 图1.3） 2）可扩展性 随服务需求或功能需求能随之扩展 3）吞吐量 单位时间处理的事务数要越多越好
诞生于80年代初期，关注两种关键的实现 技术：指令级并行和Cache的使用
指令级并行：流水线多发射指令 Cache：高速缓存，简单组织复杂结构及优
化
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1.1 简介
自2002年始，性能增长率降到每年20%的 水平（P2 图1.1）
原因：1）风冷芯片的最大功耗 2）指令级并行发掘近极限 3）存储器时延无法再降低
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1.3 计算机系统结构定义
指令集系统结构
指令集系统结构（ISA，Instruction Set Architecture）指的是可见的实际指令系统， ISA作 用相当于硬件和软件之间的分界
包含以下内容：
1）ISA分类 归类为通用寄存器系统结构，其操作数是寄存器或
者存储器地址，16/32位通用寄存器或浮点寄存器