处理器架构 (一)发展历史

目前已存的指令集架构有4种:

复杂指令集运算(Complex Instruction Set Computing，CISC);

精简指令集运算(Reduced Instruction Set Computing，RISC) ;

显式并行指令集运算(Explicitly Parallel Instruction Computing，EPIC); // EPIC是Intel和HP从VLIW中发展出来的，目前好像只有Intel的IA-64架构下的纯64位微处理器的Itanium/Itanium 2采用EPIC。

超长指令字指令集运算(VLIW) // 基于VLIW研发的CPU架构主要用于早期的小型机，现在已基本消亡

// 目前比较流行的指令集只剩下:CISC和RISC

指令集架构历史发展

• cisc的发展及问题

CISC在20世纪90年代前被广泛的使用，其特点是通过存放在只读存储器中的微码(microcode)来控制整个处理器的运行。早期的计算机部件比较昂贵，主频低，运算速度慢。为了提高运算速度，人们不得不将越来越多的复杂指令加入到指令系统中，以提高计算机的处理效率。随着需求的不断增加，设计的指令越来越多，为支持这些新增的指令并保持兼容以前的指令，计算的体系结构越来越复杂。
然而，在CISC指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有20%的指令会被反复使用，占整个程序代码的80%。而余下的80%的指令却不经常使用，在程序设计中只占20%。

CISC:Intel和AMD的X86架构都是基于CISC，包括X86和X86-64。

• risc的萌芽及崛起

为改变这种状况，1980年Patterson和Ditzel 两位学者完成了一篇题为《精简指令集计算机概述》的开创性论文，全面提出了精简指令集的设计思想，随后，柏克来大学的研究生依照此理论基础，设计出了第一颗精简指令集处理器RISC I，这颗处理器远比当时已经相当流行的CISC处理器简单的多，在设计上所花费的功夫也降低许多，但整体功能上的表现却与CISC处理器不相上下。从此处理器设计方向便分别向着这两个大的方向发展。基于指令集的CPU架构。


RISC: 包括ARM架构、MIPS架构、IBM 的PowerPC架构、SUN 的 Ultra SPARC架构。

• EPIC 的 萌芽及消亡

IA－64架构是英特尔为了全面提高以前IA－32位处理器的运算性能，是Intel和Hp共同开发了6年的64位CPU架构，是专为服务器市场开发的一种全新的处理器架构，它放弃了以前的x86架构，认为它严重阻碍了处理器的性能提高。它的最初应用是英特尔的Itanium（安腾）系列服务器处理器，2009年最新的Itanium 2系列处理器也是采用这一架构的。由于它不能很好地解决与以前32位应用程序的兼容，所以应用受到较大的限制，尽管目前Intel采取了各种软、硬方法来弥补这一不足，但随着AMD Operon处理器的全面投入，Intel的IA－64架构的这两款处理器前景不容乐观。


x86指令本身属于CISC体系，IA64具有部分RISC和CISC特性所以一般被独立看待

冯诺依曼结构

1946年,冯诺依曼提出了存储程序计算机.70多年来,计算机结果一直没有与这个概念有根本性变化
冯诺依曼计算机的组成
	运算器
	控制器
	存储器
	输入输出设备

指令 是由 操作码和 地址码 组成的
	操作码是 运算器告诉计算机做什么样的工作(工作内容由控制器完成)
	地址码 是 告诉运算器对谁完成工作

计算机的执行过程
	分解程序,得到指令流.
	然后由指令流形成对四个部分的控制流
	然后运算器进行加工,形成数据流

	周而复始的产生这些控制流和数据流,最终产生结果

指令的操作分解
	取指令->指令译码->取操作数->运算->结果写回->取指令....


	取指令: 上一条指令结束,从存储器中取指令到运算器中.
	译码: 1.分解指令操作(确定操作内容) 2.确定操作对象(操作数)所在位置(寄存器,存储器,输出输出设备)
	取操作数: 将操作数取到运算器中.
	运算: 运算器按照 指令操作内容 对 运算器中的操作数进行运算.
	结果写回: 运算结束后,将结果写回到指定位置(寄存器,存储器,输出输出设备),准备 做下一条指令

计算机架构发展历史

		系列机
			相同的指令集架构,具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器
		兼容机:
			不同厂家设计的具有相同相同体系结构的计算机

		系列机特点:兼容
			向前向后:
				时间流比较靠前的软件可以在时间流比较靠后的硬件上运行
			向上向下:
				当前时间的软件可以在较高配置的硬件,或者较低配置的硬件上运行.
		体系结构的发展
			计算机分代和分型
				按照器件对计算机分代,在不同的 代系 引出了不同的	体系结构概念 (指令集,组成,实现)
					指令集 : 寻址技术,向量处理
					组成   : 流水线,cache,并行处理
					实现   : 多层印刷电路板 高密度大规模继承电路
				计算机 性能和技术的 下移
			软件发展
				计算机语言和编译技术
				操作系统
				软件工具和中间件
			应用发展
				桌面计算
				服务器市场
				嵌入式计算
			集成电路发展
			体系结构发展
				分布的IO处理能力

				保护的存储器空间
				存储器组织结构的发展
				并行处理技术
					概念
						1.指令级
						2.线程级
						3.任务级
					提高并行性的途径
						1.时间重叠
						2.资源重复
						3.资源共享
				指令集发展