计算机体系结构的技术问题

摘 要：本论文简要介绍了计算机的发展现状,然后对比了两种不同的体系结构,比较了这两种体系结构中存在的问题,进而提出计算机体系结构的发展趋势.[1]

关 键 词：计算机体系结构；冯诺依曼；RISC；CISC

中图分类号：TP303

计算机的发展大体上可以分为两个阶段,这两个阶段分别是：串行阶段以及并行阶段.所谓并行计算机,是在串行计算的基础上,使得许多组处理单元相互协调、相互调度来完成数据以及计算等处理的方式.基于冯诺依曼的计算机体系结构可以分成CISC的体系结构以及基于RISC的体系结构.

1计算机体系结构的现状

人们的沟通以及工作的效率因为计算机技术的发展得到了很大程度上的提高.在现代的微处理器中,大体上可以将其体系结构分成两大类,这两大类分别是：基于CISC的体系结构以及基于RISC的体系结构.基于CISC的体系的芯片有x86（intel）；基于RISC的体系的芯片有powerpc、sparc等等.无论是哪一种结构,人们在设计芯片的时候,都会注重以下几个方面的问题：

（1）计算机最重要的功能就是在处理数据等方面,所以计算机的计算处理速度是计算机性能的一个非常重要的指标.计算机的体系结构会在很大程度上决定计算机的处理速度,当然处理速度还与许多其它因素有关：硬件结构、制作工艺等等.对于RISC,其处理速度很快,这是因为它采用的是流水线技术,同时能够直接完成指令的硬件译码；对于CISC,由于其硬件本身的复杂度就足够高,因此也就表明会有更高的处理速度[2].

（2）CISC能够支持比较高级的计算机语言,而RISC却只能够支持一些精简指令集以及它们的组合.但是这并不意味着RISC没有优势,其能够通过对高级语言的优化编译,实现对高级语言的支持.

对于以上描述的两个目标,人们普遍希望计算机的运算速度越高越好,同时更加希望计算机能够直接支持高级语言,从而使得人们开发计算机相应软件时更加方便快捷.

2两种体系结构比较

2.1二者具有不同的实现方式.两者的实现方式是不一样的.对于CISC来说,采用的存储结构是比较易于实现的数据和指令合一的方式.采用这种存储结构的原因是CISC具有比较高级的指令语义,同时具有比较长的执行指令的周期.而对于RISC来说,其采用的存储结构是数据和指令相互分离的结构,这是因为其采取了逻辑的硬布线方式,同时对于指令的读取比较频繁[3].

2.2具有不同的编译器要求.如果时钟频率相同,同时失去编译器,那么RISC与CISC的体系结构的计算机的效率其实并没有差别.而且相对来说,RISC体系结构更加需要编译器对指令的优化.CISC具有很大的市场,同时技术的发展也已经相当成熟.RISC体系结构并不能够直接取代CISC的体系结构.固然,RISC体系结构具有很强的竞争力,但是其逻辑硬布线到目前为止并没有统一的规定.RISC也并不是传统意义上的概念,现代的RISC也具有很多明显的变化,主要表现在：具有分支预测的功能、能够超标量执行,同时还能够乱序执行指令[4].

2.3两种体系结构具有不同的设计思想.人们通常测量计算机执行速度的方法是测算执行程序的时间.如果我们想要提高计算机的执行速度,主要可以从以下几个方面来着手：（1）减小每个指令的执行周期；（2）要想提高计算机的运算速度,也可以提高某些指令的语义级别；（3）最重要的方法还是提高主频.相对来说,RISC体系结构的指令都比较简单,因此具有较低的指令语义.大部分的指令都是单周期,因此硬件逻辑实现十分方便,可以使用逻辑硬布线的方法.

3体系结构存在的相应问题

在近六十年来,世界各地的计算机科学家不断丰富和晚上计算机体系结构,成就了现代计算机.对于经典的冯诺依曼结构,主要有以下三点核心：存储模型、二进制以及在某一个特定时间只能够串行操作一个命令.

二进制这个体系已经成为计算机界的标杆,到目前为止基本上没有人能够突破这种二进制的体系结构.人们希望能够将存储模式改变一下,摆脱寄存器这一存储模式.但是,即使使用了很多技术以及先进的理论,这种设想都没有获得成功.人们希望计算机能够在某一操作的过程中,实现大量的并行计算操作,但是基于冯诺依曼的串行处理机制仍然没有得到解决.RISC以及CISC都属于冯诺依曼体系,因此它们都有各自固有的缺陷[5].

4计算机体系结构发展趋势

4.1多线程体系.所谓的多线程技术,是一种结合了冯诺依曼的控制流模型以及数据流模型的新兴技术.它能够进行现场的指令级交换以及顺序调度.一般说来,在线程中,如果其中一条指令执行,那么相应后面的指令都会相继执行.线程可以成为计算机中调度执行的基本步骤,同时计算机中可以同时并发运行许多个线程.这样做的好处是：提高了并行度的效果,同时又能够相互隐藏延迟的操作.多线程有着许多优点,同时也有一些不足之处.它的优点是能够在很大程度上提高整个处理器的利用效率,在整体上使计算机的性能提高到一个新的档次.多线程技术能够很好地隐藏几乎所有的延迟,这是诸如分支预测错误延迟技术等其它技术所不具备的.因此,多线程技术能够在计算机微处理器的结构中具有很高的应用价值.但是为了实现多线程技术,就需要很多的硬件同时并行操作,这种硬件的资源损耗十分巨大[6].

4.2VLIW体系.所谓VLIW体系,能够通过编译器将许多不同的、相互之间无依赖的操作缩减到一个长指令字中.VLIW体系域超标量有许多相同的地方.超标量能够突破flynn的难题,而VLIW也同样可以.它们两者的不同点是在何处处理好执行多个操作时产生的指令相关问题.对于这个问题,超标量的RISC处理器的调度方案留给芯片,VLIW体系的微处理器将工作交给编译器来决定.从某种意义上来看,VLIW可以是一种特殊的超标量技术,它是基于编译器或者是软件的.VLIW体系结构进行指令并行化的方法是静态调度相应的执行代码.VLIW体系的微处理器具备的这种调度方法,具有许多优点：它能够大大简化硬件的复杂度,同时能够使得处理器功能变强结构变得简单.硬件简单的另一个好处是能够使得时钟具有很大的增长速度.

4.3单芯片多处理器体系.随着VLSI等工艺水平的不断提高,人们自然会想到制作单芯片的多处理器体系.在不同的制作工艺水平下,单芯片上能够集成的晶体管的个数是不一样的.这种集成个数会随着其制作工艺水平的提高而急剧提高.单芯片的多处理器体系的很大的优势就是其制作非常简单,同时具有较好的伸缩性.其它处理器结构对很多方面都有要求,但是它对单处理器的结构并没有特别的要求.因而具有很大的发展前景,是一种很好的技术.

5结束语

目前计算机的发展十分迅速,已经在各个方面彻底改变了现代人们的生活方式和工作方式.人们的沟通以及工作的效率得到了很大程度上的提高.在现代的微处理器中,大体上可以将其体系结构分成两大类,这两大类分别是：基于CISC的体系结构以及基于RISC的体系结构.本论文简要介绍了计算机的发展现状,然后对比了两种不同的体系结构,比较了这两种体系结构中存在的问题,进而提出计算机体系结构的发展趋势.

[2]卢凯,胡湘华.高性能计算机的系统分区技术研究[J].计算机科学,2004（31）：179-182.

[3]黄铠,徐志伟.可扩展并行计算技术[M].北京：机械工业出版社,2000.

[4]李根国,桂亚东,刘欣.浅谈高性能计算的地位及应用[J].计算机应用与软件,2006（23）：3-5.

[5]姚爱红,张国印,关琳.基于动态可重构FPGA的自演化硬件概述[J].智能系统学报,2008（05）：437-441.

[6]薛小菁,余立民.可重构和多核技术对嵌入式系统设计的影响[J].计算机工程,2008（B09）：19-21.

作者单位：华中科技大学文华学院,武汉430074