计算机体系结构的研究重点与发展方向分析【摘要】：本文首先简要说明了现代计算机的两种主要体系结构CISC 体系和RISC 体系，指出了基于冯·诺伊曼体系结构的现代计算机体系存在的问题及研究重点，并展望了未来计算机体系的发展方向。

【关键词】：体系结构；CIST 体系；RISC 体系一、引言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。

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。

而随着计算机应用的普及，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。

为了消除这些不协调，未来计算机体系结构将会向什么方向发展呢?本文将对这些问题进行阐述和说明。

二、两种主要的计算机体系结构说明当今的计算机体系结构，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、POWERPC、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．面向应用（软件）描述方面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．面向应用处理方面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。

在过去的20 年里，RISC 技术不断发展，逐渐取代C1SC成为工作站和服务器的主流技术。

RISC 计算机以超标量、流水线、乱序执行、预取指令/数据、分支预测和指令取消等硬件技术和相应的基于编译器的优化技术为核心，利用指令级并行，在高端工作站和服务器领域占据了绝对的统治地位。

三、当前计算机体系结构存在的问题60 多年来，冯·诺伊曼体系结构为世界众多的科学家精心地构造，从而创造了今天的计算机世界。

冯·诺伊曼的伟大发明，其核心有三点：（1）二进制；（2）存储模型；（3）一个时刻只有一个操作的串行机制。

虽然在计算机界，众多的国家专家在研究多值理论，但至今几乎没有突破二进制的体系。

人们利用了很多存储管理的软件技术和方法，力图将一维的存储模型改为二维的，但仍然没有逃出冯氏存储模型和寄存器存储的结构，使得在串行机制上进行新的突破将十分困难。

主要表现在：1．操作瓶颈制约因为冯·诺伊曼体系结构本质包括串行性、顺序性的控制机理。

对数据相关和资源的控制和仲裁均是人为决定。

因此构成了时间和空间的极大开销，造成冯氏数据流的拥塞，即为大家熟知的冯·诺伊曼瓶颈问题。

2．算法的制约冯氏体系的很大贡献在于将所有应用问题建立在四则运算和逻辑运算的组合算法，并以寄存器为基本模型的存储体系上，但它在基本操作控制上仍是一种串行机制，不具备构造一个并行算法的基础。

在串行的模型上去建立并行算法，必定会带来本质的困难和效率的损失。

3．存储模型的制约存储模型在冯·诺伊曼体系结构当中是一种被动式的访问机制，不能真正体现人类在并行操作行为中经常反映的无破坏性操作和平等交互赋值运行的需求，因此冯·诺伊曼的存储模型结构仅能在运行时以空间为代价进行复制或以时间为代价进行选择来替代这种制约。

当前，计算机求解一般过程如图 1 所示，而以上三大制约的存在，严重阻碍了计算机的处理速度及信息处理能力。

图1 计算机问题求解过程图由图 1 可见：计算机在求解时，经过时间往往多于求解时间几个数量级，如果以上三大制约瓶颈消除了，我们就可用更简捷的方式求解同样规模的问题，也就是在较短时间或较少空间内求解，最大发挥计算机的潜力。

然而，现有计算机体系结构，无论是CISC 体系还是RISC 体系，它们本质上都属于冯·诺伊曼体系结构范畴，只是在指令界面的特征上有所区别而已，难以消除以上制约，因此它们的固有缺陷再所难免。

四、计算机体系结构的研究重点1．对并行体系结构的研究众所周知，在计算机领域中，并行是实现计算能力突破的根本手段。

由于与并行体系结构相对的是当前使用的串行结构，串行结构上的效率提升始终不是无限制的，而在嵌入式领域中，专用的并行结构在当前的技术条件下提升性能和功耗效率已经达到10-1000 倍。

所以，现在不少商业通用处理器在生产上已经倾向于转向多处理器体系结构，或者CMP，或者SMT，或者二者兼而有之，而不是仅仅只试图提高单一处理器的IPC，这是一个很大的转变。

然而，并行应用程序的开发是一个缓慢而且费心的过程。

只有那些有巨大的计算需求或者有严格的预算和功耗限制的人才会去开发。

虽然目前很多关于并行编译器和软件开发工具的研究会对设计可用的并行系统有益，但是只有为并行软件设计出更好的并行系统，才是关键所在。

一些早期的研究为新的并行体系结构作了尝试。

原始的数据流结构由于只关注并行而忽略局部性和可预测性而最终导致失败，但它确实又提供了一个真实的并行结构例子。

后来人们又在数据流的思想上进行了局部性方面的研究，但这方面的工作进行的还远远不够。

像数据流、缓存及前瞻技术的各种组合都值得深入研究。

2．对功耗敏感的体系结构进行研究假如计算机性能和容量能够以过去的速度继续增长，对于功耗敏感的体系结构的研究是十分重要的。

对于功耗敏感的体系结构，静态和动态功耗方面的考虑已成为处理器设计过程中最大的限制。

尽管计算机工作者对于“动态可调整结构”的研究进行了很多的工作，但他们取得的性能收益正逐渐递减，并且它的复杂性使其难以应用到系统的大部分部件中去。

由于它是以指数级形式上升的，设计先进体系结构和嵌入式应用要时刻考虑功耗问题，这是很重要的。

并且功耗问题和可靠性问题之间的关系非常密切，一定要一同考虑。

3．设计能够高效开发显示并行的结构新结构性能的提升主要来源于开发更多的并行，因为流水线深度和时钟速率有局限性。

显示并行的方法能够用于提高那些易提取并行性代码的性能。

这方面存在很多的挑战，例如：确定片上该集成何种机制能够提高这部分代码的可扩展性：确定CMP 中PE 的最佳粒度：要扩大那些能够有效地运行在并行结构上的代码类型；找到有效的方法来消除引脚接口的瓶颈。

目前引脚接口的瓶颈已经成为影响性能的一大因素，因为引脚数增长的速度要远远小于片上可集成的晶体管数目增长的速度。

4．开发隐式并行的大指令窗口的体系结构开发单线索代码中的隐式并行方面的研究也十分重要。

目前的体系结构可开发的隐式并行与代码中存在的隐式并行相差有1-2 个数量级。

这方面的研究之所以重要是因为：第一，绝大多数代码无法显示并行化。

第二，体系结构时钟速率方面的限制也强迫我们必须转向开发更多的并行。

这些研究领域不能被分割开，在最好的情况下，不是将各种研究机制复杂地组合在一起，而是应该研究出一种从根本上，简洁的底层机制一次性解决上述问题。

五、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：1．VLIW 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。

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．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。

六、结束语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，它们代表着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 VILW 体系、多线程体系等必将成为计算机发展的重要方向。

【参考文献】[1] 任琦，吉梅.计算机体系结构的未来.软件导报,2005.[2] 沈绪榜，冯国臣等.计算机体系结构的分类模型.计算机学,2004.[3] 郑纬民，汤志忠编. 计算机系统结构. 北京:清华大学出版社,1998.。