計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第2版）大學(xué)教學(xué)課件

《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第2版）大學(xué)教學(xué)課件》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第2版）大學(xué)教學(xué)課件（126頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第2版）版）課程介紹課程介紹1. 課程名稱課程名稱 Computer Architecture 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 建筑物的設(shè)計(jì)或式樣建筑物的設(shè)計(jì)或式樣, 通常指一個(gè)系統(tǒng)的外貌通常指一個(gè)系統(tǒng)的外貌2. 研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容 從外部來(lái)研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從外部來(lái)研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 使用者所看到的物理計(jì)算機(jī)的抽象使用者所看到的物理計(jì)算機(jī)的抽象 編寫(xiě)出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須編寫(xiě)出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到的計(jì)算機(jī)屬性了解到的計(jì)算機(jī)屬性3. 學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念完整概念學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的

2、學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法分析方法和設(shè)計(jì)方法了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最新研究成果最新研究成果4. 學(xué)科方向?qū)W科方向一級(jí)學(xué)科一級(jí)學(xué)科 1 個(gè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)個(gè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)二級(jí)學(xué)科二級(jí)學(xué)科 3 個(gè)：個(gè)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)軟、計(jì)算機(jī)軟件及理論、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)件及理論、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)學(xué)科：全國(guó)重點(diǎn)學(xué)科：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)應(yīng)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)用技術(shù)5. 與其他學(xué)科的交叉與其他學(xué)科的交叉學(xué)科交叉：學(xué)科交叉：計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、絡(luò)、

3、新內(nèi)容：新內(nèi)容：超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、VLIW處理機(jī)、向量處理機(jī)、并行處理機(jī)、處理機(jī)、向量處理機(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)、互連網(wǎng)絡(luò)、多處理機(jī)、互連網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正處于變革時(shí)期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正處于變革時(shí)期 軟件軟件-系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-實(shí)現(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)技術(shù), 兩頭發(fā)展快中間慢兩頭發(fā)展快中間慢 非馮計(jì)算機(jī)正興起非馮計(jì)算機(jī)正興起 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展時(shí)期已經(jīng)到來(lái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展時(shí)期已經(jīng)到來(lái)6. 課程安排課程安排課內(nèi)：課內(nèi)：64學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：16學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)，課內(nèi)外比例：課內(nèi)外比例：課內(nèi)課內(nèi)1：課外：課外1除完成作業(yè)之外，還要多看參考書(shū)除完成作業(yè)之外，還要多看參考書(shū)

4、 多看好論文多看好論文(被被 SCI、EI 收錄收錄)，了解國(guó)內(nèi)外，了解國(guó)內(nèi)外最新研究成果最新研究成果7. 教材和參考書(shū)教材和參考書(shū)教材：教材：清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材：清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(第二版第二版) ，清華大學(xué)出版社，清華大學(xué)出版社參考書(shū)：參考書(shū)：(1)David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Architecture: A Quantitative Approach 3 Ed. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers 中文：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法

5、（第中文：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法（第二版二版,第三版即將出版），清華大學(xué)出版社第三版即將出版），清華大學(xué)出版社 (2)Kai Hwang，Advanced Computer Acrchitecture Parallelism Scalability Programmability 中文：高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：并行性中文：高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：并行性 可擴(kuò)展可擴(kuò)展性性 可編程性，清華大學(xué)出版社、廣西科學(xué)技可編程性，清華大學(xué)出版社、廣西科學(xué)技術(shù)出版社術(shù)出版社1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技

6、術(shù)1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi)第第1章章 基本概念基本概念1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介1.1.1 為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1.2 如何認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)如何認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義1.1.4 計(jì)算機(jī)組成技術(shù)計(jì)算機(jī)組成技術(shù)1.1.5 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)1.1.1 1.1.1 為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1. 提高處理機(jī)運(yùn)算速度：提高處理機(jī)運(yùn)算速度：MIPSFz IPC 其中: Fz為處理機(jī)的工作主頻 IPC(Instruction Per C

7、ycle)為 每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)提高提高IPC：依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 過(guò)去，幾個(gè)或幾十個(gè)周期完成一條指令過(guò)去，幾個(gè)或幾十個(gè)周期完成一條指令 現(xiàn)在，一個(gè)周期完成幾條指令現(xiàn)在，一個(gè)周期完成幾條指令提高提高Fz：縮短門(mén)電路延遲，依靠技術(shù)進(jìn)步縮短門(mén)電路延遲，依靠技術(shù)進(jìn)步 流水線技術(shù)等，依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流水線技術(shù)等，依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從指令串行執(zhí)行，到從指令串行執(zhí)行，到P4的的20級(jí)流水線級(jí)流水線 350 300 250 200 150 100 50 0 1985 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 19

8、93 1994 1995 DEC Alpha SUN4 IBM Power1 MIPS R2000 DEC Alpha MIPS R3000 HP 900 IBM Power2 DEC Alpha 每每年年 1.58 倍倍 每每年年 1.35 倍倍 SPECint 速速度度指指標(biāo)標(biāo) 依依靠靠技技術(shù)術(shù)進(jìn)進(jìn)步步性性能能每每年年提提高高 35% 先先進(jìn)進(jìn)系系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)對(duì)對(duì)性性能能的的貢貢獻(xiàn)獻(xiàn)是是技技術(shù)術(shù)進(jìn)進(jìn)步步的的 5 倍倍 2. 計(jì)算機(jī)性能提高的幾個(gè)階段計(jì)算機(jī)性能提高的幾個(gè)階段20世紀(jì)世紀(jì)70年代末之前，大型機(jī)和小型機(jī)計(jì)算機(jī)性能年代末之前，大型機(jī)和小型機(jī)計(jì)算機(jī)性能每年每年提高提高25%30%。2

9、0世紀(jì)世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)微處理機(jī)，依靠集成電路技術(shù)，年代初，出現(xiàn)微處理機(jī)，依靠集成電路技術(shù)，性能性能每年提高每年提高35%20世紀(jì)世紀(jì)80年中期，出現(xiàn)年中期，出現(xiàn)RISC技術(shù)、高級(jí)語(yǔ)言和操作系技術(shù)、高級(jí)語(yǔ)言和操作系統(tǒng)等，性能統(tǒng)等，性能每年提高每年提高50%1995年，年，先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)微處理器性能的貢獻(xiàn)是單純技對(duì)微處理器性能的貢獻(xiàn)是單純技術(shù)進(jìn)步的術(shù)進(jìn)步的5倍。倍。3. 近幾年及將來(lái)，計(jì)算機(jī)性能按摩爾定理發(fā)展。近幾年及將來(lái)，計(jì)算機(jī)性能按摩爾定理發(fā)展。4. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們要不斷創(chuàng)新。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們要不斷創(chuàng)新。1.1.2 如何認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)如何認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1. 1. 虛擬

10、計(jì)算機(jī)虛擬計(jì)算機(jī)定義：定義：從不同角度所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性從不同角度所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性是不同的。是不同的。主要觀察角度包括：主要觀察角度包括： 應(yīng)用程序員應(yīng)用程序員 系統(tǒng)程序員系統(tǒng)程序員 硬件設(shè)計(jì)人員硬件設(shè)計(jì)人員對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)通常只需要在某一個(gè)層次對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)通常只需要在某一個(gè)層次上上 廣廣義義語(yǔ)語(yǔ)言言 虛虛擬擬計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī) 解解釋釋或或編編譯譯 作作用用對(duì)對(duì)象象 觀觀察察者者 虛擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2. 2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為7 7個(gè)層次個(gè)層次 第第3 3級(jí)至第級(jí)至第6 6級(jí)由級(jí)由軟件實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn), ,稱為稱

11、為虛擬機(jī)虛擬機(jī) 從學(xué)科領(lǐng)域來(lái)劃分：從學(xué)科領(lǐng)域來(lái)劃分： 第第0 0級(jí)和第級(jí)和第1 1級(jí)屬于級(jí)屬于計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 第第2 2級(jí)屬于級(jí)屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第第3 3至第至第5 5級(jí)屬于級(jí)屬于系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 第第6 6級(jí)屬于級(jí)屬于應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件 它們之間有交叉它們之間有交叉 例如：第3級(jí)必須依賴第4級(jí)和第5級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 第第 6 級(jí)級(jí) ： 應(yīng)應(yīng) 用用 程程 序序 第第 5 級(jí)級(jí) ： 高高 級(jí)級(jí) 語(yǔ)語(yǔ) 言言 第第 4 級(jí)級(jí) ： 匯匯 編編 語(yǔ)語(yǔ) 言言 第第 3 級(jí)級(jí) ： 操操 作作 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第第 2 級(jí)級(jí) ： 機(jī)機(jī) 器器 語(yǔ)語(yǔ) 言言

12、 第第 1 級(jí)級(jí) ： 微微 程程 序序 第第 0 級(jí)級(jí) ： 硬硬 聯(lián)聯(lián) 邏邏 輯輯 應(yīng)應(yīng) 用用 軟軟 件件 系系 統(tǒng)統(tǒng) 軟軟 件件 硬硬 件件 軟軟 硬硬 件件 分分 界界 應(yīng)應(yīng)用用語(yǔ)語(yǔ)言言 第第 6 6 級(jí)級(jí) 應(yīng)應(yīng)用用程程序序 應(yīng)應(yīng)用用程程序序 信信息息處處理理系系統(tǒng)統(tǒng) 用用 戶戶 高高級(jí)級(jí)語(yǔ)語(yǔ)言言 第第 5 5 級(jí)級(jí) 高高級(jí)級(jí)語(yǔ)語(yǔ)言言 解解釋釋程程序序 編編譯譯程程序序 可可執(zhí)執(zhí)行行程程序序 高高級(jí)級(jí)語(yǔ)語(yǔ)言言程程序序員員 匯匯編編語(yǔ)語(yǔ)言言 第第 4 4 級(jí)級(jí) 匯匯編編語(yǔ)語(yǔ)言言 匯匯編編程程序序 可可執(zhí)執(zhí)行行程程序序 匯匯編編語(yǔ)語(yǔ)言言程程序序員員 系系統(tǒng)統(tǒng)原原語(yǔ)語(yǔ) 鍵鍵盤(pán)盤(pán)命命令令 第第 3

13、 3 級(jí)級(jí) 操操作作系系統(tǒng)統(tǒng) 操操作作系系統(tǒng)統(tǒng) 系系統(tǒng)統(tǒng)資資源源 系系統(tǒng)統(tǒng)操操作作員員 指指令令系系統(tǒng)統(tǒng) 第第2 2 級(jí)級(jí) 機(jī)機(jī)器器語(yǔ)語(yǔ)言言 中中央央處處理理機(jī)機(jī) 目目標(biāo)標(biāo)程程序序 機(jī)機(jī)器器語(yǔ)語(yǔ)言言程程序序員員 指指令令時(shí)時(shí)序序 第第1 1 級(jí)級(jí) 微微程程序序控控制制 微微程程序序控控制制 寄寄存存器器邏邏輯輯 邏邏輯輯設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)員員 操操作作時(shí)時(shí)序序 第第0 0 級(jí)級(jí) 硬硬聯(lián)聯(lián)邏邏輯輯 硬硬聯(lián)聯(lián)邏邏輯輯 邏邏輯輯線線路路 硬硬件件設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)員員 3. 3. 透明性概念透明性概念 定義：定義：本來(lái)存在的事物或?qū)傩?，從某種角度本來(lái)存在的事物或?qū)傩?，從某種角度看似乎不存在看似乎不存在 例如：例如：CP

14、UCPU類(lèi)型、型號(hào)、主存儲(chǔ)器容量等類(lèi)型、型號(hào)、主存儲(chǔ)器容量等 對(duì)對(duì)應(yīng)用程序員應(yīng)用程序員 透明透明 對(duì)對(duì)系統(tǒng)程序員、硬件設(shè)計(jì)人員系統(tǒng)程序員、硬件設(shè)計(jì)人員等等 不透明不透明 例如：浮點(diǎn)數(shù)表示、乘法指令例如：浮點(diǎn)數(shù)表示、乘法指令 對(duì)對(duì)高級(jí)語(yǔ)言程序員、應(yīng)用程序員高級(jí)語(yǔ)言程序員、應(yīng)用程序員 透明透明 對(duì)對(duì)匯編語(yǔ)言程序員、機(jī)器語(yǔ)言程序員匯編語(yǔ)言程序員、機(jī)器語(yǔ)言程序員 不透明不透明 例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序 對(duì)對(duì)匯編語(yǔ)言程序員、機(jī)器語(yǔ)言程序員匯編語(yǔ)言程序員、機(jī)器語(yǔ)言程序員 透明透明 對(duì)對(duì)硬件設(shè)計(jì)人員、計(jì)算機(jī)維修人員硬件設(shè)計(jì)人員、計(jì)算機(jī)維修人員 不透明不透明1.1.3 1.1.3

15、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義一 Amdahl于于1964年在推出年在推出IBM360系列計(jì)系列計(jì)算機(jī)時(shí)提出算機(jī)時(shí)提出：程序員程序員所所看到的看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性, 即即概念性結(jié)概念性結(jié)構(gòu)構(gòu)和和功能特性功能特性程序員程序員：系統(tǒng)程序員系統(tǒng)程序員（包括：匯編語(yǔ)言、機(jī)器（包括：匯編語(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)言、編譯程序、操作系統(tǒng)）語(yǔ)言、編譯程序、操作系統(tǒng)）看到的看到的：編寫(xiě)出能在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所編寫(xiě)出能在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到必須了解到的的概念性結(jié)構(gòu)概念性結(jié)構(gòu) IBM360系列計(jì)算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu)系列計(jì)算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu)主主存存儲(chǔ)儲(chǔ)器

16、器主主存存控控制制器器打打印印機(jī)機(jī)磁磁盤(pán)盤(pán)機(jī)機(jī)卡卡片片機(jī)機(jī)磁磁帶帶機(jī)機(jī)終終 端端 數(shù)據(jù)表示：數(shù)據(jù)表示：硬件能夠直接認(rèn)別和處理的數(shù)據(jù)類(lèi)型；硬件能夠直接認(rèn)別和處理的數(shù)據(jù)類(lèi)型； 尋址技術(shù)：尋址技術(shù)：編址方式、尋址方式和定位方式等；編址方式、尋址方式和定位方式等； 寄存器組織：寄存器組織：操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存 器及專用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則等；器及專用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則等； 指令系統(tǒng)：指令系統(tǒng)：操作類(lèi)型、格式，指令間的排序控制等；操作類(lèi)型、格式，指令間的排序控制等； 中斷系統(tǒng)：中斷系統(tǒng)：中斷類(lèi)型、中斷級(jí)別和中斷響應(yīng)方式等；中斷類(lèi)型、中斷級(jí)

17、別和中斷響應(yīng)方式等； 存儲(chǔ)系統(tǒng)：存儲(chǔ)系統(tǒng)：尋址空間、虛擬存儲(chǔ)器、尋址空間、虛擬存儲(chǔ)器、CacheCache存儲(chǔ)器等；存儲(chǔ)器等； 處理機(jī)工作狀態(tài)：處理機(jī)工作狀態(tài)：定義和切換方式，如管態(tài)和目態(tài)等；定義和切換方式，如管態(tài)和目態(tài)等； 輸入輸出系統(tǒng)：輸入輸出系統(tǒng)：數(shù)據(jù)交換方式、交換過(guò)程的控制等；數(shù)據(jù)交換方式、交換過(guò)程的控制等； 信息保護(hù)：信息保護(hù)：信息保護(hù)方式和硬件對(duì)信息保護(hù)的支持等。信息保護(hù)方式和硬件對(duì)信息保護(hù)的支持等。功能特性功能特性 指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義二計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義二 研究軟硬件功能分配和對(duì)軟硬件界面的確定研究軟硬件功能分配和對(duì)軟硬件界面的確定計(jì)

18、算機(jī)系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們?cè)谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們?cè)诠δ苌鲜峭鹊?。功能上是同等的。同一種功能可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件或同一種功能可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件或固件實(shí)現(xiàn)。固件實(shí)現(xiàn)。不同的組成只是性能和價(jià)格不同不同的組成只是性能和價(jià)格不同, 他們的系統(tǒng)結(jié)他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是相同的。構(gòu)是相同的。系列計(jì)算機(jī)概念：系列計(jì)算機(jī)概念：相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu),不同組成和實(shí)不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?，F(xiàn)的一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1.1.4 1.1.4 計(jì)算機(jī)組成技術(shù)計(jì)算機(jī)組成技術(shù)1.1.課程名稱課程名稱 Computer Organization 計(jì)算機(jī)組成，計(jì)算機(jī)組織，計(jì)算機(jī)原理

19、，計(jì)計(jì)算機(jī)組成，計(jì)算機(jī)組織，計(jì)算機(jī)原理，計(jì)算機(jī)組成原理算機(jī)組成原理2.2.研究方法研究方法 從內(nèi)部研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從內(nèi)部研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)組成是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)組成是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。3.3.主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容 確定數(shù)據(jù)通路的寬度；確定數(shù)據(jù)通路的寬度； 確定各種操作對(duì)功能部件的共享程度；確定各種操作對(duì)功能部件的共享程度； 確定專用的功能部件；確定專用的功能部件； 確定功能部件的并行度；確定功能部件的并行度； 設(shè)計(jì)緩沖和排隊(duì)策略；設(shè)計(jì)緩沖和排隊(duì)策略； 設(shè)計(jì)控制機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)控制機(jī)構(gòu)； 確定采用何種可靠性技術(shù)。確定采用何種可靠性技術(shù)。1.1.5 1.1.5 計(jì)算機(jī)實(shí)

20、現(xiàn)技術(shù)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)主要包計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)主要包括：括： 處理機(jī)、主存儲(chǔ)器等部件的物理結(jié)構(gòu)；處理機(jī)、主存儲(chǔ)器等部件的物理結(jié)構(gòu)； 器件的集成度和速度；器件的集成度和速度； 專用器件的設(shè)計(jì)；專用器件的設(shè)計(jì)； 器件、模塊、插件、底版的劃分與連接；器件、模塊、插件、底版的劃分與連接； 信號(hào)傳輸技術(shù)；信號(hào)傳輸技術(shù)； 電源、冷卻及裝配技術(shù)，制造工藝及技術(shù)等。電源、冷卻及裝配技術(shù)，制造工藝及技術(shù)等。隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間的界隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間的界限越來(lái)越模糊。限越來(lái)越模糊。1.2.1 運(yùn)算速度運(yùn)算速度1.2.2 存儲(chǔ)器系統(tǒng)存

21、儲(chǔ)器系統(tǒng)1.2.3 其他性能其他性能1.2.4 價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.2.1 1.2.1 運(yùn)算速度運(yùn)算速度 運(yùn)算速度是表示處理機(jī)性能的主要指標(biāo)。運(yùn)算速度是表示處理機(jī)性能的主要指標(biāo)。 有多種表示處理機(jī)運(yùn)算速度的方法。有多種表示處理機(jī)運(yùn)算速度的方法。 哪一種表示方法合理？哪一種表示方法合理？1. 1. 時(shí)鐘頻率（處理機(jī)主頻）時(shí)鐘頻率（處理機(jī)主頻） 只能用于同一公司、同一類(lèi)型、同一配置的處理機(jī) 如：Pentium4 2.0G比比Pentium4 1.6G快快25%? Pentium4 2.4G比比Pentium4 1.6G快快50%? 只表示只表示CPU

22、的指令處理能力的指令處理能力 實(shí)際運(yùn)算速度還與實(shí)際運(yùn)算速度還與Cache、內(nèi)存、內(nèi)存、I/O、被執(zhí)行程序、被執(zhí)行程序等均有關(guān)。等均有關(guān)。2.2.指令執(zhí)行速度指令執(zhí)行速度 一種經(jīng)典的表示運(yùn)算速度的方法一種經(jīng)典的表示運(yùn)算速度的方法 MIPS(Million Instructions Per Second), GIPS, TIPS 其中: FzFz為處理機(jī)的工作主頻 CPI(Cycles Per Instruction)為 每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù) IPC(Instruction Per Cycle)為 每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)例例

23、1：計(jì)算 PentiumIV 2GHz 處理機(jī)的指令執(zhí)行速度。MIPS10FzCPIIPC Fz6指令條數(shù)執(zhí)行時(shí)間 解：解：由于 PentiumIV 2GHz 處理機(jī)的 IPC4（或CPI0.25）, Fz2000MHz 因此，MIPSPentiumIV2GFzIPC20004 8000MIPS8GIPS 即每秒鐘每秒鐘80億次億次(平均每秒鐘執(zhí)行80億條指令) 主要優(yōu)點(diǎn)：主要優(yōu)點(diǎn)：直觀、方便。直觀、方便。目前還經(jīng)常使用目前還經(jīng)常使用 主要缺點(diǎn)主要缺點(diǎn): (1) 不同指令的執(zhí)行速度差別很大不同指令的執(zhí)行速度差別很大 (2) 指令使用頻度差別很大指令使用頻度差別很大 (3) 有相當(dāng)多的非功能性指

24、令有相當(dāng)多的非功能性指令3. 3. 等效指令速度：等效指令速度： 吉普森（吉普森（Gibson）法：）法：加減法加減法5050，乘法，乘法1515，除法除法5 5，程序控制，程序控制1515，其他，其他1515 靜態(tài)指令使用頻度：在程序中直接統(tǒng)計(jì)靜態(tài)指令使用頻度：在程序中直接統(tǒng)計(jì) 動(dòng)態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過(guò)程中統(tǒng)計(jì)動(dòng)態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過(guò)程中統(tǒng)計(jì)niii1)Weight(TimeT等效指令執(zhí)行時(shí)間nii1MIPSWeight1MIPS等效指令速度）（等效niii1WeightCPICPI例例2 2：我國(guó)早期研制的一種小型計(jì)算機(jī)：我國(guó)早期研制的一種小型計(jì)算機(jī)DJS-130DJS-130

25、 定點(diǎn)定點(diǎn)1616位，加法指令每秒位，加法指令每秒5050萬(wàn)次，但沒(méi)有萬(wàn)次，但沒(méi)有 硬件乘除法指令。用軟件實(shí)現(xiàn)乘除法，速硬件乘除法指令。用軟件實(shí)現(xiàn)乘除法，速 度低度低100100倍左右。求等效指令速度。倍左右。求等效指令速度。解：解：等效指令速度為：等效指令速度為：MIPS0.02)100/0.50.200.50.80(1MIPS等效指令速度 即每秒即每秒2 2萬(wàn)次，萬(wàn)次， 由于用軟件實(shí)現(xiàn)乘除法，等效指令速度降由于用軟件實(shí)現(xiàn)乘除法，等效指令速度降低了低了2525倍。倍。 例例3 3：假設(shè)在一般程序中浮點(diǎn)開(kāi)平方操作：假設(shè)在一般程序中浮點(diǎn)開(kāi)平方操作FPSQRFPSQR所占所占 的比例為的比例為2

26、2，它的，它的CPICPI為為100100；其他浮點(diǎn)操作；其他浮點(diǎn)操作 FPFP所占的比例為所占的比例為2323，它的，它的CPICPI4.04.0；其余；其余 7575指令的指令的CPICPI1.331.33，計(jì)算該處理機(jī)的等效，計(jì)算該處理機(jī)的等效 CPICPI。如果。如果FPSQRFPSQR操作的操作的CPICPI也為也為4.04.0，重新計(jì)算，重新計(jì)算 等效等效CPICPI。解：解：等效等效CPICPI1 1100100 2 24 4 23231.331.33 75753.923.92等效等效CPICPI2 24 4 25251.331.33 75752.002.00 改進(jìn)了在用戶程序中

27、僅占改進(jìn)了在用戶程序中僅占2 2的開(kāi)平方操的開(kāi)平方操作，整個(gè)機(jī)器的等效運(yùn)算速度提高了近一倍。作，整個(gè)機(jī)器的等效運(yùn)算速度提高了近一倍。4. 4. 指令執(zhí)行速度的指令執(zhí)行速度的 4 4 種平均方法種平均方法 算術(shù)平均：算術(shù)平均： 調(diào)和平均調(diào)和平均(用速率來(lái)度量用速率來(lái)度量)： 加權(quán)平均加權(quán)平均加權(quán)算術(shù)平均：加權(quán)算術(shù)平均：加權(quán)調(diào)和平均：加權(quán)調(diào)和平均：niin1Time1niin1Rate1iniinWeightTime11niii1RateWeight1幾何平均：幾何平均： 其中：n 指不同的程序，ETR(execution time ratio) i是第i個(gè)程序相對(duì)于參考機(jī)器正交化后的執(zhí)行時(shí)間 幾

28、何平均速度與所參考的機(jī)器無(wú)關(guān)，有如下幾何平均速度與所參考的機(jī)器無(wú)關(guān)，有如下性質(zhì)：性質(zhì)： 幾何平均值的比率等于比率的幾何平均值幾何平均值的比率等于比率的幾何平均值nniiETR1的幾何平均值的幾何平均值的幾何平均值iiiiYXYX運(yùn)行程序運(yùn)行程序P1時(shí)，時(shí)，A的速度是的速度是B的的10倍；倍；運(yùn)行程序運(yùn)行程序P2時(shí)，時(shí)，B的速度是的速度是A的的10倍；倍；運(yùn)行程序運(yùn)行程序P1時(shí)，時(shí)，A的速度是的速度是C的的20倍；倍；運(yùn)行程序運(yùn)行程序P2時(shí)，時(shí)，C的速度是的速度是A的的50倍；倍；運(yùn)行程序運(yùn)行程序P1時(shí)，時(shí)，B的速度是的速度是C的的2倍；倍；運(yùn)行程序運(yùn)行程序P2時(shí)，時(shí)，C的速度是的速度是B的的5

29、倍。倍。例例 4：兩個(gè)程序在三臺(tái)機(jī)器上的執(zhí)行時(shí)間：兩個(gè)程序在三臺(tái)機(jī)器上的執(zhí)行時(shí)間 機(jī)器機(jī)器 A 機(jī)器機(jī)器 B 機(jī)器機(jī)器 C 程序程序 P1（秒）（秒） 1 10 20 程序程序 P2（秒）（秒） 1000 100 20 算術(shù)平均：算術(shù)平均： 程序P1和P2各執(zhí)行1次，B的速度是A的9.1倍； 程序P1和P2各執(zhí)行1次，C的速度是A的25倍； 程序P1和P2各執(zhí)行1次，C的速度是B的2.75倍。 結(jié)論：結(jié)論： 執(zhí)行程序P1和P2相同次數(shù)， 機(jī)器機(jī)器A最慢，機(jī)器最慢，機(jī)器C最快最快 算術(shù)平均速度：算術(shù)平均速度：三臺(tái)機(jī)器的速度之比為： A：B：C = 1：9.1：25 加權(quán)算術(shù)平均加權(quán)算術(shù)平均 加權(quán)

30、算術(shù)平均加權(quán)算術(shù)平均W1三臺(tái)機(jī)器的速度：三臺(tái)機(jī)器的速度：A B C加權(quán)加權(quán)算術(shù)平均算術(shù)平均W2三臺(tái)機(jī)器的速度：三臺(tái)機(jī)器的速度：A C B加權(quán)算術(shù)加權(quán)算術(shù)平均平均W3三臺(tái)機(jī)器的速度：三臺(tái)機(jī)器的速度：C B Ds，Ch Cs，當(dāng)當(dāng)R很大時(shí)，很大時(shí)，經(jīng)常使用的基本功能適宜用硬件實(shí)現(xiàn)經(jīng)常使用的基本功能適宜用硬件實(shí)現(xiàn) 由于：Ds Cs，當(dāng)當(dāng)V很大時(shí)，生產(chǎn)臺(tái)數(shù)很多很大時(shí)，生產(chǎn)臺(tái)數(shù)很多時(shí)適宜用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)適宜用硬件實(shí)現(xiàn)（） ： （）DhVChDsVR Cs3. 從改進(jìn)性能考慮的軟硬件取舍從改進(jìn)性能考慮的軟硬件取舍基本方法：加快經(jīng)常性事件的執(zhí)行速度加快經(jīng)常性事件的執(zhí)行速度Amdahl定律：系統(tǒng)中某一部件由于采用

31、更快的系統(tǒng)中某一部件由于采用更快的執(zhí)行方式后，整個(gè)系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)執(zhí)行方式后，整個(gè)系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時(shí)間的比例有行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時(shí)間的比例有關(guān)關(guān)。 在Amdahl定律中，加速比與兩個(gè)因素有關(guān)：時(shí)間改進(jìn)后改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前改進(jìn)部分的執(zhí)行改進(jìn)部分的加速比：時(shí)間改進(jìn)前整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間可改進(jìn)部分的比例：SeFe 改進(jìn)后整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間為： 其中：0為改進(jìn)前的整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。 改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的加速比達(dá)到：改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的加速比達(dá)到： 其中：Fe表示可改進(jìn)部分所占的百分比， (1-Fe)表示不可改進(jìn)部分所占的百分比， Se表示改進(jìn)

32、后，可改進(jìn)部分的加速比。TTFFSneee01 ()STTFFSnneee011()例例5：某：某部件的處理時(shí)間僅為整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的 40%，如果將該部件的處理速度加快到10 倍，則采用加快措施后能使整個(gè)系統(tǒng)的 性能提高多少？解：解：由題意可知：Fe=0.4, Se=10， 根據(jù)Amdahl定律，加速比為：Sn110 40 41010 64156(. ).4. 改進(jìn)性能的主要途徑改進(jìn)性能的主要途徑 (1) 面向目標(biāo)代碼改進(jìn)面向目標(biāo)代碼改進(jìn) 方法：方法：用一條指令代替一串指令 根據(jù)計(jì)算結(jié)果改進(jìn)：例如，根據(jù)計(jì)算結(jié)果改進(jìn)：例如，增加硬件乘法和硬件除法指令能夠,使等效指令速度提高25倍， 據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)改進(jìn)

33、指令功能：據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)改進(jìn)指令功能： 如數(shù)據(jù)傳送指令、快速保存與恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)指令等 增加運(yùn)算型指令的功能：增加運(yùn)算型指令的功能：如函數(shù)運(yùn)算指令等8088中中的的指指令令靜靜態(tài)態(tài)使使用用頻頻度度動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)使使用用頻頻度度MOVEPSHUPOP24.8510364.1417.1411.112.61合計(jì)39.3531.16(2) 面向高級(jí)語(yǔ)言和編譯程序改進(jìn)面向高級(jí)語(yǔ)言和編譯程序改進(jìn)： 方法：方法：增強(qiáng)對(duì)高級(jí)語(yǔ)言和編譯程序支持的指令的功能 例如：在do循環(huán)中，循環(huán)體只 有一二條的占60%左右，增加 循環(huán)控制指令。 例如：條件碼對(duì)高級(jí)語(yǔ)言幾乎 無(wú)用，在并行計(jì)算機(jī)中已經(jīng)取 消條件碼。 Im1循環(huán)體循環(huán)體II+m3

34、Im2語(yǔ)語(yǔ)言言賦賦值值IFGOTOI/ODOCALL其其他他FORTRAN46.011.510.56.54.56.015.0COBOL49.619.119.18.460.170.173.4(3) 面向操作系統(tǒng)改進(jìn)：面向操作系統(tǒng)改進(jìn)： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要規(guī)整，消除例外情況。 寄存器定義要統(tǒng)一(如 A 寄存器等) 操作要均勻(如 A-B 與 B-A) 所有的存儲(chǔ)部件都要對(duì)稱 進(jìn)程的管理和切換 存儲(chǔ)管理和信息保護(hù) 進(jìn)程的同步與互斥，信號(hào)燈管理 處理機(jī)工作狀態(tài)和訪問(wèn)方式的轉(zhuǎn)換 這類(lèi)指令的使用頻度往往很低，但必須設(shè)置這類(lèi)指令的使用頻度往往很低，但必須設(shè)置1.3.3 1.3.3 軟件兼容性設(shè)計(jì)方法軟件兼容性設(shè)

35、計(jì)方法 原因：原因：軟件相對(duì)于硬件的成本越來(lái)越貴， 已積累了大量成熟的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。1. 兼容種類(lèi)兼容種類(lèi) (1)向后兼容：向后兼容：在某一時(shí)間生產(chǎn)的機(jī)器上運(yùn)行的目標(biāo) 軟件能夠直接運(yùn)行于更晚生產(chǎn)的機(jī)器上。 (2)向前兼容：向前兼容： (3)向上兼容：向上兼容：在低檔機(jī)器上運(yùn)行的目標(biāo)軟件能夠直 接運(yùn)行于高檔機(jī)器上。 (4)向下兼容：向下兼容： 向后兼容必須做到，向后兼容必須做到，向上兼容盡量做到 向前兼容和向下兼容，可以不考慮方法一：系列機(jī)方法方法一：系列機(jī)方法 系列機(jī)定義系列機(jī)定義: 具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)不具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)不同的一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同的一系

36、列計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)方法：實(shí)現(xiàn)方法： 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的性能和不同的器件，研制出多種性能和價(jià)格不性能和不同的器件，研制出多種性能和價(jià)格不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成也一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成也可以有多種物理實(shí)現(xiàn)可以有多種物理實(shí)現(xiàn) 如如IBM370系列機(jī)系列機(jī): 115,125,135,145,158,168等相同的指令系統(tǒng)，采用順序執(zhí)行、重迭、流水和并行處理方式相同的32位字長(zhǎng)，數(shù)據(jù)通路寬度為8位、16位、32位、64位。如如PC系列機(jī)有：系列機(jī)有： 不同主頻不同主頻：4.7MHz，5

37、00MHz，1GHz，2.4GHz, 3GHz, 不同擴(kuò)展不同擴(kuò)展：Pentium、Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium SSE、Pentium SSE2 不同不同Cache：Pentium、Celeron、Xeon 不同字長(zhǎng)不同字長(zhǎng)：8位、16位、32位、64位 采用系列機(jī)方法的主要優(yōu)點(diǎn)：采用系列機(jī)方法的主要優(yōu)點(diǎn)： (1) 系列機(jī)之間軟件兼容，可移植性好系列機(jī)之間軟件兼容，可移植性好 (2) 插件、接口等相互兼容插件、接口等相互兼容 (3) 便于實(shí)現(xiàn)機(jī)間通信便于實(shí)現(xiàn)機(jī)間通信 (4) 便于維修、培訓(xùn)便于維修、培訓(xùn) (5) 有利于提高產(chǎn)量、降低成本有利于提高產(chǎn)量、降低成

38、本 采用系列機(jī)方法的主要缺點(diǎn)：采用系列機(jī)方法的主要缺點(diǎn)： 限制了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展限制了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 如PC系列機(jī)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常落后，使用也最普及方法二：模擬與仿真方法二：模擬與仿真 Simulation Emulation定義：定義：在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。機(jī)的指令系統(tǒng)。全部用軟件實(shí)現(xiàn)的叫模擬，模擬，用軟件、硬件、固件混合實(shí)現(xiàn)的叫仿真仿真模擬的實(shí)現(xiàn)方法模擬的實(shí)現(xiàn)方法 在A計(jì)算機(jī)上通過(guò)解釋或編譯實(shí)現(xiàn)B計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。A機(jī)器稱為宿主機(jī)宿主機(jī)，B機(jī)器稱為虛虛擬機(jī)擬機(jī)。仿真的實(shí)現(xiàn)方法仿真的實(shí)現(xiàn)方法 直接用A機(jī)器的一段微程序解釋執(zhí)

39、行B機(jī)器的指令。A機(jī)器稱為宿主機(jī)宿主機(jī)，B機(jī)稱為目標(biāo)機(jī)目標(biāo)機(jī)。優(yōu)缺點(diǎn)比較優(yōu)缺點(diǎn)比較 模擬方法速度低，仿真方法速度高 仿真需要較多的硬件（包括控制存儲(chǔ)器） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差別大的機(jī)器難于用仿真方法實(shí)現(xiàn) 除了指令系統(tǒng)之外，還有存儲(chǔ)系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、控制臺(tái)的操作等模擬方法用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程模擬方法用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程 在一臺(tái)已有的機(jī)器上用模擬方法實(shí)現(xiàn)正在設(shè)計(jì)中的機(jī)器的指令系統(tǒng)等。具體過(guò)程如下：設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案模擬模擬性能評(píng)價(jià)性能評(píng)價(jià)修改設(shè)計(jì)修改設(shè)計(jì)投產(chǎn)投產(chǎn) 方法三：統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言方法三：統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言 實(shí)現(xiàn)方法：實(shí)現(xiàn)方法：采用同一種不依賴于任何具體機(jī)器的高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 困

40、難：困難：至今還沒(méi)有這樣一種高級(jí)語(yǔ)言，短期至今還沒(méi)有這樣一種高級(jí)語(yǔ)言，短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)。內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)。C、Ada、Java、 三種方法比較：三種方法比較： 采用統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言最好，是努力的目標(biāo)采用統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言最好，是努力的目標(biāo) 系列機(jī)是暫時(shí)性方法，也是目前最好的方系列機(jī)是暫時(shí)性方法，也是目前最好的方法法 仿真的速度低，芯片設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)重，目前用于同一系列機(jī)內(nèi)的兼容，1/101/2的芯片面積用于仿真方法四：目標(biāo)代碼的并行編譯技術(shù)方法四：目標(biāo)代碼的并行編譯技術(shù) 一個(gè)新的研究課題一個(gè)新的研究課題 一種機(jī)器的目標(biāo)代碼重新編譯到另一種機(jī)器一種機(jī)器的目標(biāo)代碼重新編譯到另一種機(jī)器的并行目標(biāo)代碼的并行目標(biāo)代碼 兩種方

41、法：兩種方法： (1) 動(dòng)態(tài)代碼轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)代碼轉(zhuǎn)換 例例1：IBM公司研制 DAISY(Dynamically Architected Instruction Set from Yorktown) 處理處理機(jī)機(jī) 例例2：Transmeta公司研制Crusoe處理機(jī)處理機(jī) 已經(jīng)大量應(yīng)用于筆記本計(jì)算機(jī)，其功耗很低。 (2) 靜態(tài)重編譯靜態(tài)重編譯：正在研究過(guò)程中，難度很大：正在研究過(guò)程中，難度很大動(dòng)態(tài)代碼轉(zhuǎn)換技術(shù)動(dòng)態(tài)代碼轉(zhuǎn)換技術(shù)采用動(dòng)態(tài)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換技術(shù)動(dòng)態(tài)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)與X86等處理機(jī)兼容，把X86等通用處理機(jī)的程序直接映射到VLIW處理機(jī)中執(zhí)行。IBM公司推出了開(kāi)放源代碼DAISY，它不僅可以實(shí)現(xiàn)

42、IBM的VLIW處理器與X86處理機(jī)之間的二進(jìn)制兼容，還可以實(shí)現(xiàn)PowerPC、S/390、IBM的Java虛擬機(jī)與VLIW處理器之間的二進(jìn)制兼容Transmeta公司推出了“Code Morphing Software”，這種軟件可以保證Transmeta公司的VLIW處理機(jī)Crusoe能夠與X86處理機(jī)之間實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制代碼兼容1.3.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程方法方法1：由上向下（：由上向下（Top-Down）設(shè)計(jì)過(guò)程：設(shè)計(jì)過(guò)程：由上向下 面向應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型面向應(yīng)用的高級(jí)語(yǔ)言面向這種應(yīng)用的操作系統(tǒng)面向操作系統(tǒng)和高級(jí)語(yǔ)言的機(jī)器語(yǔ)言面向機(jī)器語(yǔ)言的微指令系統(tǒng)和硬件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)合：應(yīng)用場(chǎng)

43、合：專用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：特點(diǎn)：對(duì)于所面向的應(yīng)用領(lǐng)域，性能和性能價(jià)格比很高。隨著通用計(jì)算機(jī)價(jià)格降低，目前已經(jīng)很少采用方法方法2：由下向上（：由下向上（Bottom-Up)設(shè)計(jì)過(guò)程：設(shè)計(jì)過(guò)程： 根據(jù)當(dāng)時(shí)的器件水平，設(shè)計(jì)微程序機(jī)器級(jí)和傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)多種操作系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言編譯器等最后設(shè)計(jì)面向應(yīng)用的用戶級(jí)應(yīng)用場(chǎng)合：通用計(jì)算機(jī)的一種設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用場(chǎng)合：通用計(jì)算機(jī)的一種設(shè)計(jì)方法，在計(jì)算機(jī)早期設(shè)計(jì)中（6070年代）廣為采用特點(diǎn)：特點(diǎn)：容易使軟件和硬件脫節(jié)，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率降低。方法方法3：中間開(kāi)始（：中間開(kāi)始（Middle-Out) 用于系列計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中用于系列計(jì)算機(jī)的

44、設(shè)計(jì)過(guò)程中 應(yīng)應(yīng)用用虛虛擬擬機(jī)機(jī) 高高級(jí)級(jí)語(yǔ)語(yǔ)言言虛虛擬擬機(jī)機(jī) 匯匯編編語(yǔ)語(yǔ)言言虛虛擬擬機(jī)機(jī) 向向上上 操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)虛虛擬擬機(jī)機(jī) 傳傳統(tǒng)統(tǒng)機(jī)機(jī)器器級(jí)級(jí) 微微程程序序級(jí)級(jí) 向向下下 硬硬聯(lián)聯(lián)邏邏輯輯級(jí)級(jí) 從從中中間間開(kāi)開(kāi)始始 方法方法3：中間開(kāi)始（：中間開(kāi)始（Middle-Out)設(shè)計(jì)過(guò)程：設(shè)計(jì)過(guò)程： 首先定義軟硬件的分界面首先定義軟硬件的分界面(指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、硬件對(duì)操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)的支持等) 然后各個(gè)層次分別進(jìn)行設(shè)計(jì)然后各個(gè)層次分別進(jìn)行設(shè)計(jì)(軟件設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、應(yīng)用程序等，硬件設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)傳統(tǒng)機(jī)器、微程序、硬聯(lián)邏輯等) 應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用

45、場(chǎng)合：用于系列機(jī)的設(shè)計(jì) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：軟硬件人員結(jié)合、同時(shí)設(shè)計(jì)，軟硬件功能分配合理。 1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展1.4.1 馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)諾依曼結(jié)構(gòu)1.4.2 器件發(fā)展的影響器件發(fā)展的影響1.4.3 應(yīng)用發(fā)展的影響應(yīng)用發(fā)展的影響1.4.4 改進(jìn)算法的影響改進(jìn)算法的影響1.4.1 馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)諾依曼結(jié)構(gòu)Van Nenmann基本思想于1936年1946年期 間形成，由馮由馮諾依曼等人于諾依曼等人于1946年提出年提出輸 入 設(shè) 備輸 出 設(shè) 備運(yùn) 算 器ALU控 制 器存 儲(chǔ) 器1. 特點(diǎn)特點(diǎn): 存儲(chǔ)程序、運(yùn)算器為中心、集中控制存儲(chǔ)程序、運(yùn)算器為中心、集中控制存儲(chǔ)器是字長(zhǎng)固定的、順

46、序線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個(gè)地址是唯一定義的。 4096個(gè)字、40位。由指令形式的低級(jí)機(jī)器語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)。指令順序執(zhí)行，即一般按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運(yùn)算器。運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。2. 現(xiàn)代處理機(jī)對(duì)馮現(xiàn)代處理機(jī)對(duì)馮諾依曼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)諾依曼結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 不變的：不變的：存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序 改變的：改變的：存儲(chǔ)器為中心存儲(chǔ)器為中心, 總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu), 分散控制分散控制從基于串行算法變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，出現(xiàn)了向量計(jì)算機(jī)，并行計(jì)算機(jī)、多處理機(jī)等流水線處理機(jī)，超標(biāo)量處理機(jī)，超流水線

47、處理機(jī)，超標(biāo)量超流水線處理機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)和知識(shí)庫(kù)計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)，如FFT變換機(jī)、過(guò)程控制計(jì)算機(jī)為獲得高可靠性而研制容錯(cuò)計(jì)算機(jī)功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種分布計(jì)算機(jī)、外圍處理機(jī)、通信處理機(jī)等存儲(chǔ)器為中心、分散控制存儲(chǔ)器為中心、分散控制 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 IO 總線總線 中央處理機(jī)中央處理機(jī)（CPU）主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器（MM）輸入設(shè)備輸入設(shè)備輸出輸出設(shè)備輸出輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸出設(shè)備 總線結(jié)構(gòu)，分散控制總線結(jié)構(gòu)，分散控制總線：總線： 連接計(jì)算機(jī)各功能部件的連線和管理信連接計(jì)算機(jī)各功能部件的連線和管理信息傳輸規(guī)則的邏輯電路稱為總線。息傳輸規(guī)則的邏輯電路稱為總線。特點(diǎn)：特點(diǎn)：在任何時(shí)刻，只能有一個(gè)部件

48、向總線上在任何時(shí)刻，只能有一個(gè)部件向總線上發(fā)送信息，可以有多個(gè)部件同時(shí)接收信息。發(fā)送信息，可以有多個(gè)部件同時(shí)接收信息。組成：組成： 數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。 單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)CPU主存主存輸入輸入設(shè)備設(shè)備輸出輸出設(shè)備設(shè)備總線總線 雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)CPU主存主存擴(kuò)展總線擴(kuò)展總線控制線路控制線路I/O設(shè)備設(shè)備I/O設(shè)備設(shè)備處理機(jī)總線處理機(jī)總線32MHz32或或64位位ISA / EISA8.33MHz 8、16、32位位 . . . . . 三總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu)CPU主存主存PCI橋橋I/O設(shè)備設(shè)備I/O設(shè)備設(shè)備處理機(jī)總線處理機(jī)總線100MHz32或或6

49、4位位ISA / EISA8.33MHz 8、16、32位位 . . . . .PCI BUS 33MHz 4B擴(kuò)展總線擴(kuò)展總線控制線路控制線路I/O設(shè)備設(shè)備I/O設(shè)備設(shè)備接快速設(shè)備接快速設(shè)備接慢速設(shè)備接慢速設(shè)備3. 非馮計(jì)算機(jī)的發(fā)展非馮計(jì)算機(jī)的發(fā)展什么是非馮計(jì)算機(jī)？非指令驅(qū)動(dòng)，什么是非馮計(jì)算機(jī)？非指令驅(qū)動(dòng)，從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機(jī)計(jì)算機(jī)。從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)型改變?yōu)樾枨篁?qū)動(dòng)型，出現(xiàn)各種圖歸約計(jì)算機(jī)。處理非數(shù)值化信息的智能計(jì)算機(jī)，自然語(yǔ)言、聲音、圖形和圖象處理,虛擬現(xiàn)實(shí)處理等第五代計(jì)算機(jī)，由推理機(jī)和知識(shí)庫(kù)機(jī)等組成。歷經(jīng)10年，召開(kāi)過(guò)多次專題國(guó)際會(huì)議。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，仿生計(jì)

50、算機(jī)，1.4.2 器件發(fā)展的影響器件發(fā)展的影響1. 第第1代至第代至第4代計(jì)算機(jī)以器件來(lái)劃分代計(jì)算機(jī)以器件來(lái)劃分 第一代：第一代：電子管電子管(Valve) 第二代：第二代：晶體管晶體管(Transistor) 第三代：第三代：集成電路集成電路(LSI) 第四代：第四代：大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路(VLSI) 第五代：智能計(jì)算機(jī)智能計(jì)算機(jī)？第五代計(jì)算機(jī)以什么作為標(biāo)志來(lái)劃分？第五代計(jì)算機(jī)以什么作為標(biāo)志來(lái)劃分？第五代計(jì)算機(jī)什么時(shí)候誕生？第五代計(jì)算機(jī)什么時(shí)候誕生？2. 器件發(fā)展的特點(diǎn)器件發(fā)展的特點(diǎn)(1) 集成度迅速提高集成度迅速提高 目前水平：每個(gè)芯片有1010個(gè)晶體管 單芯片內(nèi)可以做大于1Gb存

51、儲(chǔ)器， 單芯片內(nèi)可以集成2個(gè)CPU全部Cache 每45年提高一個(gè)數(shù)量級(jí) 還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到集成度的極限 問(wèn)題？問(wèn)題？ 如何利用器件集成度的提高，不斷改進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能：例如，有更多指令并行執(zhí)行，有更多指令并行執(zhí)行，采用更深的流水線，集成更多的采用更深的流水線，集成更多的Cache等等(2) 提高提高速度空間不大速度空間不大 目前CPU主頻已經(jīng)到達(dá)6GHz， 時(shí)鐘周期0. 16ns，門(mén)延遲小于0.01ns 極限速度30萬(wàn)公里/秒/21.5mm/0.01ns 信號(hào)在導(dǎo)體中傳遞速度小于光速的50。 Pentium芯片面積500mm2，即23mm 23mm 器件速度提高的余地已經(jīng)很小，將來(lái)提高處理 機(jī)速

52、度更多依靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 可從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)方面提高處理機(jī)速度： 提高IPC，從目前的2左右提高到8以上， 采用更深度的流水線和并行處理技術(shù)(3) 價(jià)格直線下降價(jià)格直線下降 CPU芯片的價(jià)格每年要下降80%(4) 可靠性越來(lái)越高可靠性越來(lái)越高 芯片可靠性達(dá)到108小時(shí)，連續(xù)使用1萬(wàn)年以上失失 效效 率率 使使 用用 期期 時(shí)時(shí) 間間 t3. 器件種類(lèi)器件種類(lèi) 通用片通用片：邏輯關(guān)系確定 大批量生產(chǎn)，如：CPU、存儲(chǔ)器、寄存器 現(xiàn)場(chǎng)片現(xiàn)場(chǎng)片：可以一次或多次改寫(xiě)邏輯關(guān)系 如：PLD、PAL、PROM、EPROM、FPGA 用戶片用戶片：各種專用芯片 需要單獨(dú)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。 半用戶片半用戶片：門(mén)陣列片

53、等 標(biāo)準(zhǔn)的門(mén)電路，前幾到工序已經(jīng)完成； 根據(jù)用戶需要確定最終連線。4. 器件發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)組成技術(shù)的影響器件發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)組成技術(shù)的影響 器件速度與處理機(jī)工作主頻器件速度與處理機(jī)工作主頻 1955年第一臺(tái)大型機(jī) IBM704 機(jī)，主頻12us， 1976年巨型向量計(jì)算機(jī)CRAY，主頻12.5ns， 目前，Pentium4 的主頻已經(jīng)達(dá)到 3GHz 器件速度與指令執(zhí)行時(shí)間器件速度與指令執(zhí)行時(shí)間 46年來(lái)器件速度提高年來(lái)器件速度提高104，指令速度快，指令速度快108以以上上 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成技術(shù)的作用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成技術(shù)的作用 器件速度提高減慢器件速度提高減慢, 處理機(jī)主頻提高速度減緩處理機(jī)主頻提高速度

54、減緩 指令執(zhí)行速度的提高基本保持不變指令執(zhí)行速度的提高基本保持不變(摩爾定理摩爾定理)1.4.3 應(yīng)用發(fā)展的影響應(yīng)用發(fā)展的影響1. 應(yīng)用需求應(yīng)用需求 高結(jié)構(gòu)化數(shù)值計(jì)算：氣象模型,流體流動(dòng),有限元分析。 非結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算：蒙特卡洛模擬, 稀疏矩陣。 實(shí)時(shí)多因素問(wèn)題：語(yǔ)音識(shí)別,圖象處理, 計(jì)算機(jī)視覺(jué)。 海量存儲(chǔ)和輸入輸出密集問(wèn)題：數(shù)據(jù)庫(kù), 事務(wù)處理。 圖形學(xué)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。2. 三個(gè)時(shí)期三個(gè)時(shí)期 通用計(jì)算機(jī)：主要是通用科學(xué)計(jì)算 專用計(jì)算機(jī)：科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制 高性能通用機(jī)：滿足多種需求 目前又開(kāi)始多種專用處理機(jī)的研制3. 兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)維持價(jià)格不變，利用VLSI技

55、術(shù)等，提高性能性能基本不變，價(jià)格迅速下降一般先推出中間機(jī)型，然后再分別向高端和低端兩個(gè)方向發(fā)展4. 三種設(shè)計(jì)思想三種設(shè)計(jì)思想最高性能價(jià)格比最高性能價(jià)格比：商用機(jī)。主要發(fā)展方向最高性能：最高性能：國(guó)家安全需要，科技發(fā)展需要 例如：銀河計(jì)算機(jī)、神州計(jì)算機(jī)、最低價(jià)格：最低價(jià)格：家用學(xué)習(xí)機(jī)等1.4.4 改進(jìn)算法的影響改進(jìn)算法的影響 在多個(gè)層次上，算法影響著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在多個(gè)層次上，算法影響著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，例如：快速乘法、除法、開(kāi)平方等的實(shí)現(xiàn)：記分板算法、Tomasulo算法提高指令級(jí)并行性消除名字相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)的算法有些問(wèn)題，如果算法上有突破，不需要高性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而在普通系統(tǒng)上就能得到解決。許

56、多算法還有改進(jìn)的余地，通過(guò)算法的研究能夠大幅度提高系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者要研究算法，應(yīng)該研究一系列算法，使所有同類(lèi)問(wèn)題都能很好解決。1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi)1.5.1 按處理機(jī)性能分類(lèi)按處理機(jī)性能分類(lèi)1.5.2 佛林分類(lèi)法佛林分類(lèi)法1.5.3 庫(kù)克分類(lèi)法庫(kù)克分類(lèi)法1.5.4 馮澤云分類(lèi)法馮澤云分類(lèi)法1.5.5 漢德勒分類(lèi)法漢德勒分類(lèi)法1.5.1 按處理機(jī)性能分類(lèi)按處理機(jī)性能分類(lèi)1. 按大小劃分按大小劃分種類(lèi)：巨型、大型、中型、小型、微型機(jī)巨型、大型、中型、小型、微型機(jī)劃分原則：以性能為特征，按價(jià)格來(lái)劃分以性能為特征，按價(jià)格來(lái)劃分存在問(wèn)題：劃分的標(biāo)準(zhǔn)是隨時(shí)間而變化， 每年左右

57、降低一個(gè)等級(jí)設(shè)計(jì)方法：最高性能 特殊用途 最佳性能價(jià)格比 一般商用計(jì)算機(jī) 最低價(jià)格 家用計(jì)算機(jī)等 Small is fast 價(jià)價(jià)最佳性能價(jià)格比最佳性能價(jià)格比 格格最高性能最高性能巨型機(jī)巨型機(jī)大型機(jī)大型機(jī)等性能線等性能線中型機(jī)中型機(jī)小型機(jī)小型機(jī)最低價(jià)格最低價(jià)格微型機(jī)微型機(jī)( (超微型機(jī)超微型機(jī) ) ) t-3 t-2 t-3 t-2 t-1 t-1 t t t+1t+1時(shí)期時(shí)期2. 按用途劃分按用途劃分種類(lèi)：科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制、工作科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制、工作站、服務(wù)器、家用計(jì)算機(jī)站、服務(wù)器、家用計(jì)算機(jī)等等。劃分原則：科學(xué)計(jì)算：浮點(diǎn)計(jì)算速度 事務(wù)處理：字符處理、十進(jìn)制運(yùn)算 實(shí)時(shí)

58、控制：中斷響應(yīng)速度、I/0能力 工作站：圖形處理能力 服務(wù)器：數(shù)據(jù)處理速度，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力 家用計(jì)算機(jī)：價(jià)格便宜，軟件豐富發(fā)展方向：具備上述所有功能的通用處理機(jī)各種專用處理機(jī)、協(xié)處理器、嵌入式處理機(jī)3. 按數(shù)據(jù)類(lèi)型劃分按數(shù)據(jù)類(lèi)型劃分定點(diǎn)計(jì)算機(jī)、浮點(diǎn)計(jì)算機(jī)、向量計(jì)算機(jī)、堆棧計(jì)算機(jī)等4. 按處理機(jī)個(gè)數(shù)和種類(lèi)劃分按處理機(jī)個(gè)數(shù)和種類(lèi)劃分單處理機(jī)并行處理機(jī)、多處理機(jī)、分布處理機(jī)關(guān)聯(lián)處理機(jī)超標(biāo)量處理機(jī), 超流水線處理機(jī), VLIW處理機(jī)SMP(對(duì)稱多處理機(jī))、MPP(大規(guī)模并行處理機(jī))、機(jī)群(Cluster)系統(tǒng)等5. 按所使用的器件劃分按所使用的器件劃分 按使用的器件劃分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的時(shí)代按使用的器件劃分計(jì)

59、算機(jī)系統(tǒng)的時(shí)代 第一代：第一代：電子管電子管(Valve)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 第二代：第二代：晶體管晶體管(Transistor)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 第三代：第三代：集成電路集成電路(LSI)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 第四代：第四代：大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路(VLSI)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 第五代：智能計(jì)算機(jī)智能計(jì)算機(jī)？ 目前的絕大部分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是VLSI計(jì)算機(jī) 公認(rèn)的第五代計(jì)算機(jī)什么時(shí)候誕生？公認(rèn)的第五代計(jì)算機(jī)什么時(shí)候誕生？ 第五代計(jì)算機(jī)以什么作為標(biāo)志來(lái)劃分？第五代計(jì)算機(jī)以什么作為標(biāo)志來(lái)劃分？1.5.2 1.5.2 佛林分類(lèi)法佛林分類(lèi)法 1966年由Michael.J. Flynn 提出 按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征

60、指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征進(jìn)行分類(lèi) 指令流指令流：機(jī)器執(zhí)行的指令序列 數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列 多倍性多倍性(multiplicity)：在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時(shí)處于 同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個(gè)數(shù) 四種類(lèi)型四種類(lèi)型 (1)單指令流單數(shù)據(jù)流單指令流單數(shù)據(jù)流 SISD(Single Instruction Single Datastream) (2)單指令流多數(shù)據(jù)流單指令流多數(shù)據(jù)流 SIMD(Single Instruction Multiple Datastream) (3)多指令流單數(shù)據(jù)流 MISD(Multiple Instruction Single Datastre

61、am) (4)多指令流多數(shù)據(jù)流多指令流多數(shù)據(jù)流 MIMS(Multiple Instruction Multiple Datastream)ISDSCUPUM MSISD(1) SISD 典型單處理機(jī)典型單處理機(jī)，包括：?jiǎn)喂δ懿考幚頇C(jī)單功能部件處理機(jī)：IBM1401，VAX-11多功能部件多功能部件處理機(jī)處理機(jī)：IBM360/91，370/168， CDC6600等流水線處理機(jī)流水線處理機(jī)，指標(biāo)量流水線處理機(jī)(2) SIMD：并行處理機(jī)、陣列處理機(jī)、向量處理機(jī)、相聯(lián)處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)多個(gè)PU按一定方式互連，在同一個(gè)CU控制下，對(duì)各自的數(shù)據(jù)完成同一條指令規(guī)定的操作；從CU看指

62、令順序執(zhí)行，從PU看數(shù)據(jù)并行執(zhí)行。I IS SD DS S1 1PUMMDS2CUPUDSnMMPUSIMDDSIS1CU1PU1MMIS2IS2CU2PU2MMCUnPUnISn MISD(3) MISD：幾條指令對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的 處理，實(shí)際上不存在IS1DS1CU1PU1MMIS2DS2CU2PU2MMISnDSnCUnPUnMIMD(4) MIMD 多處理機(jī)系統(tǒng)多處理機(jī)系統(tǒng)，包括： 緊密偶合：IBM3081、IBM3084、 UNIVAC-1100/80 松散偶合：D-825, Cmmp, CRAY-2 Flynn分類(lèi)法得到廣泛應(yīng)用分類(lèi)法得到廣泛應(yīng)用 SIMD、MIMD、SPMD、

63、XIMD、 主要缺點(diǎn)：主要缺點(diǎn)：(1)分類(lèi)太粗分類(lèi)太粗 在SIMD中包括有多種處理機(jī) 對(duì)流水線處理機(jī)的劃分不明確， 標(biāo)量流水線為SISD，向量流水線為SIMD(2)根本問(wèn)題是把兩個(gè)不同等級(jí)的功能并列對(duì)待根本問(wèn)題是把兩個(gè)不同等級(jí)的功能并列對(duì)待 數(shù)據(jù)流受指令流控制，造成MISD不存在(3)非馮計(jì)算機(jī)的分類(lèi)？非馮計(jì)算機(jī)的分類(lèi)？其他新型計(jì)算機(jī)的分類(lèi)1.5.3 1.5.3 庫(kù)克分類(lèi)法庫(kù)克分類(lèi)法 1978年由年由 D. J. Kuck提出提出 按控制流和執(zhí)行流分類(lèi)，按控制流和執(zhí)行流分類(lèi)，四種類(lèi)型四種類(lèi)型 (1)單指令流單執(zhí)行流單指令流單執(zhí)行流 SISE(Single Instruction Single

64、Executionstream) 典型的單處理機(jī)典型的單處理機(jī) (2)單指令流多執(zhí)行流單指令流多執(zhí)行流 SIME(Single Instruction Multiple Executionstream) 多功能部件處理機(jī)、相聯(lián)處理機(jī)、向量處理機(jī)、多功能部件處理機(jī)、相聯(lián)處理機(jī)、向量處理機(jī)、 流水線處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、超標(biāo)量處理流水線處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、超標(biāo)量處理 機(jī)、機(jī)、SIMD并行處理機(jī)并行處理機(jī)(3)多指令流單執(zhí)行流多指令流單執(zhí)行流MISE (Multiple Instruction Single Executionstream) 多道程序系統(tǒng)多道程序系統(tǒng) (4)多指令流多執(zhí)行流多指

65、令流多執(zhí)行流MIME (Multiple Instruction Multiple Executionstream) 典型的多處理機(jī)典型的多處理機(jī) 主要缺點(diǎn)主要缺點(diǎn) 有些系統(tǒng)，如分布處理機(jī)等，沒(méi)有總控制器有些系統(tǒng)，如分布處理機(jī)等，沒(méi)有總控制器 分類(lèi)級(jí)別太低，沒(méi)有處理機(jī)級(jí)和機(jī)器級(jí)分類(lèi)級(jí)別太低，沒(méi)有處理機(jī)級(jí)和機(jī)器級(jí) 分類(lèi)太粗，如分類(lèi)太粗，如SIME中包含了多種處理機(jī)中包含了多種處理機(jī)1.5.4 1.5.4 馮澤云分類(lèi)法馮澤云分類(lèi)法 1972年美籍華人馮澤云提出， 用最大并行度對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)用最大并行度對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi) 單位時(shí)間內(nèi)能處理的最大二進(jìn)制位數(shù) 例如：同時(shí)處理的字寬為n，位寬為m，

66、則最大并行度定義為：Pm m 平均并行度：平均并行度：假設(shè)每個(gè)時(shí)鐘周期 ti 內(nèi)能同時(shí)處理的二進(jìn)位數(shù)為Bi，則n個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的平均并行度為： 表示方法：表示方法：處理機(jī)名(m，) ntBPniini/)(1(1)字串位串字串位串WSBS(Word Serial and Bit Serial) 串行計(jì)算機(jī)；串行計(jì)算機(jī)； m1,1；如：如：EDVAC(1, 1)(2)字并位串字并位串WPBS(Word Parallel and Bit Serial) 傳統(tǒng)單處理機(jī)；傳統(tǒng)單處理機(jī)； m1, 1；如：如：Pentium(32, 1)(3)字串位并字串位并WSBP(Word Serial and Bit Parallel) 并行計(jì)算機(jī)、并行計(jì)算機(jī)、MPP、相聯(lián)計(jì)算機(jī)；、相聯(lián)計(jì)算機(jī)；m 1,1； 如：如：MPP(1, 16384), STARAN(1, 256)，DAP(4)字并位并字并位并WPBP(Word Parallel and Bit Parallel) 全并行計(jì)算機(jī)；全并行計(jì)算機(jī)；m 1, 1；如：如：ASC(64, 32)， IILIAC IV(64, 64) , PEPE(32, 2