计算机系统的评价标准与设计技术.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,计算机系统结构（第2版）,清华大学计算机系列教材 郑纬民 汤志忠 编著,计算机系统的评价标准与设计技术,第1页,课程介绍,10/2/,2,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第2页,1.课程名称,Computer Architecture,计算机系统结构 计算机体系结构,建筑物设计或式样,通常指一个系统外貌,2.,研究内容,从外部来研究计算机系统,使用者所看到物理计算机抽象,编写出能够在机器上正确运行程序所必须了解到计算机属性,10/2/,3,计算机科学与技术系,计算机系统的评价标准与设计技术,第3页,3.,学习目标,建立计算机系统,完整概念,学习计算机系统,分析方法和设计方法,了解计算机系统,最新研究结果,4.,学科方向,一级学科 1 个：计算机科学与技术,二级学科 3 个：,计算机系统结构,、计算机软件及理论、计算机应用技术,全国重点学科：,计算机系统结构,、计算机应用技术,10/2/,4,计算机系统结构 课程介绍,计算机系统的评价标准与设计技术,第4页,5.,与其它学科交叉,学科交叉：,计算机组成、操作系统、汇编语言、数据结构、微计算机技术、计算机网络、,新内容：,超标量处理机、超流水线处理机、VLIW处理机、向量处理机、并行处理机、多处理机、互连网络、,计算机系统结构正处于变革时期,软件-系统结构-实现技术,两头发展快中间慢,非冯计算机正兴起,系统结构发展时期已经到来,10/2/,5,计算机系统结构 课程介绍,计算机系统的评价标准与设计技术,第5页,6.,课程安排,课内：,60课时，,课内外百分比：,课内1：课外1,除完成作业之外，还要多看参考书,多看好论文(被 SCI、EI 收录)，了解国内外最新研究结果,7.教材和参考书,教材：,清华大学计算机系列教材：,计算机系统结构(第二版),，清华大学出版社,10/2/,6,计算机系统结构 课程介绍,计算机系统的评价标准与设计技术,第6页,参考书：,(1)David A.Patterson and John L.Hennessy,Computer Architecture:A Quantitative Approach 3 Ed.San Francisco:Morgan Kaufmann Publishers,汉字：计算机系统结构：一个定量方法（第二版,第三版即将出版），清华大学出版社,(2)Kai Hwang，Advanced Computer Acrchitecture Parallelism Scalability Programmability,汉字：高等计算机系统结构：并行性 可扩展性 可编程性，清华大学出版社、广西科学技术出版社,10/2/,7,计算机系统结构 课程介绍,计算机系统的评价标准与设计技术,第7页,1.1 计算机系统结构介绍,1.2 计算机系统评价标准,1.3 计算机系统设计技术,1.4 计算机系统结构发展,1.5 计算机系统分类,第1章 基本概念,10/2/,8,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第8页,1.1 计算机系统结构介绍,1.1.1 为何要研究系统结构,1.1.2 怎样认识计算机系统,1.1.3 计算机系统结构定义,1.1.4 计算机组成技术,1.1.5 计算机实现技术,10/2/,9,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第9页,1.1.1 为何要研究系统结构,1.提升处理机运算速度：MIPSFz,IPC,其中:,Fz,为处理机工作主频,IPC,(Instruction Per Cycle)为,每个时钟周期平均执行指令条数,提升IPC：依靠先进系统结构,过去，几个或几十个周期完成一条指令,现在，一个周期完成几条指令,提升Fz：,缩短门电路延迟，依靠技术进步,流水线技术等，依靠先进系统结构,从指令串行执行，到P4,20级流水线,10/2/,10,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第10页,10/2/,11,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第11页,2.计算机性能提升几个阶段,20世纪70年代末之前，大型机和小型机计算机性能,每年提升25%30%。,20世纪80年代初，出现微处理机，依靠集成电路技术，性能,每年提升35%,20世纪80年中期，出现RISC技术、高级语言和操作系统等，性能,每年提升50%,1995年，,先进系统结构,对微处理器性能贡献是单纯技术进步,5倍。,3.近几年及未来，计算机性能按摩尔定剪发展。,4.计算机系统设计者们要不停创新。,10/2/,12,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第12页,1.1.2 怎样认识计算机系统,1.虚拟计算机,定义：,从不一样角度所看到计算机系统属性是不一样。,主要观察角度包含：,应用程序员,系统程序员,硬件设计人员,对计算机系统认识通常只需要在某一个层次上,10/2/,13,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第13页,虚拟计算机系统,10/2/,14,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第14页,2.计算机系统,层次结构,计算机系统可分为7个层次,第3级至第6级由,软件实现,称为,虚拟机,从学科领域来划分：,第0级和第1级属于,计算机组成原理,第2级属于,计算机系统结构,第3至第5级属于,系统软件,第6级属于,应用软件,它们之间有交叉,比如：第3级必须依赖第4级和第5级来实现,10/2/,15,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第15页,计算机系统层次结构,10/2/,16,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第16页,17,计算机系统的评价标准与设计技术,第17页,10/2/,18,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第18页,3.,透明性概念,定义：,原来存在事物或属性，从某种角度看似乎不存在,比如：CPU类型、型号、主存放器容量等,对,应用程序员,透明,对,系统程序员、硬件设计人员,等,不透明,比如：浮点数表示、乘法指令,对,高级语言程序员、应用程序员,透明,对,汇编语言程序员、机器语言程序员,不透明,比如：数据总线宽度、微程序,对,汇编语言程序员、机器语言程序员,透明,对,硬件设计人员、计算机维修人员,不透明,10/2/,19,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第19页,1.1.3,计算机系统结构定义,计算机系统结构定义一,Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出,：,程序员,所,看到,计算机系统属性,即,概念性结构,和,功效特征,程序员,：,系统程序员,（包含：汇编语言、机器语言、编译程序、操作系统）,看到,：,编写出能在机器上正确运行程序所必须了解到,10/2/,20,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第20页,概念性结构,IBM360系列计算机概念性结构,10/2/,21,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第21页,数据表示：,硬件能够直接认别和处理数据类型；,寻址技术：,编址方式、寻址方式和定位方式等；,存放器组织：,操作数存放器、变址存放器、控制存放,器及专用存放器定义、数量和使用规则等；,指令系统：,操作类型、格式，指令间排序控制等；,中止系统：,中止类型、中止级别和中止响应方式等；,存放系统：,寻址空间、虚拟存放器、Cache存放器等；,处理机工作状态：,定义和切换方式，如管态和目态等；,输入输出系统：,数据交换方式、交换过程控制等；,信息保护：,信息保护方式和硬件对信息保护支持等。,功效特征,指令系统及其执行模式,10/2/,22,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第22页,2.计算机系统结构定义二,研究软硬件功效分配和对软硬件界面确实定,计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功效上是同等。,同一个功效能够用硬件实现，也能够用软件或固件实现。,不一样组成只是性能和价格不一样,他们系统结构是相同。,系列计算机概念：,相同系统结构,不一样组成和实现一系列计算机系统。,10/2/,23,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第23页,1.1.4 计算机组成技术,1.课程名称,Computer Organization,计算机组成，计算机组织，计算机原理，计算机组成原理,2.研究方法,从内部研究计算机系统,计算机组成是指计算机系统结构逻辑实现。,10/2/,24,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第24页,3.主要研究内容,确定数据通路宽度；,确定各种操作对功效部件共享程度；,确定专用功效部件；,确定功效部件并行度；,设计缓冲和排队策略；,设计控制机构；,确定采取何种可靠性技术。,10/2/,25,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第25页,1.1.5 计算机实现技术,计算机实现是指计算机组成物理实现主要包含：,处理机、主存放器等部件物理结构；,器件集成度和速度；,专用器件设计；,器件、模块、插件、底版划分与连接；,信号传输技术；,电源、冷却及装配技术，制造工艺及技术等。,伴随技术、器件和应用发展，三者之间界限越来越含糊。,10/2/,26,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第26页,1.2.1 运算速度,1.2.2 存放器系统,1.2.3 其它性能,1.2.4 价格标准,1.2 计算机系统评价标准,10/2/,27,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第27页,1.2.1 运算速度,运算速度是表示处理机性能主要指标。,有多种表示处理机运算速度方法。,哪一个表示方法合理？,1.时钟频率（处理机主频）,只能用于同一企业、同一类型、同一配置处理机,如：Pentium4 2.0G比Pentium4 1.6G快25%?,Pentium4 2.4G比Pentium4 1.6G快50%?,只表示CPU指令处理能力,实际运算速度还与Cache、内存、I/O、被执行程序等都有关。,10/2/,28,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第28页,2.指令执行速度,一个经典表示运算速度方法,MIPS,(Million Instructions Per Second),GIPS,TIPS,其中:,Fz,为处理机工作主频,CPI,(Cycles Per Instruction)为,每条指令所需平均时钟周期数,IPC,(Instruction Per Cycle)为,每个时钟周期平均执行指令条数,例1：,计算 PentiumIV 2GHz 处理机指令执行速度。,10/2/,29,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第29页,解：,因为 PentiumIV 2GHz 处理机,IPC4（或CPI0.25）,FzMHz,所以，MIPS,PentiumIV2G,Fz,IPC4,8000MIPS8GIPS,即,每秒钟80亿次,(平均每秒钟执行80亿条指令),主要优点：,直观、方便。,当前还经常使用,主要缺点:,(1)不一样指令执行速度差异很大,(2)指令使用频度差异很大,(3)有相当多非功效性指令,10/2/,30,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第30页,3.等效指令速度：,吉普森（Gibson）法：,加减法50，乘法15，除法5，程序控制15，其它15,静态指令使用频度：在程序中直接统计,动态指令使用频度：在程序执行过程中统计,10/2/,31,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第31页,例2：我国早期研制一个小型计算机DJS-130,定点16位，加法指令每秒50万次，但没有,硬件乘除法指令。用软件实现乘除法，速,度低100倍左右。求等效指令速度。,解：,等效指令速度为：,即每秒2万次，,因为用软件实现乘除法，等效指令速度降低了25倍。,10/2/,32,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第32页,例3：假设在普通程序中浮点开平方操作FPSQR所占,百分比为2，它CPI为100；其它浮点操作,FP所占百分比为23，它CPI4.0；其余,75指令CPI1.33，计算该处理机等效,CPI。假如FPSQR操作CPI也为4.0，重新计算,等效CPI。,解：,等效CPI,1,100,24,231.33,753.92,等效CPI,2,4,251.33,752.00,改进了在用户程序中仅占2开平方操作，整个机器等效运算速度提升了近一倍。,10/2/,33,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第33页,4.,指令执行速度 4 种平均方法,算术平均：,调和平均,(用速率来度量)：,加权平均,加权算术平均：,加权调和平均：,10/2/,34,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第34页,几何平均：,其中：n 指不一样程序，ETR(execution time ratio),i,是第,i,个程序相对于参考机器正交化后执行时间,几何平均速度与所参考机器无关，有以下性质：,几何平均值比率等于比率几何平均值,10/2/,35,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第35页,运行程序P1时，A速度是B10倍；,运行程序P2时，B速度是A10倍；,运行程序P1时，A速度是C20倍；,运行程序P2时，C速度是A50倍；,运行程序P1时，B速度是C2倍；,运行程序P2时，C速度是B5倍。,10/2/,36,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第36页,算术平均：,程序P1和P2各执行1次，B速度是A9.1倍；,程序P1和P2各执行1次，C速度是A25倍；,程序P1和P2各执行1次，C速度是B2.75倍。,结论：,执行程序P1和P2相同次数，,机器A最慢，机器C最快,算术平均速度：,三台机器速度之比为：,A：B：C=1：9.1：25,10/2/,37,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第37页,加权算术平均,加权算术平均W1三台机器速度：,A B C,加权算术平均W2三台机器速度：,A C B,加权算术平均W3三台机器速度：,C B Ds，Ch Cs，,当R很大时，经常使用基本功效适宜用硬件实现,因为：Ds Cs，,当V很大时，生产台数很多时适宜用硬件实现,10/2/,68,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第68页,3.从改进性能考虑软硬件取舍,基本方法：,加紧经常性事件执行速度,Amdahl定律：,系统中某一部件因为采取更加快执行方式后，整个系统性能提升与这种执行方式使用频率或占总执行时间百分比相关,。,在Amdahl定律中，加速比与两个原因相关：,10/2/,69,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第69页,改进后整个任务执行时间为：,其中：,0,为改进前整个任务执行时间。,改进后整个系统加速比到达：,其中：Fe表示可改进部分所占百分比，,(1-Fe)表示不可改进部分所占百分比，,Se表示改进后，可改进部分加速比。,10/2/,70,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第70页,例5：某,部件处理时间仅为整个运行时间,40%，假如将该部件处理速度加紧到10,倍，则采取加紧办法后能使整个系统,性能提升多少？,解：,由题意可知：Fe=0.4,Se=10，,依据Amdahl定律，加速比为：,10/2/,71,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第71页,4.改进性能主要路径,(1),面向目标代码改进,方法：,用一条指令代替一串指令,依据计算结果改进：比如，,增加硬件乘法和硬件除法指令能够,使等效指令速度提升25倍，,据统计数据改进指令功效：,如数据传送指令、快速保留与恢复现场指令等,增加运算型指令功效：,如函数运算指令等,10/2/,72,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第72页,(2)面向高级语言和编译程序改进,：,方法：,增强对高级语言和编译程序支持指令功效,比如：在do循环中，循环体只,有一二条占60%左右，增加,循环控制指令。,比如：条件码对高级语言几乎,无用，在并行计算机中已经取,消条件码。,Im,1,循环体,II+m,3,Im,2,10/2/,73,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第73页,(3)面向操作系统改进：,系统结构设计要规整，消除例外情况。,存放器定义要统一(如 A 存放器等),操作要均匀(如 A-B 与 B-A),全部存放部件都要对称,进程管理和切换,存放管理和信息保护,进程同时与互斥，信号灯管理,处理机工作状态和访问方式转换,这类指令使用频度往往很低，但必须设置,10/2/,74,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第74页,1.3.3 软件兼容性设计方法,原因：,软件相对于硬件成本越来越贵，,已积累了大量成熟系统软件和应用软件。,1.兼容种类,(1)向后兼容：,在某一时间生产机器上运行目标,软件能够直接运行于更晚生产机器上。,(2)向前兼容：,(3)向上兼容：,在低级机器上运行目标软件能够直,接运行于高档机器上。,(4)向下兼容：,向后兼容必须做到，,向上兼容尽可能做到,向前兼容和向下兼容，能够不考虑,10/2/,75,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第75页,方法一：系列机方法,系列机定义:,含有相同系统结构，但组成和实现技术不一样一系列计算机系统,实现方法：,在系统结构基本不变基础上，依据不一样性能和不一样器件，研制出各种性能和价格不一样计算机系统。,一个系统结构能够有各种组成，一个组成也能够有各种物理实现,如IBM370系列机:,115,125,135,145,158,168等,10/2/,76,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第76页,相同指令系统，采取次序执行、重迭、流水和并行处理方式,相同32位字长，数据通路宽度为8位、16位、32位、64位。,如PC系列机有：,不一样主频,：4.7MHz，500MHz，1GHz，2.4GHz,3GHz,不一样扩展,：Pentium、Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium SSE、Pentium SSE2,不一样Cache,：Pentium、Celeron、Xeon,不一样字长,：8位、16位、32位、64位,10/2/,77,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第77页,采取系列机方法主要优点：,(1)系列机之间软件兼容，可移植性好,(2)插件、接口等相互兼容,(3)便于实现机间通信,(4)便于维修、培训,(5)有利于提升产量、降低成本,采取系列机方法主要缺点：,限制了计算机系统结构发展,如PC系列机，其系统结构非常落后，使用也最普及,10/2/,78,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第78页,方法二：模拟与仿真,Simulation Emulation,定义：,在一台现有计算机上实现另一台计算机指令系统。,全部用软件实现叫,模拟，,用软件、硬件、固件混合实现叫,仿真,模拟实现方法,在A计算机上经过解释或编译实现B计算机指令系统。A机器称为,宿主机,，B机器称为,虚拟机,。,仿真实现方法,直接用A机器一段微程序解释执行B机器指令。A机器称为,宿主机,，B机称为,目标机,。,10/2/,79,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第79页,优缺点比较,模拟方法速度低，仿真方法速度高,仿真需要较多硬件（包含控制存放器）,系统结构差异大机器难于用仿真方法实现,除了指令系统之外，还有存放系统、I/O系统、中止系统、控制台操作等,模拟方法用于计算机系统设计过程,在一台已经有机器上用模拟方法实现正在设计中机器指令系统等。详细过程以下：,设计方案,模拟,性能评价,修改设计,投产,10/2/,80,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第80页,方法三：统一高级语言,实现方法：,采取同一个不依赖于任何详细机器高级语言编写系统软件和应用软件。,困难：,至今还没有这么一个高级语言，短期内极难实现。,C、Ada、Java、,三种方法比较：,采取统一高级语言最好，是努力目标,系列机是暂时性方法，也是当前最好方法,仿真速度低，芯片设计负担重，当前用于同一系列机内兼容，1/101/2芯片面积用于仿真,10/2/,81,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第81页,方法四：目标代码并行编译技术,一个新研究课题,一个机器目标代码重新编译到另一个机器并行目标代码,两种方法：,(1)动态代码转换,例1：,IBM企业研制,DAISY,(Dynamically Architected Instruction Set from Yorktown),处理机,例2：,Transmeta企业研制,Crusoe处理机,已经大量应用于笔记本计算机，其功耗很低。,(2)静态重编译,：正在研究过程中，难度很大,10/2/,82,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第82页,动态代码转换技术,采取,动态二进制转换技术,实现与X86等处理机兼容，把X86等通用处理机程序直接映射到VLIW处理机中执行。,IBM企业推出了开放源代码DAISY，它不但能够实现IBMVLIW处理器与X86处理机之间二进制兼容，还能够实现PowerPC、S/390、IBMJava虚拟机与VLIW处理器之间二进制兼容,Transmeta企业推出了,“Code Morphing Software”,，这种软件能够确保Transmeta企业VLIW处理机Crusoe能够与X86处理机之间实现二进制代码兼容,10/2/,83,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第83页,1.3.4 计算机系统设计过程,方法1：由上向下（Top-Down）,设计过程：,由上向下,面向应用数学模型,面向应用高级语言,面向这种应用操作系统,面向操作系统和高级语言机器语言,面向机器语言微指令系统和硬件实现,应用场所：,专用计算机设计,特点：,对于所面向应用领域，性能和性能价格比很高。伴随通用计算机价格降低，当前已经极少采取,10/2/,84,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第84页,方法2：由下向上（Bottom-Up),设计过程：,依据当初器件水平，设计微程序机器级和传统机器级,依据不一样应用领域设计各种操作系统、汇编语言、高级语言编译器等,最终设计面向应用用户级,应用场所：通用计算机一个设计方法，,在计算机早期设计中（6070年代）广为采取,特点：,轻易使软件和硬件脱节，整个计算机系统效率降低。,10/2/,85,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第85页,方法3：中间开始（Middle-Out),用于系列计算机设计过程中,10/2/,86,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第86页,方法3：中间开始（Middle-Out),设计过程：,首先定义软硬件分界面,(指令系统、存放系统、输入输出系统、中止系统、硬件对操作系统和编译系统支持等),然后各个层次分别进行设计,(软件设计人员设计操作系统、高级语言、汇编语言、应用程序等，硬件设计人员设计传统机器、微程序、硬联逻辑等),应用场所,：用于系列机设计,特点：,软硬件人员结合、同时设计，软硬件功效分配合理。,10/2/,87,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第87页,1.4 计算机系统发展,1.4.1 冯诺依曼结构,1.4.2 器件发展影响,1.4.3 应用发展影响,1.4.4 改进算法影响,10/2/,88,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第88页,1.4.1 冯诺依曼结构,Van Nenmann,基本思想,于1936年1946年期,间形成，,由冯诺依曼等人于1946年提出,10/2/,89,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第89页,1.特点:存放程序、运算器为中心、集中控制,存放器是字长固定、次序线性编址一维结构，每个地址是唯一定义。,4096,个字、40位。,由指令形式低级机器语言驱动。,指令次序执行，即普通按照指令在存放器中存放次序执行，程序分支由转移指令实现。,运算器为中心，输入输出设备与存放器之间数据传送都途经运算器。,运算器、存放器、输入输出设备操作以及它们之间联络都由控制器集中控制。,10/2/,90,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第90页,2.当代处理机对冯诺依曼结构改进,不变：,存放程序,改变：,存放器为中心,总线结构,分散控制,从基于串行算法变为适应并行算法，出现了向量计算机，并行计算机、多处理机等,流水线处理机，超标量处理机，超流水线处理机，超标量超流水线处理机,数据库计算机和知识库计算机,专用计算机，如FFT变换机、过程控制计算机,为取得高可靠性而研制容错计算机,功效分散化、专业化，出现了各种分布计算机、外围处理机、通信处理机等,10/2/,91,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第91页,存放器为中心、分散控制,10/2/,92,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第92页,总线结构，分散控制,总线：,连接计算机各功效部件连线和管理信息传输规则逻辑电路称为总线。,特点：,在任何时刻，只能有一个部件向总线上发送信息，能够有多个部件同时接收信息。,组成：,数据总线、地址总线、控制总线。,单总线结构,CPU,主存,输入,设备,输出,设备,总线,10/2/,93,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第93页,双总线结构,CPU,主存,扩展总线,控制线路,I/O设备,I/O设备,处理机总线,32MHz,32或64位,ISA/EISA,8.33MHz,8、16、32位,.,10/2/,94,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第94页,三总线结构,CPU,主存,PCI桥,I/O设备,I/O设备,处理机总线,100MHz,32或64位,ISA/EISA,8.33MHz,8、16、32位,.,PCI BUS,33MHz 4B,扩展总线,控制线路,I/O设备,I/O设备,接快速设备,接慢速设备,10/2/,95,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第95页,3.非冯计算机发展,什么是非冯计算机？非指令驱动，,从传统指令驱动型改变为数据驱动型，出现了数据流机计算机。,从传统指令驱动型改变为需求驱动型，出现各种图归约计算机。,处理非数值化信息智能计算机，自然语言、声音、图形和图象处理,虚拟现实处理等,第五代计算机，由推理机和知识库机等组成。历经，召开过屡次专题国际会议。,神经网络计算机，仿生计算机，,10/2/,96,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第96页,1.4.2 器件发展影响,1.第1代至第4代计算机以器件来划分,第一代：,电子管,(Valve),第二代：,晶体管,(Transistor),第三代：,集成电路,(LSI),第四代：,大规模集成电路,(VLSI),第五代：,智能计算机,？,第五代计算机以什么作为标志来划分？,第五代计算机什么时候诞生？,10/2/,97,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第97页,2.器件发展特点,(1),集成度快速提升,当前水平：每个芯片有10,10,个晶体管,单芯片内能够做大于1Gb存放器，,单芯片内能够集成2个CPU全部Cache,每45年提升一个数量级,还远没有到达集成度极限,问题？,怎样利用器件集成度提升，不停改进计算机系统性能：比如，,有更多指令并行执行，采取更深流水线，集成更多Cache等,10/2/,98,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第98页,(2)提升,速度空间不大,当前CPU主频已经抵达6GHz，,时钟周期0.16ns，门延迟小于0.01ns,极限速度30万公里/秒/21.5mm/0.01ns,信号在导体中传递速度小于光速50。,Pentium芯片面积500mm,2,，即23mm,23mm,器件速度提升余地已经很小，未来提升处理,机速度更多依靠系统结构发展,可从系统结构两个方面提升处理机速度：,提升IPC，从当前2左右提升到8以上，,采取更深度流水线和并行处理技术,10/2/,99,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第99页,(3),价格直线下降,CPU芯片价格每年要下降80%,(4),可靠性越来越高,芯片可靠性到达10,8,小时，连续使用1万年以上,10/2/,100,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第100页,3.器件种类,通用片,：,逻辑关系确定,大批量生产，如：CPU、存放器、存放器,现场片,：,能够一次或屡次改写逻辑关系,如：PLD、PAL、PROM、EPROM、FPGA,用户片,：,各种专用芯片,需要单独设计和生产。,半用户片,：,门阵列片等,标准门电路，前几到工序已经完成；,依据用户需要确定最终连线。,10/2/,101,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第101页,4.器件发展对计算机组成技术影响,器件速度与处理机工作主频,1955年第一台大型机 IBM704 机，主频12us，,1976年巨型向量计算机CRAY，主频12.5ns，,当前，Pentium4 主频已经到达 3GHz,器件速度与指令执行时间,46年来器件速度提升10,4,，指令速度快10,8,以上,系统结构和组成技术作用,器件速度提升减慢,处理机主频提升速度减缓,指令执行速度提升基本保持不变(摩尔定理),10/2/,102,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第102页,1.4.3 应用发展影响,1.应用需求,高结构化数值计算：气象模型,流体流动,有限元分析。,非结构化数值计算：蒙特卡洛模拟,稀疏矩阵。,实时多原因问题：语音识别,图象处理,计算机视觉。,海量存放和输入输出密集问题：数据库,事务处理。,图形学和设计系统：计算机辅助设计。,2.三个时期,通用计算机：主要是通用科学计算,专用计算机：科学计算、事务处理、实时控制,高性能通用机：满足各种需求,当前又开始各种专用处理机研制,10/2/,103,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第103页,3.两个发展趋势,维持价格不变，利用VLSI技术等，提升性能,性能基本不变，价格快速下降,普通先推出中间机型，然后再分别向高端和低端两个方向发展,4.三种设计思想,最高性能价格比,：商用机。主要发展方向,最高性能：,国家安全需要，科技发展需要,比如：银河计算机、神州计算机、,最低价格：,家用学习机等,10/2/,104,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第104页,1.4.4 改进算法影响,在多个层次上，算法影响着系统结构，,比如：,快速乘法、除法、开平方等实现：,记分板算法、Tomasulo算法提升指令级并行性,消除名字相关、数据相关、控制相关算法,有些问题，假如算法上有突破，不需要高性能系统结构，而在普通系统上就能得到处理。,许多算法还有改进余地，经过算法研究能够大幅度提升系统性能。,系统结构设计者要研究算法，应该研究一系列算法，使全部同类问题都能很好处理。,10/2/,105,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第105页,1.5 计算机系统分类,1.5.1 按处理机性能分类,1.5.2 佛林分类法,1.5.3 库克分类法,1.5.4 冯泽云分类法,1.5.5 汉德勒分类法,10/2/,106,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第106页,1.5.1 按处理机性能分类,1.按大小划分,种类：,巨型、大型、中型、小型、微型机,划分标准：,以性能为特征，按价格来划分,存在问题：划分标准是随时间而改变，,每年左右降低一个等级,设计方法：最高性能 特殊用途,最正确性能价格比 普通商用计算机,最低价格 家用计算机等,Small is fast,10/2/,107,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第107页,价,最正确性能价格比,格,最高性能,巨型机,大型机,等性能线,中型机,小型机,最低价格,微型机,(,超微型机,),t-3 t-2,t-1,t,t+1,时期,10/2/,108,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第108页,2.按用途划分,种类：,科学计算、事务处理、实时控制、工作站、服务器、家用计算机,等,。,划分标准：科学计算：浮点计算速度,事务处理：字符处理、十进制运算,实时控制：中止响应速度、I/0能力,工作站：图形处理能力,服务器：数据处理速度，数据存放能力,家用计算机：价格廉价，软件丰富,发展方向：具备上述全部功效通用处理机,各种专用处理机、协处理器、嵌入式处理机,10/2/,109,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第109页,3.按数据类型划分,定点计算机、浮点计算机、向量计算机、堆栈计算机等,4.按处理机个数和种类划分,单处理机,并行处理机、多处理机、分布处理机,关联处理机,超标量处理机,超流水线处理机,VLIW处理机,SMP(对称多处理机)、MPP(大规模并行处理机)、机群(Cluster)系统等,10/2/,110,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第110页,5.按所使用器件划分,按使用器件划分计算机系统时代,第一代：,电子管,(Valve),计算机,第二代：,晶体管,(Transistor),计算机,第三代：,集成电路,(LSI),计算机,第四代：,大规模集成电路,(VLSI),计算机,第五代：,智能计算机,？,当前绝大部分计算机系统是VLSI计算机,公认第五代计算机什么时候诞生？,第五代计算机以什么作为标志来划分？,10/2/,111,计算机系统结构 第一章 基本概念,计算机系统的评价标准与设计技术,第111页,1.5.2 佛林分类法,1966年由Michael.J.Flynn 提出,按照,指令流和数据流多倍性特征,进行分类,指令流,：,机器执行指令序列,数据流,：,由指令流调用数据序列,多倍性,(multiplicity)：,在系统性能瓶颈部件上同时处于,同一执行阶段指令或数据最大可能个数,四