計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第一章

1、2021年12月10日星期五計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系31. 課程名稱(chēng)課程名稱(chēng) 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)的外通常指一個(gè)系統(tǒng)的外貌貌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)屬性須了解到的計(jì)算機(jī)屬性2021年12月10日星期五計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹43. 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

2、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)2021年12月10日星期五計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹55. 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、

3、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)、新內(nèi)容：新內(nèi)容：超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線(xiàn)處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線(xiàn)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)展快中間兩頭發(fā)展快中間慢慢 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)2021年12月10日星期五計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹66. 課程安排課程安排課內(nèi)：課內(nèi)：64學(xué)

4、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) 多看好論文多看好論文(被被 SCI、EI 收錄收錄)，了解國(guó)內(nèi)，了解國(guó)內(nèi)外最新研究成果外最新研究成果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2021年12月10日星期五計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹7參考書(shū)：參考書(shū)：(1)David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Arch

5、itecture: A Quantitative Approach 3 Ed. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers 中文：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法中文：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法（第二版（第二版,第三版即將出版），清華大學(xué)出版第三版即將出版），清華大學(xué)出版社社 (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、

6、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 Cycle)為 每個(gè)時(shí)鐘周期平

7、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(xiàn)技術(shù)等，依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流水線(xiàn)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(xiàn)級(jí)流水線(xiàn) 350 300 250 200 150 100 50 0 1985 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 D

8、EC 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%。20世紀(jì)世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)微

9、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. 虛擬計(jì)算機(jī)虛擬計(jì)算機(jī)定義：定義：

10、從不同角度所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的從不同角度所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性是不同的。屬性是不同的。主要觀(guān)察角度包括：主要觀(guān)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)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)層次上層次上 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(guān)觀(guān)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(chēng)為稱(chēng)為虛擬機(jī)虛擬機(jī) 從學(xué)科領(lǐng)域來(lái)

11、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(lài)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 第第 1 級(jí)級(jí) ： 微微

12、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 17 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(hù)戶(hù) 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 3 級(jí)級(jí) 操操作作系

13、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(xiàn)線(xiàn)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：CPUCPU類(lèi)型、型號(hào)、主

14、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(xiàn)寬度、微程序例如：數(shù)據(jù)總線(xiàn)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 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義計(jì)

15、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)算機(jī)時(shí)提出系列計(jì)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, 即即概概念性結(jié)構(gòu)念性結(jié)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、（包括：匯編語(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)言、編譯程序、操作系統(tǒng)）機(jī)器語(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)行的程編寫(xiě)出能在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到序所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) 器器主主 存存 控

16、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)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

17、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(chēng)課程名稱(chēng) Computer Organization 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，計(jì)算機(jī)組織，計(jì)算機(jī)原理，計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)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)。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

18、定各種操作對(duì)功能部件的共享程度； 確定專(zhuān)用的功能部件；確定專(zhuān)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)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：要包括： 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(zhuān)用器件的設(shè)計(jì)；專(zhuān)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

19、； 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)，制造工藝及技電源、冷卻及裝配技術(shù)，制造工藝及技術(shù)等。術(shù)等。隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間的界限越來(lái)越模糊。的界限越來(lái)越模糊。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：

20、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)、被執(zhí)行程序等均有關(guān)。行程序等均有關(guān)。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

21、要優(yōu)點(diǎn)：主要優(yōu)點(diǎn)：直觀(guān)、方便。直觀(guān)、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

22、)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 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

23、，萬(wàn)次， 由于用軟件實(shí)現(xiàn)乘除法，等效指令速度降低了由于用軟件實(shí)現(xiàn)乘除法，等效指令速度降低了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 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

24、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(hù)程序中僅占改進(jìn)了在用戶(hù)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：niin1Time1n

25、iin1Rate1iniinWeightTime11niii1RateWeight1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 幾何平均速度與所參考的機(jī)器無(wú)關(guān)，有如下性質(zhì)：幾何平均速度與所參考的機(jī)器無(wú)關(guān)，有如下性質(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

26、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

27、，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)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 m2語(yǔ)語(yǔ)言言賦賦值值IFGOTOI/ODOCALL其其他他FORTRAN46.011.510.56.54.56.015.0COBOL49.619.119.18.46

28、0.170.173.41.3.3 1.3.3 軟件兼容性設(shè)計(jì)方法軟件兼容性設(shè)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，可以不考慮方法二：模擬與仿真方法二：模擬與仿真 Simulation Emulation定義：定義：

29、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(yíng)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(chēng)為宿主機(jī)宿主機(jī)，B機(jī)器稱(chēng)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)行B機(jī)器的指令。A機(jī)器稱(chēng)為宿主機(jī)宿主機(jī)，B機(jī)稱(chēng)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)、

30、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) 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)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

31、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)合：專(zhuān)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)

32、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(hù)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。 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-Ou

33、t)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

34、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、順序線(xiàn)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

35、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(xiàn)結(jié)構(gòu)總線(xiàn)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(xiàn)處理機(jī)，超標(biāo)量處理機(jī)，超流水線(xiàn)處理機(jī)，超標(biāo)量超流水線(xiàn)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(zhuān)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(zhuān)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 系統(tǒng)總線(xiàn)系統(tǒng)總線(xiàn) IO 總線(xiàn)總線(xiàn) 中央處理機(jī)中央處理機(jī)（CPU）主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器（MM

36、）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(xiàn)結(jié)構(gòu)，分散控制總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，分散控制總線(xiàn)：總線(xiàn)： 連接計(jì)算機(jī)各功能部件的連線(xiàn)和管理信連接計(jì)算機(jī)各功能部件的連線(xiàn)和管理信息傳輸規(guī)則的邏輯電路稱(chēng)為總線(xiàn)。息傳輸規(guī)則的邏輯電路稱(chēng)為總線(xiàn)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：在任何時(shí)刻，只能有一個(gè)部件向總線(xiàn)上在任何時(shí)刻，只能有一個(gè)部件向總線(xiàn)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(xiàn)、地址總線(xiàn)、控制總線(xiàn)。數(shù)據(jù)總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、控制總線(xiàn)。 單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)單總線(xiàn)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(xiàn)總線(xiàn) 雙總線(xiàn)結(jié)構(gòu)雙總線(xiàn)結(jié)構(gòu)CPU主存主存擴(kuò)展總線(xiàn)擴(kuò)展總線(xiàn)控制

37、線(xiàn)路控制線(xiàn)路I/O設(shè)備設(shè)備I/O設(shè)備設(shè)備處理機(jī)總線(xiàn)處理機(jī)總線(xiàn)32MHz32或或64位位ISA / EISA8.33MHz 8、16、32位位 . . . . . 三總線(xiàn)結(jié)構(gòu)三總線(xiàn)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(xiàn)處理機(jī)總線(xiàn)100MHz32或或64位位ISA / EISA8.33MHz 8、16、32位位 . . . . .PCI BUS 33MHz 4B擴(kuò)展總線(xiàn)擴(kuò)展總線(xiàn)控制線(xiàn)路控制線(xiàn)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)

38、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(zhuān)題國(guó)際會(huì)議。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，仿生計(jì)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

39、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？失失 效效 率率 使使 用用 期期 時(shí)時(shí) 間間 t1.4.3 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(zhuān)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)

40、：滿(mǎn)足多種需求 目前又開(kāi)始多種專(zhuān)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)

41、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

42、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(xiàn)等性能線(xiàn)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

43、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)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(zhuān)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(xiàn)處理機(jī), VLIW處理機(jī)SMP(對(duì)稱(chēng)多處理機(jī))、MPP(大規(guī)模并行處理機(jī))、機(jī)群(Cluste

44、r)系統(tǒng)等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