計算機組成與體系結(jié)構(gòu) 課件 01計算機系統(tǒng)概述、02系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)

計算機系統(tǒng)概述計算機組成與體系結(jié)構(gòu)如何計算？數(shù)據(jù)表示計算對象是什么？運算規(guī)則運算的具體方法過程控制如何控制運算完成如何用計算機完成計算？電子數(shù)字通用計算機系統(tǒng)電子非電子（機械、機電）量子計算機數(shù)字模擬通用專用GPUASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)……計算發(fā)展史——電子計算機阿塔納索夫-貝瑞計算機（Atanasoff-BerryComputer，簡稱ABC）1939年，愛荷華州立大學(xué)ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，電子數(shù)字積分計算機)1945年，賓夕法尼亞大學(xué)關(guān)于ENIAC1946年2月15日，由美國夕法尼亞大學(xué)的物理學(xué)家約翰·莫克利（JohnMauchly）和工程師普雷斯伯·埃克特（JPresperEckert）領(lǐng)導(dǎo)研制成功機器中約有18800只電子管，1500個繼電器，70000只電阻及其他各類電氣元件運行時耗電140千瓦，8英尺高，3英尺寬，100英尺長，占用長度超過30米的房間，重量達30噸運算速度：加法5000次/秒，乘法333次/秒ENIAC的典型特征采用十進制；無存儲器，只有20個10位的累加器，至多只能存20個字長10位的十進制數(shù)；程序是“外插型”的，即用線路連接的方式來實現(xiàn)的與現(xiàn)代計算機的計算方式相同嗎？計算發(fā)展史——未來的計算機超導(dǎo)計算機光計算機量子計算機（quantumcomputer）生物計算機（biologicalcomputer）……電子計算機的發(fā)展第一代（1946～1954）電子管(radiotube/electronicvalve)計算機第二代（1955～1964）晶體管(transistor)計算機第三代（1965～1973）集成電路(integratedcircuit,IC)計算機第四代（1974～現(xiàn)在）大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路(LSI/VLSI)計算機摩爾定律Moore’sLaw戈登·摩爾(GordonMoore)，Intel公司的創(chuàng)始人之一最早出現(xiàn)是在1965年4月19日，發(fā)表于《電子學(xué)》雜志第114頁的摩爾（時任仙童半導(dǎo)體公司工程師）撰寫的文章三個版本集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個月就翻一番微處理器的性能每隔18個月提高一倍，或價格下降一半相同價格能買到的電腦，性能每隔18個月增加一倍摩爾定律足足保持差不多40年計算機體系結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）：計算機體系結(jié)構(gòu)是指那些能夠被程序員所看見的計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性。計算機組成（ComputerOrganization）：計算機組成是指如何實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性，它包含了許多對程序員來說是透明的（即程序員不知道的）硬件細節(jié)。計算機實現(xiàn)（ComputerImplementation）：指計算機組成的物理實現(xiàn)。電子計算機的分類電子計算機數(shù)字式通用計算機(generalpurposecomputer)巨、大、中、小、微、單板、單片……專用計算機(specialpurposecomputer)IOP、DSP模擬式專用計算機數(shù)字信號處理,DigitalSignalProcess,DSP協(xié)處理器,coprocessor圖形處理器,GraphicsProcessingUnit,GPUASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)微型計算機發(fā)展最快的，普及最廣泛的一類計算機以微處理芯片為代表微型計算機發(fā)展的里程碑第一塊微處理器芯片Intel4004第一臺商用微型計算機Altair88001976年，SteveJobs和SteveWozniak創(chuàng)建了蘋果計算機公司1981年，IBM的PC系列/微軟的崛起/微型計算機的分類microcomputerserverworkstationpersonalcomputerlaptoptablet……我們常用的是哪種？它們之間有什么區(qū)別嗎？SupercomputerTOP500SupercomputerSites/TheTOP500projectwasstartedin1993toprovideareliablebasisfortrackinganddetectingtrendsinhigh-performancecomputing.Twiceayear,alistofthesitesoperatingthe500mostpowerfulcomputersystemsisassembledandreleased.ThebestperformanceontheLinpackbenchmarkisusedasperformancemeasureforrankingthecomputersystems.普林斯頓結(jié)構(gòu)馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)（VonNeumannarchitecture），也稱馮·紐曼模型（VonNeumannmodel）普林斯頓結(jié)構(gòu)（Princetonarchitecture）結(jié)果程序輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲器運算器控制器結(jié)果程序輸入設(shè)備輸出設(shè)備運算器存儲器控制器哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)（Harvardarchitecture）是一種將程序指令儲存和數(shù)據(jù)儲存分開的存儲器結(jié)構(gòu)非馮?諾依曼計算機在馮?諾依曼體制范疇內(nèi)，對傳統(tǒng)馮?諾依曼機進行改造流水線用多個馮?諾依曼機組成多機系統(tǒng)，支持并行算法結(jié)構(gòu)多核心處理器多處理機系統(tǒng)從根本上改變馮?諾依曼機的控制流驅(qū)動方式CPU(CentralProcessingUnit)GPU(GraphicsProcessingUnit)TPU(TensorProcessingUnit)NPU(NeuralnetworkProcessingUnit)BPU(BrainProcessingUnit)DPU(DeeplearningProcessingUnit)計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)由硬件（子）系統(tǒng)和軟件（子）系統(tǒng)組成計算機的硬件：由電子、機械和光電元件等組成的各種部件和設(shè)備計算機的軟件：指安裝在計算機系統(tǒng)中的程序和有關(guān)的文件計算機系統(tǒng)組成計算機軟件Software指計算機系統(tǒng)中的程序及其文檔，程序是計算任務(wù)的處理對象和處理規(guī)則的描述；文檔是為了便于了解程序所需的闡明性資料分類系統(tǒng)軟件：負責(zé)管理計算機系統(tǒng)中各種獨立的硬件，使得它們可以協(xié)調(diào)工作應(yīng)用軟件：為了某種特定的用途而被開發(fā)的軟件計算機軟件著作權(quán)保護1991年，《計算機軟件保護條例》匯編語言層操作系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層數(shù)字邏輯層高級語言層應(yīng)用層微體系結(jié)構(gòu)層軟件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)硬件和軟件的邏輯等價性硬件和軟件在邏輯上是等價的任何由軟件實現(xiàn)的操作都可直接由硬件來完成的任何由硬件實現(xiàn)的指令都可由軟件來模擬根據(jù)當(dāng)時的成本、速度、可靠性等因素來決定的，并且會隨著計算機技術(shù)的發(fā)展趨勢和計算機應(yīng)用范圍的變化而改變硬件與軟件的發(fā)展變化早期硬件成本高硬件是計算機系統(tǒng)設(shè)計考慮的核心問題軟件為硬件服務(wù)，研究如何發(fā)揮硬件優(yōu)勢后期軟件開發(fā)成本持續(xù)升高硬件設(shè)計圍繞如何對軟件的優(yōu)化提供支持操作系統(tǒng)優(yōu)化編譯器（高級語言）優(yōu)化主要技術(shù)與性能指標(biāo)計算機字長(WordSize)CPU速度主頻(ClockSpeed,ClockRate)MIPS(MillionInstructionsPerSecond)MFLOPS(MillionFloating-pointOperationsperSecond)CPI(ClockcyclePerInstruction)存儲容量內(nèi)存存取周期和外存數(shù)據(jù)傳輸率I/O設(shè)備的入出速度系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)計算機組成與體系結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)計算機是由一組相互之間通信的3種基本類型（CPU、存儲器和I/O）的部件或模塊組成的網(wǎng)絡(luò)。因此，必須有使模塊連接在一起的通路連接各種模塊的通路的集合稱為互連結(jié)構(gòu)早期使用分散連接，即部件之間使用單獨的連線，連線復(fù)雜，影響了CPU的效率在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中，互連結(jié)構(gòu)已成為決定計算機性能的重要因素之一現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu)總線和各種多總線結(jié)構(gòu)（包括層次式總線）BusInterconnection現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu)點對點互連Point-to-PointInterconnect總線的基本概念總線(Bus)：計算機系統(tǒng)的互聯(lián)機構(gòu)，是連接兩個或多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路總線的關(guān)鍵特征是共享傳輸媒質(zhì)連接到總線上的功能模塊有主動和被動兩種形態(tài)主方(Master)：可以啟動一個總線周期從方(Slave)：只能響應(yīng)主方請求總線的分類一個單處理器系統(tǒng)中的總線，大致分為如下幾類：內(nèi)部總線：CPU內(nèi)部連接各寄存器及運算部件之間的總線系統(tǒng)總線：CPU同計算機系統(tǒng)的其他具有高速傳輸功能的部件I/O總線：中、低速I/O設(shè)備之間互相連接的總線多處理器系統(tǒng)中，還要有通信總線總線特性機械特性：機械特性是指總線在機械連接方式上的一些性能，保證機械上的可靠連接電氣特性：電氣特性是指總線的每一根傳輸線上信號的傳遞方向和有效的電平范圍，確保電氣上正確連接功能特性：功能特性是指總線中每根傳輸線的功能時間特性：時間特性是指總線中的任一條線在什么時間內(nèi)有效總線性能指標(biāo)總線寬度標(biāo)準(zhǔn)傳輸率時鐘同步/異步總線復(fù)用總線控制方式其他指標(biāo)總線內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線：系統(tǒng)模塊間傳輸數(shù)據(jù)的路徑成組使用雙向地址總線：指定數(shù)據(jù)總線上數(shù)據(jù)的來源和去向成組使用單向控制總線：控制對數(shù)據(jù)地址線的訪問和使用單獨使用單向/雙向總線連接方式單總線雙總線多總線層間總線單總線雙總線存儲總線系統(tǒng)總線CPUMM接口接口I/OI/O……LocalBus系統(tǒng)總線-I/O總線接口接口接口IOPMMCPUI/OI/OI/O…系統(tǒng)總線I/O總線…傳統(tǒng)總線示例層間/高性能總線示例多總線示例層間總線BridgeMMCacheCPUBridge高速I/O…系統(tǒng)總線高速總線Cache總線高速I/O低速I/O低速I/O低速I/O擴展總線總線標(biāo)準(zhǔn)所謂總線標(biāo)準(zhǔn)，可視為系統(tǒng)與各模塊、模塊與模塊之間的一個互連的標(biāo)準(zhǔn)界面對標(biāo)準(zhǔn)總線的要求：支持眾多性能不同的模塊支持批量生產(chǎn)，并要質(zhì)量穩(wěn)定、價格低廉可替換、可組合微型計算機常用的標(biāo)準(zhǔn)總線ISA（IndustrialStandardArchitecture）總線：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線，8位（后來16位）數(shù)據(jù)線，20位（后來24位）地址線，工作頻率8.33MHzEISA（ExtendedIndustrialStandardArchitecture）總線：擴展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線，16或32位數(shù)據(jù)線，32位地址線，工作頻率8.33MHz，支持Burst方式傳輸數(shù)據(jù)VESA（VideoElectronicsStandardAssociation）總線：32位局部總線，連接顯卡、網(wǎng)卡等，最高工作頻率33MHz。沒有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，各廠家產(chǎn)品兼容性差，針對80486PCI（PeripheralComponentInterface）總線：外圍部件互連總線（局部總線），V1.0支持33MHz工作頻率，32位地址和數(shù)據(jù)線互用；V2.1支持66MHz工作主頻，64位地址和數(shù)據(jù)線互用總線設(shè)計要素總線仲裁機制(Arbitration)定時方式(SequentialSystem/Timing)數(shù)據(jù)傳輸模式(DataTransferType)總線寬度(BusWidth)總線復(fù)用方式(Time-DivisionMultiplexing,TDM)

總線仲裁仲裁原則公平性優(yōu)先級集中式仲裁鏈?zhǔn)讲樵兎绞接嫈?shù)器定時查詢方式獨立請求方式分布式仲裁不需要中央仲裁器，每個潛在的主方功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器鏈?zhǔn)讲樵兎绞芥準(zhǔn)讲樵兎绞降囊环N實現(xiàn)計數(shù)器定時查詢方式獨立請求方式總線定時同步(synchronoustiming)：事件在總線上的時刻由總線時鐘信號來確定，傳輸頻率較高，適用于各功能模塊速度相差不多的情況。異步(asynchronoustiming)：應(yīng)答方式或互鎖機制?？偩€周期長度可變，適用于快速、慢速設(shè)備連接到同一總線。同步時序異步時序總線數(shù)據(jù)傳輸模式讀、寫：總線傳輸?shù)淖罨拘问剑彩撬锌偩€系統(tǒng)都必須支持的傳輸方式成塊傳輸：現(xiàn)代總線具有的特征，可實現(xiàn)與高速設(shè)備的信息傳輸讀－修改－寫：主要用于共享存儲器的保護，如進程管理中的PV原語、管程等寫后讀：主要用于數(shù)據(jù)校驗總線寬度并行(parallel)總線：一次可以傳送多個二進制位串行(serial)總線：一次只能傳送一個二進制位總線復(fù)用分時復(fù)用常見實例：數(shù)據(jù)線、地址線復(fù)用分時復(fù)用優(yōu)點節(jié)省空間和成本分時復(fù)用缺點控制電路復(fù)雜潛在的性能降低PCI總線PCI(PeripheralComponentInterconnect)總線是一種高性能局部總線，是為了滿足外設(shè)間以及外設(shè)與主機間高速數(shù)據(jù)傳輸而提出來的。1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI-SIG

(PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup)/SpecYearChangesummaryPCI1.01992OriginalissuePCI2.01993Incorporatedconnectorandadd-incardspecificationPCI2.11995Incorporatedclarificationsandadded66

MHzchapterPCI2.21998Incorporated

ECNs,andimprovedreadabilityPCI2.32002IncorporatedECNs,errata,anddeleted5voltonlykeyedadd-incardsPCI3.02004Removedsupportfor5.0voltkeyedsystemboardconnectorPCI總線連接示例PCIExpress總線2001年春季的IDF上Intel正式公布PCIExpress(PCIe)，是取代PCI總線的第三代I/O技術(shù)，也稱為3GIO，旨在替代舊的PCI、PCI-X和AGP總線標(biāo)準(zhǔn)采用點對點串行連接，比起PCI以及更早期的計算機總線的共享并行架構(gòu)，每個設(shè)備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數(shù)據(jù)傳輸率提高到一個很高的頻率，達到PCI所不能提供的高帶寬PCIe交由PCI-SIG認證發(fā)布后才改名為PCI-Express/PCIExpress1X數(shù)據(jù)通道PCIExpress拓撲示例PCIExpress協(xié)議結(jié)構(gòu)現(xiàn)代微型計算機常用總線比較規(guī)格總線寬度時鐘頻率資料速率PCI2.332位33/66MHz133/266MB/sPCI-X1.064位66/100/133MHz533/800/1066MB/sPCI-X2.0（DDR）64位133MHz2.1GB/sPCI-X2.0（QDR）64位133MHz4.2GB/sAGP2X32位66MHz*2=532MB/sAGP4X32位66MHz*4=1.0GB/sAGP8X32位66MHz*8=2.1GB/sPCIe1.0X11位2.5GHz500MB/s（雙工，文稿數(shù)據(jù)）PCIe1.0X22位2.5GHz1GB/s（雙工）PCIe1.0X44位2.5GHz2GB/s（雙工）PCIe1.0X88位2.5GHz4GB/s（雙工）PCIe1.0X1616位2.5GHz8GB/s（雙工）PCIExpresslinkperformanceVersionIntro-

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GT/s0.250

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