第1章_2計算機系統(tǒng)機構.ppt

1、第一章基本概念,1.1 計算機系統(tǒng)結構的定義 1.2 計算機系統(tǒng)的評價標準 1.3 計算機系統(tǒng)的設計方法 1.4 計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展 1.5 計算機系統(tǒng)的分類,1.4 計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展,1.4.1 馮諾依曼(Van Nenmann)結構 1.4.2 器件發(fā)展對系統(tǒng)結構的影響 1.4.3 應用對系統(tǒng)結構發(fā)展的影響 1.4.4 算法對系統(tǒng)結構的影響,1.4 計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展 1.4.1 馮諾依曼(Van Nenmann)結構 基本思想于1936年1946年期間形成 由馮諾依曼等人于1946年提出 1. 特點：存儲程序 運算器為中心 集中控制 存儲器是字長固定的、順序線性編址的一維結構。

2、存儲器提供可按地址訪問的一級地址空間，每個地址是唯一定義的。,由指令形式的低級機器語言驅(qū)動。 指令順序執(zhí)行，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)。 運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運算器。運算器、存儲器、輸入輸出設備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。 2. 改進：存儲程序，存儲器為中心，分散控制 從基于串行算法變?yōu)檫m應并行算法，出現(xiàn)了向量計算機，并行計算機、多處理機等。,高級語言與機器語言的語義距離縮小，出現(xiàn)了面向高級語言機器和直接執(zhí)行高級語言機器。,硬件子系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件相適應，出現(xiàn)了面向操作系統(tǒng)機器和數(shù)據(jù)庫計算機等

3、。 從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動型和需求驅(qū)動型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機器和歸約機。 為適應特定應用環(huán)境而出現(xiàn)了各種專用計算機，如快速傅里葉變換機器、過程控制計算機等。 為獲得高可靠性而研制容錯計算機。,功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種功能分布計算機，包括外圍處理機、通信處理機等。 出現(xiàn)了與大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路相適應的計算機系統(tǒng)結構。 出現(xiàn)了處理非數(shù)值化信息的智能計算機，例如自然語言、聲音、圖形和圖象處理等。 3. 非馮計算機的發(fā)展,1.4.2 器件發(fā)展對系統(tǒng)結構的影響 第14代計算機以器件來劃分 在相當長一段時間內(nèi)，是提高計算機速度的主要途徑 1. 器件發(fā)展的特點：用4句話概括： 集成度迅速提高

4、，速度已接近極限， 價格直線下降， 可靠性越來越高 集成度迅速提高目前水平：每0.25平方英寸108個晶體管；單芯片內(nèi)可以做256Mb存儲器，CPU部分Cache,每5年左右提高一個數(shù)量級；到2018年，單芯片內(nèi)可以做100個處理機 速度已接近極限目前CPU主頻已經(jīng)到達1000MHz以上，門延遲0.1ns；極限速度：30萬公里/秒3cm/0.1nsmm/0.01ns器件速度發(fā)展的余地很小根據(jù)摩爾定理，處理機速度每10年要提高100倍將來處理機速度提高主要靠系統(tǒng)結構、組成和實現(xiàn)技術,價格直線下降例如：CPU芯片剛推出時1000美元，一年后降到200美元 可靠性越來越高芯片可靠性到達108小時，即

5、連續(xù)使用1萬年以上,2. 器件種類 通用片：大批量生產(chǎn)，CPU、存儲器、寄存器、邏輯門、 現(xiàn)場片：PLD、PAL、PROM、EPROM、FPGA。 用戶片：各種專用芯片 半用戶片：門陣列片等 3. 器件發(fā)展對組成技術的影響 器件速度與處理機工作主頻1955年第一臺大型計算機IBM704機處理機主頻：12us，門延遲：0.5us,1976年巨型向量計算機CRAY，采用ECL電路處理機主頻：12.5ns，門延遲：0.5ns目前: PentiumIII 600MHz， Alpha 1000MHz處理機主頻：1.2ns，門延遲 0.1ns 器件速度與指令執(zhí)行時間40多年來，器件速度提高小于104；指令

6、執(zhí)行加快108 系統(tǒng)結構和組成技術的作用器件速度的提高最慢，已經(jīng)沒有太大潛力,處理機主頻提高的速度已經(jīng)減緩指令執(zhí)行速度的提高基本保持不變 4. 器件發(fā)展對設計方法的影響 計算機組成技術下移原來只有在巨型機、大型機中采用的技術，已經(jīng)用到微型機中先行(Lookahead)、超標量、超流水線、Cache、多體交叉 計算機設計方法下移第1代計算機，幾乎全部由硬件人員設計,第2、3、4代，由應用、軟件、硬件和器件人員共同設計將來：除器件設計之外，主要是軟件設計 邏輯設計方法改變過去邏輯設計很重要，盡量節(jié)省每一個芯片，每一個門目前的設計主要考慮：了解市場，盡量選擇通用芯片、標準芯片；結構化設計，規(guī)整、易讀

7、、易診斷,1.4.3 應用對系統(tǒng)結構發(fā)展的影響 1. 應用需求 今后10年，需要專門為以下領域設計高效率的系統(tǒng)結構：高結構化的數(shù)值計算：氣象模型、流體流動、有限元分析。非結構化的數(shù)值計算：蒙特卡洛模擬、稀疏矩陣。實時多因素問題：語音識別、圖象處理、計算機視覺。大存儲器容量和輸入輸出密集的問題：,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、事務處理系統(tǒng)。圖形學和設計系統(tǒng)：計算機輔助設計。人工智能：面向知識的系統(tǒng)、推理系統(tǒng)。 2. 三個時期 通用計算機：主要是通用科學計算 專用計算機：科學計算、事務處理、實時 控制 高性能通用機：滿足多種需求,3. 兩個發(fā)展趨勢 維持價格不變，利用VLSI技術等，提高性能普通PC微處理器芯片20

8、00元，但性能提高很快 性能基本不變，價格迅速下降 一般先推出中間機型，然后分別向高端和低端兩個方向發(fā)展；例如：PentiumII，80486等 4. 三種設計思想 最高性能價格比：商用機。主要發(fā)展方向,最高性能：國家安全需要，科技發(fā)展需要銀河3 最低價格：家用學習機等 1.4.4 算法對系統(tǒng)結構的影響 在多個層次上，算法影響著系統(tǒng)結構 快速乘法、除法、開平方等的實現(xiàn) Tomasulo算法提高指令級并行性 多線程系統(tǒng),消除名字相關、數(shù)據(jù)相關、控制相關的算法 有些應用問題，如果算法上有突破，不需要高性能的系統(tǒng)結構，而在普通的系統(tǒng)上就能得到解決。 許多算法還有改進的余地，通過算法的研究能夠大大提高

9、系統(tǒng)的性能。 應用程序設計者只有了解系統(tǒng)結構，才能設計出高效率的程序。 系統(tǒng)結構設計者應該研究一類算法，設計一種系統(tǒng)結構，使所有這類問題在此結構上都能很好解決。,第一章基本概念,1.1 計算機系統(tǒng)結構的定義 1.2 計算機系統(tǒng)的評價標準 1.3 計算機系統(tǒng)的設計方法 1.4 計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展 1.5 計算機系統(tǒng)的分類,1.5 計算機系統(tǒng)的分類,1.5.1 常見分類方法 1.5.2 按并行度的分類方法 佛林分類法: 1966年由 Michael.J.Flynn 提出 庫克分類法：1978年由D. J. Kuck提出 馮澤云分類法: 1972年美籍華人馮澤云提出 漢德勒分類法:由Wolfgan

10、 Hindler于1977年提出,1.5 計算機系統(tǒng)的分類 1.5.1 常見分類方法 1. 按大小劃分 種類：巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機等。 劃分原則：以性能為表征，按價格來劃分 存在問題：劃分的標準是隨時間而變化,2. 按用途劃分 種類：科學計算、事務處理、實時控制、工作站、服務器、家用計算機等。 劃分原則：科學計算：浮點計算速度；事務處理：字符處理、十進制運算；實時控制：中斷響應速度、I/0能力；工作站：圖形處理能力 發(fā)展方向：具備上述所有功能的通用處理機 3. 按數(shù)據(jù)類型劃分 種類：定點機、浮點機、向量機、堆棧機等,4. 按處理機個數(shù)和種類劃分 種類：單處理機、并行處理機、多

11、處理機、分布處理機、關聯(lián)處理機、超標量處理機、超流水線處理機、SMP（對稱多處理機）、MPP（大規(guī)模并行處理機）、機群（Cluster）系統(tǒng)等 5. 按所使用的器件劃分 種類：第一代(Valve)第二代(Transitor)第三代(SSI和MSI),第四代(LSI和VLSI)第五代(智能計算機)等 1.5.2 按并行度的分類方法 1. 佛林（Flynn）分類法 1966年由 Michael.J.Flynn 提出 按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征對計算機系統(tǒng)進行分類指令流：機器執(zhí)行的指令序列數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結果,多倍性（multiplicity）：在系統(tǒng)性能瓶頸部

12、件上同時處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù) 四種類型單指令流單數(shù)據(jù)流SISD (Single Instruction Single Datastream); 單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD (Single Instruction Multiple Datastream); 多指令流單數(shù)據(jù)流MISD (Multiple Instruction Single Datastream); 多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD (Multiple Instruction Multiple Datastream),SISD 典型單處理機，包括：單功能部件處理機：IBM1401，VAX-11多功能部件處理機：IBM3

13、60/91，370/168，CDC6600流水線處理機：標量流水線處理機,SIMD：并行處理機、陣列處理機、向量處理機、相聯(lián)處理機、超標量處理機、超流水線處理機、.多個PU按一定方式互連，在同一個CU控制下，多個的數(shù)據(jù)完成同一條指令規(guī)定的操作；從CU看，指令順序（串行）執(zhí)行，從PU看，數(shù)據(jù)并行執(zhí)行。全并行：IILIAC IV、PEPE、STAR100、ASC、CRAY字并位串：STARAN、MPP、DAP,MISD 幾條指令對同一個數(shù)據(jù)進行不同處理，實際上不存在 MIMD 多處理機系統(tǒng)，包括：緊密偶合：IBM3081、IBM3084、UNIVAC-1100/80松散偶合：D-825、Cmmp、

14、CRAY-2,Flynn分類法得到廣泛應用SIMD、MIMD、SPMD 主要缺點：(1) 分類太粗：例如，在SIMD中包括有多種處理機對流水線處理機的劃分不明確標量流水線為SISD，向量流水線為SIMD(2) 根本問題是把兩個不同等級的功能 并列對待；通常，數(shù)據(jù)流受指令流控制，從而造成MISD不存在,(3) 非馮計算機的分類？其他新型計算機的分類？ 2. 庫克分類法：1978年由D. J. Kuck提出 按控制流和執(zhí)行流分類 四種類型(1) 單指令流單執(zhí)行流SISE (Single Instruction Single Executionstream)；典型的單處理機 (2) 單指令流多執(zhí)行流

15、SIME (Single Instruction Multiple Executionstream)；多功能部件處理機、相聯(lián)處理機、向量處理機、流水線處理機、超流水線處理機、超標量處理機、SIMD并行處理機,(3) 多指令流單執(zhí)行流MISE (Multiple Instruction Single Executionstream)；多道程序系統(tǒng)(4) 多指令流多執(zhí)行流MIME (Multiple Instruction Multiple Executionstream)；典型的多處理機 主要缺點有些系統(tǒng)，如分布處理機等，沒有總控制器 分類級別太低，沒有處理機級和機器級分類太粗，如SIME中包含

16、了多種類型的處理機,3. 馮澤云分類法： 1972年美籍華人馮澤云提出 用最大并行度來對計算機系統(tǒng)進行分類 最大并行度：計算機系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能夠處理的最大二進制位數(shù)。假設同時處理的字寬為n，位寬為m，則最大并行度定義為： Pm m n,平均并行度：假設每個時鐘周期ti內(nèi)能同時處理的二進位數(shù)為Bi，則n個時鐘周期內(nèi)的平均并行度定義為： 表示方法：處理機名 (n, m),四種類型(1) 字串位串WSBS (Word Serial and Bit Serial)串行計算機；m=1，n=1；例如：EDVAC(1，1)(2) 字并位串WPBS (Word Parallel and Bit Serial

17、)傳統(tǒng)的單處理機; m=1, n1; 例如：Pentium(32,1)(3) 字串位并WSBP (Word Serial and Bit Parallel),并行計算機、MPP、相聯(lián)計算機；m1, n=1;例如：MPP(1, 16384), STARAN(1, 256), DAP(4) 字并位并WPBP (Word Parallel and Bit Parallel)全并行計算機；m1, n1;例如：IILIAC IV(64,64), ASC(64,32), PEPE, Cmmp 主要缺點：僅考慮了數(shù)據(jù)的并行性，沒有考慮指令、任務、作業(yè)的并行,4. 漢德勒分類法：由Wolfgan Hindle

18、r于1977年提出 又稱為ESC (Erlange Classification Scheme)分類法 根據(jù)并行度和流水線分類，計算機的硬件結構分成三個層次，并分別考慮它們的可并行性和流水處理程度。(1) 程序級k：程序控制部件(PCU)的個數(shù)；(2) 操作級d：算術邏輯部件(ALU)或處理部件(PU)的個數(shù)；(3) 邏輯級w：每個算術邏輯部件包含的邏輯線路 (ELC)的套數(shù)。,表示方法：t (系統(tǒng)型號)(k, d, w)例如：t (EDVAC) (1, 1, 1)t (Pentium) (1, 1, 32)t (STARAN) (1, 8192, 1)t (ILLIAC ) (1, 64, 64)t (Cmmp) (16, 1, 16) 為了表示流水線，采用：t(系統(tǒng)型號) (kk, dd, ww)其中：k 表示宏流水線中程序控制部件的個數(shù),d 表示指令流水線中算術邏輯