計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—第一章（基本概念）

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1、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念 引言 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 計算機系統(tǒng)的設計技術(shù) 計算機系統(tǒng)的評價標準 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 計算機系統(tǒng)的分類引 言 本章內(nèi)容 自第一臺電子計算機問世已經(jīng)半個多世紀了，它已經(jīng)歷了五次更新?lián)Q代： 第一代計算機（第一代計算機（19451954） 第二代計算機（第二代計算機（19551964） 第三代計算機（第三代計算機（19651974） 第四代計算機（第四代計算機（19751991） 第五代計算機（第五代計算機（1992現(xiàn)在）現(xiàn)在）第一代計算機本章內(nèi)容引言 將電子管和繼電器存儲器用絕緣導線互連起來，單個CPU，CPU用程序計數(shù)器和累加器順序完成定點運算，采用機器語言或匯

2、編語言，用CPU程序控制I/O。代表性系統(tǒng)有：John Von Neumann、Arthur Burks和Herman Goldstine于1946年在普林斯頓大學研制成功的IAS計算機；賓夕法尼亞大學莫爾學院于1950年制成的ENIAC；IBM于1953年制造的IBM701計算機。第二代計算機本章內(nèi)容引言 采用分立式晶體三極管、二極管和鐵氧體的磁芯，用印刷電路將它們互連起來。采用了變址寄存器、浮點運算、多路存儲器和I/O處理機。采用有編譯程序的高級語言、子程序庫、批處理監(jiān)控程序。代表性系統(tǒng)有：1959年制成的Univac LARC、60年代的CDC1604和1962年制成的IBM7030。第

3、三代計算機本章內(nèi)容引言 采用小規(guī)?；蛑幸?guī)模集成電路和多層印刷電路。微程序控制在這一代開始普及。采用了流水線、高速緩存和先行處理機。軟件方面采用多道程序設計和分時操作系統(tǒng)。代表性系統(tǒng)有：IBM 360/370系列、CDC 6600/7600系列、Texas儀表公司的ASC和Digital Equipment公司的PDP-8系列。第四代計算機本章內(nèi)容引言 采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路和半導體存儲器，出現(xiàn)了用共享存儲器、分布式存儲器或向量硬件選擇的不同結(jié)構(gòu)的并行計算機，開發(fā)了用于并行處理的多處理操作系統(tǒng)、專用語言和編譯器，同時產(chǎn)生了用于并行處理或分布處理的軟件工具和環(huán)境。代表性系統(tǒng)有：VAX9000

4、、CrayX-MP、IBM 3090VF和BBNTC-2000等。第五代計算機本章內(nèi)容引言 采用VLSI工藝更加完善的高密度、高速度處理機和存儲器芯片。它最重要特點是進行大規(guī)模并行處理，采用可擴展的和容許時延的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。代表性系統(tǒng)有：Fujitsu的VPP500、Cray Research的MPP、Thinking Machines公司的CM-5、Intel超級計算機系統(tǒng)Paragon、SGI的 Origin 2000和Sun公司的1000服務器。分 析 本章內(nèi)容 從計算機的發(fā)展過程，我們可以看出：計算機系統(tǒng)性能的不斷提高主要靠和。 如何最合理地利用新器件，最大限度地發(fā)揮其潛力，設計并構(gòu)成綜合

5、性能指標最佳的計算機系統(tǒng)，單純依靠器件變革是不能解決的，還要靠計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的改進。4 之 1示 例 以微處理器為例（圖示）。在20世紀80年代中期以前，性能的提高主要是工藝技術(shù)驅(qū)動的，平均以每年25%的速度提高。此后到2002年，性能的提高主要得益于工藝技術(shù)和先進的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計思想，該增長率達到了52%。2002年后，由于在電源、可用的指令級并行和存儲器長時延等限制，使單處理器性能的提升減緩到22%。本章內(nèi)容4 之 24 之 3引 出 本章內(nèi)容 本課程的目的是： 讓我們趕快開始吧！4 之 4計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義本章內(nèi)容 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念 計算機組成的概念 計算機實

6、現(xiàn)的概念計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖本章內(nèi)容定義應用語言級應用語言級高級語言級高級語言級匯編語言級匯編語言級操作系統(tǒng)級操作系統(tǒng)級傳統(tǒng)機器級傳統(tǒng)機器級微程序機器級微程序機器級電子線路電子線路L5虛擬機虛擬機L4虛擬機虛擬機L3虛擬機虛擬機L2虛擬機虛擬機翻譯（應用程序包）翻譯（應用程序包）翻譯（編譯程序）翻譯（編譯程序）翻譯（匯編程序）翻譯（匯編程序）軟硬件交界面軟硬件交界面物理機器物理機器解釋解釋硬件直接執(zhí)行硬件直接執(zhí)行硬件硬件固件固件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件軟件虛擬機器虛擬機器實際機器實際機器應用應用軟件軟件部分解釋部分解釋11 之 1應用語言級機器本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖應用語言應用語言應用程序應用程序用戶用戶

7、信息處理信息處理11 之 2高級語言級機器本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖高級語言高級語言解釋或編譯解釋或編譯高級語言高級語言程序員程序員運行程序運行程序11 之 3匯編語言級機器本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖匯編語言匯編語言匯編程序匯編程序匯編語言匯編語言程序員程序員運行程序運行程序11 之 4操作系統(tǒng)級機器本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖傳統(tǒng)機器級指令傳統(tǒng)機器級指令操作系統(tǒng)級指令操作系統(tǒng)級指令操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作員操作員系統(tǒng)資源系統(tǒng)資源11 之 5傳統(tǒng)機器本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖機器指令機器指令系統(tǒng)系統(tǒng)CPU機器語言機器語言程序員程序員機器程序機器程序11 之 6微程序機器本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖微指令系統(tǒng)微指令系統(tǒng)微程

8、序控制微程序控制邏輯邏輯設計員設計員寄存器寄存器傳送門傳送門11 之 7電子線路本章內(nèi)容定義層次結(jié)構(gòu)圖硬操作時序硬操作時序硬聯(lián)邏輯硬聯(lián)邏輯硬件維護硬件維護員員/設計員設計員邏輯線路邏輯線路內(nèi)核內(nèi)核11 之 8機器的作用和含義 是指能執(zhí)行和存儲程序的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集合體。是指算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法，可以硬件/固件/軟件實現(xiàn)。我們將由軟件實現(xiàn)的機器稱為，將由硬件/固件實現(xiàn)的機器稱為。本章內(nèi)容定義11 之 9 從計算機系統(tǒng)的某一層使用者的角度看，從計算機系統(tǒng)的某一層使用者的角度看，只需通過該層的語言就可以使用機器，而不必只需通過該層的語言就可以使用機器，而不必關(guān)心其下層的機器是如何工作和如何實現(xiàn)

9、各自關(guān)心其下層的機器是如何工作和如何實現(xiàn)各自功能的，這一性質(zhì)稱為功能的，這一性質(zhì)稱為。軟件與硬件的關(guān)系本章內(nèi)容定義v 系統(tǒng)是由硬件和軟件組成的v 軟、硬件功能在邏輯上是等價的v 軟件和硬件的分界面是動態(tài)變化的 提高解題速度提高解題速度 減少存儲量減少存儲量 硬件成本高硬件成本高 降低硬件利用率、系統(tǒng)靈降低硬件利用率、系統(tǒng)靈活性和適應性活性和適應性 降低硬件造價降低硬件造價 提高系統(tǒng)靈活性和適應性提高系統(tǒng)靈活性和適應性 降低解題速度降低解題速度 增加系統(tǒng)存儲量增加系統(tǒng)存儲量 增加軟件設計費增加軟件設計費硬件軟件過去現(xiàn)在將來時間硬件比率100%0%11 之 10分層的目的本章內(nèi)容定義 有利于正確地

10、理解計算機系統(tǒng)的工作，明確軟件、硬件和固件在計算機系統(tǒng)中的地位和作用； 有利于理解各種語言的實質(zhì)及其實現(xiàn)； 有利于探索虛擬機器新的實現(xiàn)方法，設計新的計算機系統(tǒng)。11 之 11計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念本章內(nèi)容定義 “計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的含義仍有多種說法，并無統(tǒng)一的定義，下面介紹兩種： 定義一定義一 定義二定義二4 之 1定義一本章內(nèi)容定義概念（Amdahl, 1964）v 是指計算機系統(tǒng)中所有部件之間的邏輯連接結(jié)構(gòu)。是指計算機系統(tǒng)中所有部件之間的邏輯連接結(jié)構(gòu)。 主要是指計算機系統(tǒng)的如下功能：數(shù)據(jù)表示、尋址方主要是指計算機系統(tǒng)的如下功能：數(shù)據(jù)表示、尋址方式、寄存器組織、指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、中斷機構(gòu)、式、

11、寄存器組織、指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、中斷機構(gòu)、I/OI/O結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)等。哎！未指明程序員的級別4 之 2定義二本章內(nèi)容定義概念 即：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配和對軟硬件界面的確定。明確多了！傳統(tǒng)機器級嘛！4 之 3主要任務指硬件能直接識別和處理的數(shù)據(jù)類型和格式等包括最小尋址單位、尋址方式的種類、表示和地址計算等包括操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存器和某些專用寄存器的定義、數(shù)量和使用約定包括機器指令的操作類型和格式，指令間的排序方式和控制機構(gòu)等包括最小編址單位、編址方式、主存容量、最大可編址空間等 包括中斷類型、中斷分級、中斷處理程序的功能和入口地址等 包括I/O的連接/訪問方式、數(shù)據(jù)

12、的源和目的、數(shù)據(jù)傳送量、操作的結(jié)束和出錯指示等 包括保護方式、硬件對信息保護的支持本章內(nèi)容定義概念4 之 4計算機組成的概念本章內(nèi)容定義數(shù)據(jù)通路寬度數(shù)據(jù)通路寬度專用部件的設置專用部件的設置各種操作對部件的共享程度各種操作對部件的共享程度功能部件的并行度功能部件的并行度控制機構(gòu)的組成方式控制機構(gòu)的組成方式緩沖和排隊緩沖和排隊容錯技術(shù)容錯技術(shù)預測和評估預測和評估計算機實現(xiàn)的概念本章內(nèi)容定義專用芯片（ASIC）的設計處理機、Cache和主存的物理結(jié)構(gòu)器件、模塊、插件和底板的邏輯劃分和連接信號傳輸電源與冷卻微組裝和整機組裝技術(shù)小 結(jié)本章內(nèi)容定義 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究計算機系統(tǒng)的軟、硬件功能分配和軟、硬件

13、界面的確定；計算機組成是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)；計算機實現(xiàn)是計算機組成的物理實現(xiàn)。 具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機可以因為速度等因素的要求而采用不同的組成；一種計算機的組成可以采用多種不同的計算機實現(xiàn)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)所包含的具體內(nèi)容隨不同時期及不同的計算機系統(tǒng)會有不同，而且隨著技術(shù)、器件和應用的發(fā)展，三者之間的界限越來越模糊。計算機系統(tǒng)的設計技術(shù) 計算機系統(tǒng)設計者的任務 計算機系統(tǒng)的設計方法 計算機系統(tǒng)的設計步驟 計算機系統(tǒng)設計的定量準則本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)設計者的任務本章內(nèi)容設計技術(shù) 即：計算機設計者必須設計出一臺既能滿足功能要求，又能達到價格和性能目標的計算機。 主要任務有：確定用戶要求

14、確定用戶要求優(yōu)化設計優(yōu)化設計設計出符合今后發(fā)展方向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計出符合今后發(fā)展方向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定用戶要求本章內(nèi)容設計技術(shù)任務 確定用戶對計算機系統(tǒng)的功能、價格和性能的要求。 例如：具體的功能要求參見后表。優(yōu)化設計本章內(nèi)容設計技術(shù)任務 最優(yōu)設計方案的選擇通常依賴于價格和性能（后面介紹）。設計者在處理價格和性能之間的關(guān)系時通常有三種不同的方法： 例如：超級計算機。 例如：嵌入式系統(tǒng)。 例如：大多數(shù)的PC、工作站、服務器。設計出符合今后發(fā)展方向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本章內(nèi)容設計技術(shù)任務 一個成功的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應該能經(jīng)得住軟、硬件技術(shù)的發(fā)展和應用的變化，因此設計者必須特別注意計算機應用和計算機技術(shù)的發(fā)展趨勢，這樣才能

15、延長一種機器的使用壽命。 計算機系統(tǒng)的設計方法本章內(nèi)容設計技術(shù) 由上而下法 由下而上法 由中間向兩頭法由上而下法本章內(nèi)容設計技術(shù)設計方法 確定應用的基本特性 設計或選擇面向該應用的高級語言 設計適用于所選高級語言編譯的中間語言 設計面向該應用的操作系統(tǒng) 設計面向所用編譯器和操作系統(tǒng)的機器語言 設計面向機器語言的微指令及其硬件實現(xiàn) 適用于面向某一應用的專用機的設計 設計周期較長（需若干年） 由于技術(shù)發(fā)展很快，因此難以真正面向用戶優(yōu)化實現(xiàn)由下而上法本章內(nèi)容設計技術(shù)設計方法不考慮應用，參照現(xiàn)有機器特點設計微程序機器級和傳統(tǒng)機器級選擇面向不同應用的多種操作系統(tǒng)和編譯器20世紀6070年代較多采用的通用

16、機的設計方法因硬件不可更改，所以軟件設計被動系統(tǒng)的某些性能指標不確切，如傳統(tǒng)機器級的“每秒運算次數(shù)”由中間向兩頭法本章內(nèi)容設計技術(shù)設計方法確定軟、硬件界面軟件設計人員設計軟件，硬件設計人員設計硬件（同時）20世紀60年代末開始采用的通用機設計方法設計周期短交互式設計，便于提高系統(tǒng)性能要求設計人員具有軟件、硬件、器件和應用等方面的知識需要完善的硬件系統(tǒng)模擬環(huán)境和軟件設計環(huán)境計算機系統(tǒng)的設計步驟 系統(tǒng)應用環(huán)境：實時處理、事務處理、科學計算、遠程處理 所用語言的種類和特性 對操作系統(tǒng)的特殊要求 所用外設的特性 技術(shù)經(jīng)濟分析 市場分析 設計準則 功能說明 器件性能說明 確定機器級界面 定義機器級界面的

17、內(nèi)容，可提供多種方案 提高系統(tǒng)的性能價格比本章內(nèi)容設計技術(shù)計算機系統(tǒng)設計的定量準則本章內(nèi)容設計技術(shù) 加快經(jīng)常性事件的速度 CPU性能公式 局部性原理 利用并行性加快經(jīng)常性事件的速度本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則 。這是計算機設計中最重要也最廣泛采用的設計準則。 ：加法運算中的溢出和不溢出；中斷處理中的常規(guī)性保護現(xiàn)場和特殊性保護現(xiàn)場。4 之 1Amdahl定律本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則 計算機系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時間的比例有關(guān)。 4 之 2Amdahl定律（量化）本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則整個系統(tǒng)的加速比改進前整個任務的執(zhí)行時間改進

18、后整個任務的執(zhí)行時間增強比例 增強加速比eeennSFFTTS)1 (10時間改進后改進部分的執(zhí)行時間改進前改進部分的執(zhí)行時間改進前整個任務的執(zhí)行可改進部分占用的時間eeSF4 之 3Amdahl定律（例子）本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則假設某測試程序中FP指令執(zhí)行時間占50%，F(xiàn)PSQR指令占20%，用改進FPSQR指令速度為原來的10倍和改進FP指令速度為原來的2倍，哪種方案更好？：Fe=0.2, Se=10 ，根據(jù)Amdahl定律，加速比為： ：Fe=0.5, Se=2 ，根據(jù)Amdahl定律，加速比為： ：33.175.0125 .0)5 .01(1nS22.182.01102 .0)2 .

19、01(1nS4 之 4CPU性能公式本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則 公式一 公式二 公式三6 之 1公式一本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則CPU性能公式 一個程序的CPU時間可以通過下式表達： 時鐘周期長度時鐘周期數(shù)一個程序的時間CPUCPU時鐘頻率時鐘周期數(shù)一個程序的時間CPUCPU 或： 簡單明了，沒有什么實用價值 6 之 2公式二本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則CPU性能公式 一個程序的CPU時間可以通過下式表達： 時鐘周期長度時間CPIICCPU其中：其中：為一個程序的指令總數(shù)，為一個程序的指令總數(shù)，為執(zhí)行一為執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。 CPU時間與3個因素有關(guān)：時鐘周期

20、長度、IC和CPI6 之 3公式三本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則CPU性能公式 一個程序的CPU時間可以通過下式表達： 其中：其中：為指令為指令i在一個程序中的執(zhí)行次數(shù)，在一個程序中的執(zhí)行次數(shù)，n為為指令總數(shù)，指令總數(shù)，為執(zhí)行指令為執(zhí)行指令i所需的平均時所需的平均時鐘周期數(shù)。鐘周期數(shù)。 時鐘周期長度時間)(1niiiICCPICPUniiiniiiICICPIICICPICPI11)()(6 之 4CPU性能公式（例子）本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則假設某測試程序中FP指令（包括FPSQR）的執(zhí)行頻度為25%，F(xiàn)P指令的平均CPI=4.0，其它指令的平均CPI=1.33； FPSQR指令的執(zhí)行頻度為2%，

21、 FPSQR指令的平均CPI=20。假設有兩種設計方案：一種是將FPSQR的CPI減為2，另一種是將所有FP的CPI減為2.5，試利用CPU性能公式比較這兩種設計方案。原系統(tǒng)的CPI為：0 . 2%75*33. 1%254)(1niiiICICPICPI原系統(tǒng)6 之 5CPU性能公式（例子）本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則：將FPSQR的CPI減為2：將所有FP的CPI或：64. 1)220(%20 . 2%21）（新老原系統(tǒng)方案FPSQRFPSQRCPICPICPICPI625. 1)5 . 24(%250 . 2%252）（新老原系統(tǒng)方案FPFPCPICPICPICPI625. 1%255 . 2

22、%7533. 1)(12niiiICICPICPI方案6 之 6局部性原理本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則 程序執(zhí)行中呈現(xiàn)出頻繁重復使用那些最近已使用過的數(shù)據(jù)和指令的規(guī)律。這反映在時間局部性和空間局部性上。 近期被訪問的信息，可能馬上被訪問。 與被訪問地址相鄰的地址上的信息可能會一起被訪問。利用并行性本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則 并行性的概念 并行性的實現(xiàn) 并行性的等級 并行性的發(fā)展并行性的概念本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則利用并行性 我們將問題中具有可以同時進行運算或操作的特性稱為并行性。并行性實際上包含和兩重含義： 是指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生，例如：流水。 是指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生，例如

23、：分時操作。ABCt1Dt2并行性的實現(xiàn)本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則利用并行性 時間重疊 資源重復 資源共享時間重疊本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則利用并行性并行性的實現(xiàn) 讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而提高速度。 指令流水線。 不需要增加硬件設備就可以提高計算機系統(tǒng)的性能價格比。t取指取指分析分析執(zhí)行執(zhí)行(a) 指令流水線指令流水線kkkk+1k+1k+1k+2k+2k+2部件部件執(zhí)行執(zhí)行分析分析取指取指t2t 3t 4t 5t(b) 時空圖時空圖資源重復本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則利用并行性并行性的實現(xiàn) 通過重復設置資源（硬件、軟件、信息、時間）來提

24、高可靠性或性能。 N模冗余結(jié)構(gòu)提高可靠性；多值存儲器提高信息存儲密度；多處理機提高速度和可靠性。 需要增加資源才能大幅度提高計算機系統(tǒng)的性能。資源共享本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則利用并行性并行性的實現(xiàn) 利用軟件的方法讓多個用戶按一定的時間順序輪流地使用同一套資源，以提高其利用率，從而提高整個系統(tǒng)的性能。 多道程序分時系統(tǒng) 。 不需要增加硬件設備就可以提高計算機系統(tǒng)的性能價格比 。并行性的等級本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則利用并行性 從不同的角度看，等級的劃分也不一樣： 從計算機系統(tǒng)中執(zhí)行程序的角度看從計算機系統(tǒng)中執(zhí)行程序的角度看 從計算機系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù)的角度看從計算機系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù)的角度看 從計算機信息

25、加工的各個步驟和階段看從計算機信息加工的各個步驟和階段看從計算機系統(tǒng)中執(zhí)行程序的角度看本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則利用并行性并行性的等級 一條指令內(nèi)部各個微操作之間的并行。多條指令的并行執(zhí)行。 多個任務或程序段的并行執(zhí)行。 多個作業(yè)或多道程序的并行。從計算機系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù)的角度看本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則利用并行性并行性的等級 同時只對一個字的一位進行處理，這通常是指傳統(tǒng)的串行單處理機，沒有并行性。 同時對一個字的全部位進行處理，這通常是指傳統(tǒng)的并行單處理機，開始出現(xiàn)并行性。 同時對許多字的同一位（位片）進行處理，開始進行并行處理領(lǐng)域。 同時對許多字的全部或部分進行處理。10110111101100

26、010010110010101110010位片字從計算機信息加工的各個步驟和階段看本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則利用并行性并行性的等級 例如，相聯(lián)處理機。 例如，流水線處理機。 例如，并行處理機。 例如，多處理機。并行性的發(fā)展本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則利用并行性 單處理機系統(tǒng)內(nèi)并行性的發(fā)展 多計算機系統(tǒng)及其向并行處理系統(tǒng)的發(fā)展單處理機系統(tǒng)內(nèi)并行性的發(fā)展本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則利用并行性并行性的發(fā)展 把一個任務按功能分割為若干個相互聯(lián)系的子任務,然后將每一個子任務分配給某個專門的部件處理。目的是使所有部件同時處于全面忙碌工作的狀態(tài)。例如：指令流水線。 例如：多體存儲器、多操作部件、并行處理機等。 例如：

27、多道程序和分時系統(tǒng)多計算機系統(tǒng)及其向并行處理系統(tǒng)的發(fā)展本章內(nèi)容設計技術(shù)定量準則利用并行性并行性的發(fā)展 多臺計算機通過通道/通信線路實現(xiàn)互連，共享某些外設，以較低頻帶在文件/數(shù)據(jù)集級別上相互作用。系統(tǒng)功能被劃分成多個專門功能，然后將它們分散給各個專用處理機。專用處理機可具有不同的體系結(jié)構(gòu)。目標是構(gòu)成。 通過總線通過總線/ /高速互連網(wǎng)絡高速互連網(wǎng)絡互連多臺計算機，共享主存，互連多臺計算機，共享主存，以較高速率在數(shù)據(jù)以較高速率在數(shù)據(jù)/ /任務集上任務集上相互作用。支持進程和程序相互作用。支持進程和程序的并行處理。各處理機具有的并行處理。各處理機具有相同的功能。目標是構(gòu)成相同的功能。目標是構(gòu)成。w

28、地理上分散的多臺計算地理上分散的多臺計算機通過計算機通信網(wǎng)實現(xiàn)互機通過計算機通信網(wǎng)實現(xiàn)互連，共享資源。目標是構(gòu)成連，共享資源。目標是構(gòu)成。計算機系統(tǒng)的評價標準本章內(nèi)容 成本 性能成 本本章內(nèi)容評價標準 成本是指生產(chǎn)一個計算機系統(tǒng)所需的費用，包括軟、硬件的費用。影響因素：時間、產(chǎn)量、商品化。 價格是指一個計算機系統(tǒng)銷售時的金額。以一個價值$1000的PC為例（圖）來介紹價格的構(gòu)成：標價元件成本直接成本毛利平均折扣2 之 1是指與生產(chǎn)一件產(chǎn)品直是指與生產(chǎn)一件產(chǎn)品直接有關(guān)的成本，包括勞動力成本、接有關(guān)的成本，包括勞動力成本、保證金（在保質(zhì)期間系統(tǒng)在用戶那保證金（在保質(zhì)期間系統(tǒng)在用戶那邊失靈時的更換或

29、維修費用）等。邊失靈時的更換或維修費用）等。是指與生產(chǎn)一是指與生產(chǎn)一件產(chǎn)品間接有關(guān)的成本，包括公司件產(chǎn)品間接有關(guān)的成本，包括公司的研發(fā)費用、營銷費用、設備維護的研發(fā)費用、營銷費用、設備維護費用、場地租金、財務成本、稅前費用、場地租金、財務成本、稅前利潤和稅。利潤和稅。 2 之 2性 能本章內(nèi)容評價標準 性能標準 基準測試程序 性能比較性能標準本章內(nèi)容評價標準性能 衡量計算機性能的唯一永久而且可靠的標準是：。下面介紹幾種較流行的替代標準及其不足：w MIPSw MFLOPSw 選擇程序評價性能選擇程序評價性能MIPS本章內(nèi)容評價標準性能性能標準 MIPS（每秒百萬條指令數(shù)）定義為： 程序的執(zhí)行時

30、間為：6610CPI10MIPS時鐘頻率執(zhí)行時間指令條數(shù)610MIPSTe指令條數(shù)主要缺點：主要缺點： 不同指令的速度差別很大不同指令的速度差別很大 指令使用頻度差別很大指令使用頻度差別很大 有相當多的非功能性指令有相當多的非功能性指令遺憾??！MFLOPS本章內(nèi)容評價標準性能性能標準 MFLOPS（每秒百萬次浮點操作次數(shù)）定義為： MFLOPS只能衡量機器浮點操作的性能，而不能體現(xiàn)機器的整體性能。610執(zhí)行時間程序中的浮點操作次數(shù)MFLOPS主要缺點：主要缺點： 依賴于浮點運算集依賴于浮點運算集 依賴于浮點操作類型依賴于浮點操作類型可惜！選擇程序評價性能本章內(nèi)容評價標準性能性能標準 主要有5類

31、測試程序（以測量準確程度遞減的次序排列）： 真實程序真實程序 改造改造/ /模擬程序模擬程序 核心測試程序核心測試程序 玩具基準測試程序玩具基準測試程序 綜合基準測試程序綜合基準測試程序真實程序本章內(nèi)容評價標準性能性能標準選擇程序評價性能 使用真實程序進行測試。 C編譯程序、Word等字處理程序、Photoshop等應用程序。 會因程序依賴于具體的操作系統(tǒng)或編譯器而產(chǎn)生移植問題。改造/模擬程序本章內(nèi)容評價標準性能性能標準選擇程序評價性能解決可移植問題側(cè)重于系統(tǒng)性能的某一特定方面 能再現(xiàn)桌面系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的相互影響的行為，或模擬服務器系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的復雜的多用戶交互。核心測試程序本章內(nèi)容評價標準

32、性能性能標準選擇程序評價性能 從真實程序中提取出的一些小而關(guān)鍵的程序段進行測試。 Livermore Loops和Linpack等。 將計算機中各項特性的性能分離出來，以解釋運行真實程序時性能有差異的原因。玩具基準測試程序本章內(nèi)容評價標準性能性能標準選擇程序評價性能 選擇通常只有10100行的代碼、用戶在測試之前都已經(jīng)知道運行結(jié)果的程序進行測試。 Puzzle、快速排序等。 用于測試某種特定指標。綜合基準測試程序本章內(nèi)容評價標準性能性能標準選擇程序評價性能 人工合成出來的測試程序。為了使測試程序的行為和表現(xiàn)盡可能接近于真實的應用程序，一般先對大量的應用程序中的操作進行統(tǒng)計，得到各種操作的比例，

33、然后再按這個比例編制測試程序。 Whetstone和Dhrystone?；鶞蕼y試程序本章內(nèi)容評價標準性能 把應用程序中用得最頻繁的那部分核心程序作為評價計算機性能的標準程序。稱為基準測試程序 (benchmark)。 用于桌面機的benchmarks 用于服務器的benchmarks 用于嵌入式計算機的benchmarks用于桌面機的benchmarks本章內(nèi)容評價標準性能基準測試程序 桌面機應具有的主要特性：。SPEC（）是常用的benchmarks ，這些benchmarks可分為兩大類：和。 SPEC CPU2000（表，測試實例）。 SPECviewperf和SPECapc。7 之 1

34、SPEC本章內(nèi)容評價標準性能基準測試程序 用于桌面機的benchmarks SPEC（System Performance Evaluation Cooperative）是由30個左右世界知名計算機大廠商所支持的非盈利的合作組織，包括：IBM、AT&T、BULL、Compaq、CDC、DG、DEC、Fujitsu、HP、Intel、MIPS、Motolola、SGI、SUN、Unisys等；。 SPEC發(fā)展過程為：SPEC89SPEC92SPEC95SPEC2000SPEC20067 之 212個整數(shù)程序用于CINT2000測試14個浮點程序用于CFP2000測試7 之 3SPEC CPU20

35、00測試實例本章內(nèi)容評價標準性能基準測試程序 用于桌面機的benchmarks 測試對象 測試結(jié)果SPEC CINT2000的測試結(jié)果SPEC CFP2000的測試結(jié)果7 之 4 每一個桌面系統(tǒng)都配有一個每一個桌面系統(tǒng)都配有一個CPU、512MB SDRAM（如果支持則帶如果支持則帶ECC校驗）、大約校驗）、大約20GB的硬盤、一個快速的硬盤、一個快速的圖形系統(tǒng)和一個的圖形系統(tǒng)和一個10/100Mbps以太網(wǎng)連接。以太網(wǎng)連接。7 之 5性能最好 性價比最好 7個桌面計算機的個桌面計算機的SPEC CINT2000測試結(jié)果測試結(jié)果7 之 6性能最好 性價比最好 7個桌面計算機的個桌面計算機的SP

36、EC CFP2000測試結(jié)果測試結(jié)果7 之 7用于服務器的benchmarks本章內(nèi)容評價標準性能基準測試程序 服務器應具有的主要特性：。 常用的benchmarks 有兩種： 7 之 1SPEC本章內(nèi)容評價標準性能基準測試程序 用于服務器的benchmarks 面向流量的benchmark。 面向文件服務器(NFS)的benchmark。它不僅測試處理器的性能，而且測試I/O系統(tǒng)的性能。它重點測試吞吐率。 面向Web服務器的benchmark。它模擬多個客戶請求訪問服務器中的動態(tài)和靜態(tài)頁面以及向服務器上傳數(shù)據(jù)的情況。7 之 2TPC本章內(nèi)容評價標準性能基準測試程序 用于服務器的benchma

37、rks TPC的benchmarks（）用于測量一個計算機系統(tǒng)事務處理的性能。第一個TPC benchmarks是TPC-A，現(xiàn)已被下面的幾個所取代： TPC-C于1992建立，用于模擬一個復雜的查詢環(huán)境。 TPC-H用于自主（ad hoc）決策支持。 TPC-W是一個基于Web的事務benchmark。 TPC-E用于模擬一個經(jīng)紀公司的客戶賬戶。7 之 3TPC-C測試實例本章內(nèi)容評價標準性能基準測試程序 用于服務器的benchmarks 測試對象 測試結(jié)果6個高性能服務器的測試結(jié)果6個高性價比服務器的測試結(jié)果7 之 4高性能高性價比12個個OLTP（在線事務處理）服務器在線事務處理）服務器

38、7 之 5性能最好 性價比最好 6個高性能個高性能OLTP服務器的服務器的TPC-C測試結(jié)果測試結(jié)果7 之 6性能最好 性價比最好 6個高性價比個高性價比OLTP服務器的服務器的TPC-C測試結(jié)果測試結(jié)果7 之 7用于嵌入式計算機的benchmarks本章內(nèi)容評價標準性能基準測試程序 嵌入式計算機應具有的主要特性：。 benchmark的發(fā)展處于初期階段，目前最好的benchmark標準化集是（EDN Embedded Microprocessor Benchmark Consortium）。EEMBC benchmarks可分為5類：汽車/工業(yè)、消費者、網(wǎng)絡、辦公自動化和電信（表，測試實例）

39、 。7 之 1EEMBC benchmarks ()7 之 2EEMBC測試實例本章內(nèi)容評價標準性能基準測試程序 用于潛入式計算機的benchmarks 測試對象 測試結(jié)果相對性能的測試結(jié)果相對性價比的測試結(jié)果功率和效率的測試結(jié)果7 之 35個不同的嵌入式處理器個不同的嵌入式處理器7 之 4性能最差 性能最好 5個嵌入式處理器相對性能的個嵌入式處理器相對性能的EEMBC測試結(jié)果測試結(jié)果7 之 5性價比最差 性價比最好 5個嵌入式處理器相對性價比的個嵌入式處理器相對性價比的EEMBC測試結(jié)果測試結(jié)果7 之 6最差 最好 5個嵌入式處理器每瓦相對性能的個嵌入式處理器每瓦相對性能的EEMBC測試結(jié)果

40、測試結(jié)果7 之 7性能比較本章內(nèi)容評價標準性能 為了能公平地綜合比較計算機的性能，引入新的綜合度量標準： 總執(zhí)行時間 加權(quán)執(zhí)行時間 標準化執(zhí)行時間總執(zhí)行時間本章內(nèi)容評價標準性能性能比較其中：Ti為第i個程序的執(zhí)行時間，n為程序數(shù)，Ri=1/Ti。n1iimTSniimTnA11niimRnH11加權(quán)執(zhí)行時間本章內(nèi)容評價標準性能性能比較niiimTWA1Wi ：為第：為第i個程序的比重個程序的比重 Ti ：為第：為第i個程序的執(zhí)行時間個程序的執(zhí)行時間 Ri ：1/Ti n ：為程序數(shù)：為程序數(shù)niiimRWH11)(標準化執(zhí)行時間本章內(nèi)容評價標準性能性能比較 先將各程序的執(zhí)行時間對一臺參考機器進

41、行標準化，然后取標準化執(zhí)行時間的平均值（可以是算術(shù)平均值，也可以是幾何平均值）。 這是SPEC基準測試程序所用的方法，它的參考時間是以在SPARCstation 上的運行時間作為基準。niimETRnA11nniimETRG1ETRi ：為第：為第i個程序?qū)€程序?qū)⒖紮C器標準后的考機器標準后的執(zhí)行時間執(zhí)行時間 n ：為程序數(shù)：為程序數(shù)2 之 1標準化執(zhí)行時間本章內(nèi)容評價標準性能性能比較2 之 2 算術(shù)平均值因參考機器不同而不同，幾何平均值不因參考機器不同而不同。所以標準化執(zhí)行時間應采用幾何平均值。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展本章內(nèi)容 馮諾依曼（Van Nenmann）結(jié)構(gòu) 器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響

42、 軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響 應用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響馮諾依曼結(jié)構(gòu)本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 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。8 之 1馮諾依曼結(jié)構(gòu)本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 現(xiàn)在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)在馮諾依曼結(jié)構(gòu)上得到不斷的發(fā)展和改進，主要體現(xiàn)在下面兩點： 8 之 2改進一本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展8 之 3 以運算器為中心，所有部件由控制器集中控制。以主存為中心操作并行 例如，I/O與CPU并行（DMA、I/O處理機等），I與O并行等。改進二本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展8 之 4 存儲程序：指令順序執(zhí)行，指令和數(shù)據(jù)同等對待（存于同一存儲器中，指令在

43、執(zhí)行中可修改）。數(shù)據(jù)流機器 指令的執(zhí)行次序與存放次序沒有關(guān)系，由數(shù)據(jù)驅(qū)動。指令在執(zhí)行過程中不準修改指令和數(shù)據(jù)分開存儲改進三本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展8 之 5 存儲器按地址訪問，是順序、一維的線性空間，且每個單位的位數(shù)是固定的。采用按內(nèi)容訪問的相聯(lián)存儲器硬件實現(xiàn)高速相聯(lián)查找將整個訪存地址分為段號、頁號和頁內(nèi)地址存儲器同時具有按字、字節(jié)、位的多種編址方式改進四本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展8 之 6 指令在存儲器中基本是按其執(zhí)行順序依次存儲。先行控制、重疊和流水等（CPU內(nèi)的指令執(zhí)行）向量處理機、并行處理機和多處理機等（指令內(nèi)、指令間、任務間的并行）數(shù)據(jù)流計算機（指令的執(zhí)行由數(shù)據(jù)驅(qū)動，而非通常意

44、義下的順序執(zhí)行）改進五本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展8 之 7 指令由操作碼和操作數(shù)兩部分組成，操作數(shù)的類型由操作碼指明。增加許多高級數(shù)據(jù)表示，例如：自定義數(shù)據(jù)表示（數(shù)據(jù)自帶類型標志）CISC（復雜指令系統(tǒng)計算機）、RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機）和WISC（可寫指令系統(tǒng)計算機）改進六本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展8 之 8 數(shù)據(jù)以二進制編碼，并采用二進制運算。增加基本數(shù)據(jù)表示 例如，十進制數(shù)、邏輯數(shù)、可變長字符串等。增加高級數(shù)據(jù)表示 例如，自定義、向量、堆棧等。器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 器件發(fā)展的特點 器件種類 器件發(fā)展對設計方法的影響器件發(fā)展的特點本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)

45、構(gòu)的發(fā)展器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響8個晶體管，每5年左右提高一個數(shù)量級。 將來速度的提高主要靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)技術(shù) 。 例如，CPU芯片剛推出時1000，一年后降到200。 芯片可靠性到達108小時，即連續(xù)使用1萬年以上。器件種類本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 用戶不能改變其功能，在生產(chǎn)時定死，可以大批量生產(chǎn)，例如：CPU、存儲器、寄存器、邏輯門 用戶可以在現(xiàn)場更改內(nèi)容，例如：PROM、EPROM 按用戶要求專門生產(chǎn)的高集成度的VLSI器件。 全用戶片 完全按用戶要求設計的用戶片，例如：各種專用芯片。 半用戶片 按通用片生產(chǎn)的用戶片，例如：門陣列片等。器件發(fā)展對設計方法

46、的影響本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 原來只有在巨型機、大型機中采用的技術(shù)，已經(jīng)用到微型機中，例如：超流水線、Cache等。 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。 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(jié)構(gòu)化設計，規(guī)整、易讀、易診斷。軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 用戶對軟件的要求 若一個程序可以不經(jīng)修改或只需少量修改就能運于不同型號的計算機上，則稱該程序是可移植的（portable)。實現(xiàn)軟

47、件可移植性本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 統(tǒng)一高級語言 采用系列機思想 模擬與仿真統(tǒng)一高級語言本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響實現(xiàn)軟件可移植性 設計出一種完全通用的高級語言，為所有的程序員所使用。 不同的用途往往要求語言有不同的語法結(jié)構(gòu)和語義結(jié)構(gòu)人們對語言的基本結(jié)構(gòu)還沒有透徹的和統(tǒng)一的認識習慣勢力的影響 Ada語言，美國軍方統(tǒng)一用Ada語言開發(fā)實時軟件。采用系列機思想本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響實現(xiàn)軟件可移植性 先確定好系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，軟件設計者據(jù)此設計軟件，硬件設計者則根據(jù)不同的性能要求，采用不同的組成和實現(xiàn)技術(shù)，提供不同檔次的機器。 是指在一

48、個廠家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。例如，IBM PC系列、IBM370系列等。 是指不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。兼容機允許進行擴充，例如：長城0520兼容機增加了漢字處理功能2 之 1軟件兼容性（compatibility)本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響實現(xiàn)軟件可移植性2 之 2 指的是同一軟件可不加修改地運行于該系列機器中的各檔機器上的特性。 時間機器檔次當前機器向上兼容向下兼容高低向后兼容向前兼容必須必須做到，而做到，而卻不一定。卻不一定。一般一般要求做到，而要求做到，而卻不卻

49、不一定。一定。模 擬本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響實現(xiàn)軟件可移植性 指的是用一臺機器（）的機器語言程序解釋實現(xiàn)另一臺機器（）的指令系統(tǒng)的方法。3 之 1 模擬可實現(xiàn)程序模擬可實現(xiàn)程序在任何機器間的在任何機器間的移植移植 模擬影響虛擬機模擬影響虛擬機的速度的速度 模擬不宜用于在模擬不宜用于在時間關(guān)系上有約時間關(guān)系上有約束的程序的移植束的程序的移植應用虛擬機應用虛擬機操作系統(tǒng)虛擬機操作系統(tǒng)虛擬機機器語言虛擬機機器語言虛擬機高級語言虛擬機高級語言虛擬機操作系統(tǒng)虛擬機操作系統(tǒng)虛擬機傳統(tǒng)機器傳統(tǒng)機器微程序機器微程序機器B虛擬機虛擬機A宿主機宿主機仿 真本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對

50、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響實現(xiàn)軟件可移植性 指的是用一臺機器（）的微程序解釋實現(xiàn)另一臺機器（）的指令系統(tǒng)的方法。3 之 2 若目標機同宿主機若目標機同宿主機的結(jié)構(gòu)差別大，則的結(jié)構(gòu)差別大，則仿真困難仿真困難用用程程序解釋，其解釋程序解釋，其解釋程序存在主存中。序存在主存中。用用解釋，解釋，其解釋程序存在控其解釋程序存在控制存儲器中。制存儲器中。應用虛擬機應用虛擬機操作系統(tǒng)虛擬機操作系統(tǒng)虛擬機機器語言虛擬機機器語言虛擬機高級語言虛擬機高級語言虛擬機操作系統(tǒng)虛擬機操作系統(tǒng)虛擬機傳統(tǒng)機器傳統(tǒng)機器微程序機器微程序機器B目標機目標機A宿主機宿主機模擬和仿真本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響實現(xiàn)軟件可移植

51、性 在實際應用中，通常將模擬和仿真這兩種方法混合使用。 3 之 3應用領(lǐng)域的演變本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軍事、科學研究軍事、科學研究生產(chǎn)過程控制、行政管理生產(chǎn)過程控制、行政管理家庭、個人家庭、個人領(lǐng)域領(lǐng)域時間時間醫(yī)療衛(wèi)生、交通指揮、商業(yè)醫(yī)療衛(wèi)生、交通指揮、商業(yè)4 之 1計算機的演變本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展4 之 2性能和價格關(guān)系的處理本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 用戶的性能/價格要求決定廠商的生產(chǎn)決策。 維持價格不變，利用新型器件提高機器性能（水平實線）保持性能基本不變，利用低成本器件降低機器價格（等性能線）價格（對數(shù)）價格（對數(shù)）時間時間巨型機巨型機大型機大型機中型機中型機小型機小型

52、機微型機微型機亞微型機亞微型機微微型機微微型機t-3t-3t-2t-2t-1t-1t tt+1t+1t+2t+24 之 3計算機發(fā)展方向本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 例如，商用機。這是計算機發(fā)展的主要方向。 例如，銀河機、曙光機，主要出于國家安全需要、科技發(fā)展需要。 例如，家用學習機等。4 之 4本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)的分類 佛林分類法 庫克分類法 馮澤云分類法佛林(Flynn)分類法本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)的分類 按和的進行分類： 單指令流單數(shù)據(jù)流 單指令流多數(shù)據(jù)流 多指令流單數(shù)據(jù)流 多指令流多數(shù)據(jù)流 機器執(zhí)行的指令序列。機器執(zhí)行的指令序列。 由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列（輸入數(shù)據(jù)、中間

53、結(jié)列（輸入數(shù)據(jù)、中間結(jié)果）。果）。 在系統(tǒng)性能瓶頸部件上在系統(tǒng)性能瓶頸部件上處于同一執(zhí)行階段的指令處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)。或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)。6 之 1單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD)本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)的分類佛林分類法 典型，包括： ：IBM1401，VAX-11 ：IBM360/91，370/168，CDC6600 ：標量流水線處理機CUPUMMISDSCS6 之 2單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)的分類佛林分類法 例如：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.PU1MM1ISDS1CUPU2PUnDS2DSnMMnCS6

54、 之 3多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD)本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)的分類佛林分類法 幾條指令對同一個數(shù)據(jù)進行不同處理，這種類型的計算機實際上不存在。MM1DSPU1IS1CU1MMnPU2IS2CU2PUnISnCUnCS1CS2CSnDS6 之 4多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)的分類佛林分類法 ，包括，緊密耦合： UNIVAC-1100/80 、IBM3084、 IBM3081 ；松散耦合：D-825、 CRAY-2 、 Cmmp。MM1PU1IS1CU1MMnPU2IS2CU2PUnISnCUnDS1DS2DSnCS1CS2CSn6 之 5特 點本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)的分類 Flynn分類

55、法能反映出大多數(shù)計算機的并行性工作方式和結(jié)構(gòu)特點，得到了廣泛應用，但存在下列缺點： 分類太粗 只能對Neumann型機器分類 難以完全反映系統(tǒng)在工作原理上的差別 無法定量描述系統(tǒng)的類型6 之 6庫克分類法本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)的分類 按和的進行分類： 典型的單處理機。 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。 多道程序系統(tǒng)。 典型的多處理機。馮澤云分類法本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)的分類 用來對計算機系統(tǒng)進行分類。 。假設同時處理的字寬為n，位片寬為m，則最大并行度定義為： Pm m n。 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：3 之 1ntBPniiin13 之 2表示方法：表示方法：按最大并行度的馮氏分類法按最大并行度的馮氏分類法馮澤云分類法本章內(nèi)容計算機系統(tǒng)的分類 用最大并行度來對計算機系統(tǒng)進行分類，可分為四種： 串行計算機，例如：EDVAC(1，1)。 傳統(tǒng)的單處理機，例如：Pentium(32,1)。 并行計算機、MPP、相聯(lián)計算機；例如：MPP(1, 16384)、STARAN(1, 256)、 DAP等。 全并行計算機，例：IILIAC IV(64,64)、 ASC(64,32)、 PEPE 、 Cmmp等。3 之 3