计算机组成原理第十章课件 (1).ppt

信息工程学院·计算机组成原理 第十章 计算机系统结构 计算机组成原理 任课教师：石磊 郑州大学信息工程学院计算机系 Email: shilei@zzu.edu.cn Tel:第一章 概述 第二章 计算机中的数据表示 第三章 运算方法和运算器 第四章 存储器及存储系统 第五章 指令系统 第六章 中央处理器 第七章 系统总线 第八章 输入输出系统 第九章 计算机外部设备 第十章 计算机系统结构 第10章 计算机系统结构 教学目标 掌握计算机系统基本概念 了解计算机系统的发展方向 了解新一代的计算机系统 教学重点 计算机系统基本概念 阵列处理机和多处理机系统 精简指令系统计算机　 　 教学过程 10.1 计算机系统基本概念 10.2 向量处理机 10.3 阵列处理机和多处理机系统 10.4 精简指令系统计算机（RISC） 10.5 超级标量、超级流水线及处理机 10.6 微型计算机 10.7 新一代计算机 10.1 计算机系统基本知识 10.1.1 计算机系统结构的定义 10.1.2 计算机组成与实现 10.1.3 计算机系统的分类 10.1.4 如何提高计算机系统的运算速度 10.1.5 开放系统 10.1.1 计算机系统结构的定义 计算机系统由硬件和软件组成。 1964年Amdahl提出计算机系统结构概念：程序设计者看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。 按照计算机层次结构，不同程序设计者所看到的计算机有不同的属性。使用高级语言的程序员所看到的计算机属性主要是软件子系统和固件子系统的属性，包括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、网络软件等用户界面。 10.1.2 计算机组成与实现 计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究各种组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。这种相互联系包括每个功能部件的配制、相互连接和相互作用。 计算机实现是指计算机组成的物理实现。包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，信号传输，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术以及有关的制造级数和工艺等。 10.1.3 计算机系统的分类 （1/2） 一般采用1966 年弗林（Flynn）根据指令流和数据流数量进行分类的方法。定义如下： 指令流（Instruction Stream）：是机器执行的指令序列； 数据流（Data Stream）：是由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果； 多重性（Multiplicity）：在系统最受限制的元件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。 10.1.3 计算机系统的分类 （2/2） 按照指令流和数据流的不同组织方式、多重性，将计算机系统分成四类： 单指令流单数据流（SISD）计算机系统 　最常用的串行计算机，通常由一个处理器和一个存储器组成。每次执行一条指令，每次从存储器取（或存）一个数据 单指令流多数据流（SIMD）计算机系统 　具有多个处理单元，所有处理单元执行同一条指令， 多指令流单数据流（MISD）计算机系统 　有N个处理单元，按N条不同指令的要求对同一个数据进行不同的处理， 多指令流多数据流（MIMD）计算机系统 　由多台处理器和多个存储器成，并有一个互连网络实现各处理器和各存储器之间的通信。 10.1.4 如何提高计算机系统的运算速度 从两个方面考虑提高计算机系统的运算速度： （1）微电子技术的发展和器件工艺的改进是提高集成度、提高工作频率的基础。计算机系统的发展又为微电子技术的发展带来更好的机遇； （2）CPU速度提高后，应注意内存存取速度的提高，通道速度的提高，采用DMA技术等，这些部件都与计算机系统的运算速度密切相关。 改进单机系统的系统结构的主要方法 （1）CPU和输入输出设备并行工作，以减少CPU等待和空闲时间； （2）采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果，减少访问存储器次数； （3）采用多体交叉存储器和Cache，协调CPU和存储器之间的速度匹配； （4）操作重叠的流水线方式。 10.1.5 开放系统 遵循国际标准接口，使得计算机系统之间有“可移植性”和“互操作性”。 可移植性是指将操作系统或应用软件放在不同厂家的各种不同型号的计算机上使用。 互操作性是指不同厂家在不同平台上开发的多种应用软件通过网络共享数据和协同工作的能力。 10.2 向量处理机 向量处理机有巨型计算机和向量协处理机两种类型。 巨型计算机能对巨大的数组进行浮点运算，同时它还是一种可以进行标量计算和一般数据处理的通用计算机。 向量协处理机专门用于向量计算，它不是一台独立的计算机，需要与通用计算机