第1章体系结构选读.ppt

第一章 计算机系统结构的基本概念 简介 1.1 计算机系统结构 1.2 计算机系统设计技术 1.3 系统结构的评价标准 1.4 计算机系统结构的发展 简介 计算机诞生最初的25年，由于实现技术和系统结构的发展，计算机性能每年提高25%； 到20世纪70年代末，微处理机出现，依靠集成电路技术，性能每年提高35%； 20世纪80年中期，到2002年，出现RISC技术、依靠指令级并行和Cache，性能每年提高52%，系统结构的贡献使性能多提高近7倍； 2002年以后，由于功耗，指令级并行和存储延迟进展缓慢，性能提高降到20%。这一时期线程级并行和数据级并行成为主要的改进方向。 计算机的分类 小型计算机已经被基于微处理器的服务器取代，多处理器系统已经取代了大型机，甚至巨型机也可以由多个高性能微处理器(集群)构成； 目前一般把计算机分为3类： 1 桌面计算机：追求性价比为主 2 服务器：可靠性和可扩展性是关键 3 嵌入式计算机：以最低价格满足实际性能要求，实时性、最小的存储器和最小的功耗是其关键特性 2005年，嵌入式处理器销售数量接近30亿，桌面计算机约为2亿，服务器为1千万台。 1.1 计算机系统结构 1.1.1 计算机系统的层次结构 1.1.2 计算机系统结构的定义 1.1.3 计算机组成与实现 1.1.4 计算机系统结构的分类 1.1.1 计算机系统的层次结构 1.虚拟计算机 1.1.2 计算机系统结构的定义 1.计算机系统结构定义一 2.计算机系统结构定义二 计算机系统结构定义一 Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出：程序员所看到的计算机系统的属性, 即概念性结构和功能特性 程序员：系统程序员（包括：汇编语言、机器语言、编译程序、操作系统） 看到的：编写出能在机器上正确运行的程序所必须了解到的。 IBM360系列计算机的概念性结构 功能特性:指令系统及其执行模式 计算机系统由软件、固件和硬件组成，它们在功能上是同等的 同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现 计算机系统结构研究的是软硬件功能分配和对软硬件界面的确定。 1.1.3 计算机组成与实现 计算机组成 计算机实现 系统结构、组成和实现三者的关系 计算机组成 1.课程名称 Computer Organization 计算机组成，计算机组织，计算机原理，计算机组成原理 2.研究方法 从内部研究计算机系统 计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现。 计算机实现 计算机实现是指计算机组成的物理实现主要包括： 处理机、主存储器等部件的物理结构； 器件的集成度和速度； 专用器件的设计； 器件、模块、插件、底版的划分与连接； 信号传输技术； 电源、冷却及装配技术，制造工艺及技术。 系统结构、组成和实现三者的关系 关系：外特性 ——— 内特性 ——— 物理实现 关系举例： 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，计算机实现是计算机组成的物理实现，三者各自包含不同的内容，但又有着紧密的联系 一种系统结构可以有多种组成，同样，一种组成可以有多种物理实现。 系统结构设计不应该对组成、实现技术的采用与发展有过多或不合理的限制； 计算机组成与实现是可以折衷权衡的； 系统结构的设计与硬件的设计不可混淆； 三者的内容不同时期会有所变化。过去体系结构通常指指令系统的设计，实际上是指令集体系结构，由于计算机应用领域的扩展，计算机体系结构的研究已经扩展到许多组成和实现的内容。 1.1.4 计算机系统结构的分类 1 弗林(Flynn)分类法 2 冯氏分类法 3 汉德勒(H?ndler)分类法 1 弗林(Flynn)分类法 通过指令流(Instruction stream,IS) 和数据流(Data stream，DS)进行分类 SISD(Single IS Single DS) SIMD(Single IS Multiple DS) MISD(Multiple IS Single DS) MIMD(Multiple IS Multiple DS) SISD 传统的顺序处理机(串行机) SIMD 主要开发数据级并行，向量处理机是这种体系结构最大的分支，适用于多媒体应用 MISD 这种机器的确定存在分歧，有人认为流水线结构的机器属于MISD，主流的观点则认为至今没有这种类型的商用机器。 MIMD 每个处理器取自己的指令操作自己的数据，能实现线程级并行，用途最广泛 2 冯氏分类法 冯氏分类法按最大并行度分类 最大并行度(Pm)指单位时间内能处理的最大二进制位数，可分为： 字串位串WSBS(Word serial and bit serial) 字并位串WPBS(Word parallel and b