几何平均-Read.PPT

1.4 计算机系统结构的发展 1.4.1 冯·诺依曼结构 1.4.2 器件发展的影响 1.4.3 应用发展的影响 1.4.4 改进算法的影响 1.4.1 冯·诺依曼结构 存储程序计算机体系结构 Van Nenmann基本思想于1936年～1946年期 间形成，由冯·诺依曼等人于1946年提出 1. 特点: 存储程序、运算器为中心、集中控制 存储器是字长固定的、顺序线性编址的一维结构，每个地址是唯一定义的。 4096个字、40位。 由指令形式的低级机器语言驱动。 指令顺序执行，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。 运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送都途经运算器。 运算器、存储器、输入输出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集中控制。 2. 现代处理机对冯·诺依曼结构的改进 不变的：存储程序 改变的：存储器为中心, 总线结构, 分散控制 从基于串行算法变为适应并行算法，出现了向量计算机，并行计算机、多处理机等 流水线处理机，超标量处理机，超流水线处理机，超标量超流水线处理机 数据库计算机和知识库计算机 专用计算机，如FFT变换机、过程控制计算机 为获得高可靠性而研制容错计算机 功能分散化、专业化，出现了各种分布计算机、外围处理机、通信处理机等 存储器为中心、分散控制 总线结构，分散控制 总线： 连接计算机各功能部件的连线和管理信息传输规则的逻辑电路称为总线。 特点：在任何时刻，只能有一个部件向总线上发送信息，可以有多个部件同时接收信息。 组成： 数据总线、地址总线、控制总线。 单总线结构 双总线结构 三总线结构 3. 非冯计算机的发展 什么是非冯计算机？非指令驱动，… 从传统的指令驱动型改变为数据驱动型，出现了数据流机计算机。 从传统的指令驱动型改变为需求驱动型，出现各种图归约计算机。 处理非数值化信息的智能计算机，自然语言、声音、图形和图象处理,虚拟现实处理等 第五代计算机，由推理机和知识库机等组成。历经10年，召开过多次专题国际会议。 神经网络计算机，仿生计算机，… 1.4.2 器件发展的影响 1. 第1代至第4代计算机以器件来划分 第一代：电子管(Valve) 第二代：晶体管(Transistor) 第三代：集成电路(LSI) 第四代：大规模集成电路(VLSI) 第五代：智能计算机？ 第五代计算机以什么作为标志来划分？ 第五代计算机什么时候诞生？ 2. 器件发展的特点 (1) 集成度迅速提高 目前水平：每个芯片有1010个晶体管 单芯片内可以做大于1Gb存储器， 单芯片内可以集成2个CPU＋全部Cache 每4~5年提高一个数量级 还远没有达到集成度的极限 问题？ 如何利用器件集成度的提高，不断改进计算机系统的性能：例如，有更多指令并行执行，采用更深的流水线，集成更多的Cache等 (2) 提高速度空间不大 目前CPU主频已经到达6GHz， 时钟周期0. 16ns，门延迟小于0.01ns 极限速度30万公里/秒/2＝1.5mm/0.01ns 信号在导体中传递速度小于光速的50％。 Pentium芯片面积500mm2，即23mm ? 23mm 器件速度提高的余地已经很小，将来提高处理 机速度更多依靠系统结构的发展 可从系统结构的两个方面提高处理机速度： 提高IPC，从目前的2左右提高到8以上， 采用更深度的流水线和并行处理技术 (3) 价格直线下降 CPU芯片的价格每年要下降80% (4) 可靠性越来越高 芯片可靠性达到108小时，连续使用1万年以上 3. 器件种类 通用片：逻辑关系确定 大批量生产，如：CPU、存储器、寄存器… 现场片：可以一次或多次改写逻辑关系 如：PLD、PAL、PROM、EPROM、FPGA… 用户片：各种专用芯片 需要单独设计和生产。 半用户片：门阵列片等 标准的门电路，前几到工序已经完成； 根据用户需要确定最终连线。 4. 器件发展对计算机组成技术的影响 器件速度与处理机工作主频 1955年第一台大型机 IBM704 机，主频12us， 1976年巨型向量计算机CRAY，主频12.5ns， 目前，Pentium4 的主频已经达到 3GHz 器件速度与指令执行时间 46年来器件速度提高104，指令速度快108以上 系统结构和组成技术的作用 器件速度提高减慢, 处理机主频提高速度减缓 指令执行速度的提高基本保持不变(摩尔定理) 1.4.3 应用发展的影响 1. 应用需求 高结构化数值计算：气象模型,流