《计算机组成原理简明教程精选PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理简明教程精选PPT.ppt（25页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、计算机组成原理简明计算机组成原理简明教程课件教程课件2022/10/101第1页，此课件共25页哦教学目标教学目标l掌握计算机系统基本概念掌握计算机系统基本概念l了解计算机系统发展方向了解计算机系统发展方向l了解新一代的计算机系统了解新一代的计算机系统2022/10/102第2页，此课件共25页哦教学重点教学重点l计算机系统基本概念计算机系统基本概念l新一代的计算机系统新一代的计算机系统2022/10/103第3页，此课件共25页哦教学过程教学过程l10.1 计算机系统基本概念计算机系统基本概念l10.2 超级标量、超级流水线及处理机超级标量、超级流水线及处理机l10.3 新一代计算机新一代计
2、算机2022/10/104第4页，此课件共25页哦10.1 计算机系统基本知识计算机系统基本知识 l10.1.1 计算机系统结构的定义计算机系统结构的定义l10.1.2 计算机组成与实现计算机组成与实现 l10.1.3 计算机系统的分类计算机系统的分类l10.1.4 如何提高计算机系统的运算速度如何提高计算机系统的运算速度l10.1.5 开放系统开放系统2022/10/105第5页，此课件共25页哦10.1.1 计算机系统结构的定义计算机系统结构的定义l计算机系统由硬件和软件组成。计算机系统由硬件和软件组成。l1964年年Amdahl提出计算机系统结构概念：程序设计者提出计算机系统结构概念：程
3、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看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。性。l按照计算机层次结构，不同程序设计者所看到的计算机有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。及操作系统、数据库管理系统、网络软件等用户界面。2022/10/106第6页，此课件共25页哦10.1.2 计算机组成与实现计算机组成与实
4、现l计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配给硬件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。接和相互作用。l计算机实现是指计算机组成的物理实现。包括处理机、主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，存等部件的物理结构，器件的集成度
5、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，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。电源、冷却、装配等技术以及有关的制造级数和工艺等。2022/10/107第7页，此课件共25页哦10.1.3 计算机系统的分类计算机系统的分类 （1/2）l一般采用一般采用1966 年弗林（年弗林（Flynn）根据指令流）根据指令流和数据流数量进行分类的方法。定义如下：和数据流数量进行分类的方法。定义如下：指令流（指令流（Instruction StreamInstruction Stream）：是机器执行的）：是机器执行的
6、指令序列；指令序列；数据流（数据流（Data StreamData Stream）：是由指令流调用的数据）：是由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果；序列，包括输入数据和中间结果；多重性（多重性（MultiplicityMultiplicity）：在系统最受限制的元）：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。大可能个数。2022/10/108第8页，此课件共25页哦10.1.3 计算机系统的分类计算机系统的分类 （2/2）按照指令流和数据流的不同组织方式、多重性，将计算机系统分成按照指令流和数据流的不同组织方式、
7、多重性，将计算机系统分成四类：四类：l单指令流单数据流（单指令流单数据流（SISD）计算机系统）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。行一条指令，每次从存储器取（或存）一个数据。l单指令流多数据流（单指令流多数据流（SIMD）计算机系统）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。具有多个处理单元，所有处理单元执行同一条指令。l多指令流单数据流（多指令流单数据流（MISD）计算机系统）计算机系统 有有N个处理单元，按个处理单元，按N条不同指令的
8、要求对同一个数据进行不同条不同指令的要求对同一个数据进行不同的处理。的处理。l多指令流多数据流（多指令流多数据流（MIMD）计算机系统）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。储器之间的通信。2022/10/109第9页，此课件共25页哦10.1.4 如何提高计算机系统的运算速度如何提高计算机系统的运算速度l从两个方面考虑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）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
9、频率的基础。计算机系统高集成度、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；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，采用提高，通道速度的提高，采用DMA技术等，这技术等，这些部件都与计算机系统的运算速度密切相关。些部件都与计算机系统的运算速度密切相关。2022/10/1010第10页，此课件共25页哦改进单机系统的系统结构的主要方法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，以减少和输入输出设备并行工作，以减少CPU等待和空闲时间；等待和空闲时
10、间；（2）采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结）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；果，减少访问存储器次数；（3）采用多体交叉存储器和）采用多体交叉存储器和Cache，协调，协调CPU和存储器之间的速度匹配；和存储器之间的速度匹配；（4）时间重叠的流水线方式。）时间重叠的流水线方式。2022/10/1011第11页，此课件共25页哦并行性并行性l包含两方面含义：包含两方面含义：（1 1）同时性（）同时性（SimultaneitySimultaneity）：指两个或两个以上事件在同一时）：指两个或两个以上事件在同一时刻发生；刻发生；（2 2）并发性（）并发性（Concur
11、rencyConcurrency）：指两个或两个以上事件在同一时）：指两个或两个以上事件在同一时间间隔内发生。间间隔内发生。l并行性主要表现为时间重叠、资源重复和资源共享。并行性主要表现为时间重叠、资源重复和资源共享。（1 1）时间重叠）时间重叠 多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得时间。套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得时间。（2 2）资源重复）资源重复 通过重复地设置硬件资源以大幅度提高计算机通过重复地设置硬件资源以大幅度提高计算机系统的性能，即以数量取胜的原则。系统的性能，即以数
12、量取胜的原则。（3 3）资源共享）资源共享 多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。2022/10/1012第12页，此课件共25页哦10.1.5 开放系统开放系统l遵循国际标准接口，使得计算机系统之间有遵循国际标准接口，使得计算机系统之间有“可移植可移植性性”和和“互操作性互操作性”。l可移植性是指将操作系统或应用软件放在不同厂家的各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。种不同型号的计算机上使用。l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
13、共享数据和协同工作的能力。通过网络共享数据和协同工作的能力。2022/10/1013第13页，此课件共25页哦10.2 超级标量、超级流水线处理机超级标量、超级流水线处理机l10.5.1 超级标量处理机超级标量处理机l10.5.2 超级流水线处理机超级流水线处理机l10.5.3 超长指令字处理机超长指令字处理机2022/10/1014第14页，此课件共25页哦10.2.1 超级标量处理机超级标量处理机l超级标量处理机（超级标量处理机（Superscalar）中配置了多个功能部件和指）中配置了多个功能部件和指令译码电路，采取了多条流水线，还有多个寄存器端口和总令译码电路，采取了多条流水线，还有多
14、个寄存器端口和总线，因此可以同时从存储器中取出几条指令，以并行处理来线，因此可以同时从存储器中取出几条指令，以并行处理来提高机器的速度，对这几条指令进行译码，把能够并行执行提高机器的速度，对这几条指令进行译码，把能够并行执行的指令同时送入不同的功能部件。例如的指令同时送入不同的功能部件。例如Intel 80960A配置三配置三条流水线，分别执行整数运算、转移处理和访存操作，能同时条流水线，分别执行整数运算、转移处理和访存操作，能同时对四条指令进行译码，但最多将对四条指令进行译码，但最多将3条能并行执行的指令分别送入条能并行执行的指令分别送入3条流水线。超级标量机的硬件是不能重新安排指令的前后条
15、流水线。超级标量机的硬件是不能重新安排指令的前后次序的，但可以在编译程序时采取优化的办法对指令的执行次序的，但可以在编译程序时采取优化的办法对指令的执行次序进行精心安排，能并行执行的指令搭配起来。次序进行精心安排，能并行执行的指令搭配起来。l例如，例如，IBM公司推出的公司推出的POWER R6000 处理器，处理器，1992年年Sun/TI（德州仪器公司）推出（德州仪器公司）推出Super SPARC芯片（芯片（Viking），），以上这些以上这些芯片都采用了超级标量技术。芯片都采用了超级标量技术。2022/10/1015第15页，此课件共25页哦10.2.2 超级流水线处理机超级流水线处理
16、机l流水线技术的基本思想是时间重叠，将处理过程分解成流水线技术的基本思想是时间重叠，将处理过程分解成各个专用的功能段，而不是要求每段在空间上重复，所各个专用的功能段，而不是要求每段在空间上重复，所使用的设备相对较少。流水线的各段是由时钟脉冲来进使用的设备相对较少。流水线的各段是由时钟脉冲来进行同步的，各段的信息是顺段流动的，控制相对比较简行同步的，各段的信息是顺段流动的，控制相对比较简单。单。2022/10/1016第16页，此课件共25页哦10.2.3 超长指令字处理机超长指令字处理机l超长指令字的英文缩写是超长指令字的英文缩写是VLIW，是一种单指令流多操作，是一种单指令流多操作码多数据的
17、系统结构。编译程序在编译时，把多个能码多数据的系统结构。编译程序在编译时，把多个能并行执行的操作组合在一起，称为一条有多个操作段并行执行的操作组合在一起，称为一条有多个操作段的超长指令。由这条超长指令控制的超长指令。由这条超长指令控制VLIW机中多个互相独机中多个互相独立工作的功能部件，每个操作段控制一个功能部件，相当立工作的功能部件，每个操作段控制一个功能部件，相当于同时执行多条指令。于同时执行多条指令。lCydra5计算机系统中的数值处理机采用了超长指令字。一计算机系统中的数值处理机采用了超长指令字。一条指令的字常为条指令的字常为32个字节（个字节（256位），分成位），分成7个操作段，个
18、操作段，每段对应每段对应1个操作。每个功能部件都是按流水线原理工作个操作。每个功能部件都是按流水线原理工作的。的。每个典型操作段中有每个典型操作段中有1个操作码、个操作码、2个源寄存器描述码、个源寄存器描述码、1个目的寄存器描述码和个目的寄存器描述码和1个判定寄存器描述码。个判定寄存器描述码。2022/10/1017第17页，此课件共25页哦多发射流水线多发射流水线01234567T正常流水线正常流水线超标量流水线超标量流水线0123456T0123456T超长指令字流水线超长指令字流水线3个操作个操作01234567T超级流水线超级流水线2022/10/1018第18页，此课件共25页哦10
19、.3 新一代计算机新一代计算机l10.7.1 生物计算机生物计算机 l10.7.2 超导计算机超导计算机l10.7.3 量子计算机量子计算机l10.7.4 纳米计算机纳米计算机l10.7.5 光子计算机光子计算机2022/10/1019第19页，此课件共25页哦10.3.1 生物计算机生物计算机l生物计算技术的研究主要包括生物分子器件生物计算技术的研究主要包括生物分子器件和生物计算机系统结构两个方面。利用有机和生物计算机系统结构两个方面。利用有机或生物材料在分子尺度内构成有序体系，提或生物材料在分子尺度内构成有序体系，提供通过分子层次上的物理化学过程去完成信供通过分子层次上的物理化学过程去完成
20、信息检测、传输、存储和处理的基本单元，叫息检测、传输、存储和处理的基本单元，叫分子器件。分子器件。2022/10/1020第20页，此课件共25页哦10.3.2 超导计算机超导计算机l二十世纪六十年代来人们发现了超导约瑟夫逊结效应后，一些计二十世纪六十年代来人们发现了超导约瑟夫逊结效应后，一些计算机专家很快意识到超导器件在超导态和常态间的这种快速转换算机专家很快意识到超导器件在超导态和常态间的这种快速转换特性在超高速计算机中有着十分诱人的应用前景。特性在超高速计算机中有着十分诱人的应用前景。l二十世纪八十年代末，美国贝尔公司发明了具有实用价值的制成二十世纪八十年代末，美国贝尔公司发明了具有实用
21、价值的制成超导薄膜的方法，利用该方法生成的超导薄膜可靠性高，化学性超导薄膜的方法，利用该方法生成的超导薄膜可靠性高，化学性能稳定，这就使研制体积小、速度快的超导电路成为可能。能稳定，这就使研制体积小、速度快的超导电路成为可能。l目前己研制成的超导集成电路有超导处理器、超导存储器、目前己研制成的超导集成电路有超导处理器、超导存储器、超导移位寄存器等。如美国于二十世纪九十年代初研制成的超导移位寄存器等。如美国于二十世纪九十年代初研制成的超导超导32位移位电路，工作频率为位移位电路，工作频率为120GHz，片上有，片上有64 个约瑟夫逊个约瑟夫逊结，稍加改进，工作频率可达结，稍加改进，工作频率可达1
22、000GHz。2022/10/1021第21页，此课件共25页哦10.3.3 量子计算机量子计算机l量子计算机。以量子力学理论为信息处理理论量子计算机。以量子力学理论为信息处理理论基础并以量子器件构成的计算机。基础并以量子器件构成的计算机。l量子计算机与传统计算机相比，有以下两个优量子计算机与传统计算机相比，有以下两个优点：点：、量子计算机能够解决一些传统计算机无法、量子计算机能够解决一些传统计算机无法处理的问题；处理的问题；、量子计算机能够将指数复杂性的问题降为、量子计算机能够将指数复杂性的问题降为多项式复杂性的问题。多项式复杂性的问题。2022/10/1022第22页，此课件共25页哦10
23、.3.4 纳米计算机纳米计算机l1 纳米等于十亿分之一米纳米等于十亿分之一米，是人类毛发直径，是人类毛发直径的一万分之一，是可见光最短波长的四百分之的一万分之一，是可见光最短波长的四百分之一。一。1974 年，科学家唐尼古奇最早使用纳米年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术（技术（Nano-Technology）。）。l利用纳米材料的一系列奇异特性，可以制造出利用纳米材料的一系列奇异特性，可以制造出一些奇特的纳米电子器件。一些奇特的纳米电子器件。2022/10/1023第23页，此课件共25页哦10.3.5 光子计算机光子计算机l光子是宇宙中传播速度最快的物质，无需在导线中传播，光子是宇宙中传播速
24、度最快的物质，无需在导线中传播，且在不满足干涉条件的情况下，它们之间互不干扰。与电且在不满足干涉条件的情况下，它们之间互不干扰。与电子技术相比，光技术有以下特点：子技术相比，光技术有以下特点：无物理触点的互联数大，互联密度高、可靠性高；无物理触点的互联数大，互联密度高、可靠性高；传播速度快；传播速度快；高时空带宽，光的载波空间带宽可达高时空带宽，光的载波空间带宽可达100THz（电信号（电信号带宽最多为带宽最多为100GHz），信息传输无失真；，信息传输无失真；无干扰，多道光波信息可汇聚在一起各自独立传输；无干扰，多道光波信息可汇聚在一起各自独立传输；功耗低。功耗低。2022/10/1024第
25、24页，此课件共25页哦 本章小结本章小结l计算机系统由硬件和软件组成。计算机系统结构主要研究软计算机系统由硬件和软件组成。计算机系统结构主要研究软件、硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定。计算机系统件、硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定。计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。系统结结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。系统结构是计算机系统的软、硬件的界面，计算机组成是计算机系构是计算机系统的软、硬件的界面，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。统结构的逻辑实现，计算机实现是计算机组成的物理实现。l按照指令系统和数据流的不同，计算机系统分为：单指令流单数按照指令系统和数据流的不同，计算机系统分为：单指令流单数据流、单指令流多数据流、多指令流单数据流、多指令流多数据据流、单指令流多数据流、多指令流单数据流、多指令流多数据流计算机系统。流计算机系统。l并行性包含两方面意思：同时性和并发性。主要表现为时间重叠、并行性包含两方面意思：同时性和并发性。主要表现为时间重叠、资源重复和资源共享。资源重复和资源共享。l新一代计算机系统必将对人类社会产生更为深远的影响。新一代计算机系统必将对人类社会产生更为深远的影响。2022/10/1025第25页，此课件共25页哦