计算机组成原理 与系统结构.ppt

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1、计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理主讲：主讲：数字逻辑与计算机组成数字逻辑与计算机组成原理原理计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理第第1 1章章 概述概述计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理本章主要内容：本章主要内容：本章将讲述本章将讲述计算机发展、计算机系统构成、计算机组成计算机发展、计算机系统构成、计算机组成、计算机实现计算机实现和和计算机系统结构计算机系统结构等概念；同时介绍计算机等概念；同时介绍计算机系统结构的分类、计算机系统的性能评价等内容。重点系统结构的分类、计

2、算机系统的性能评价等内容。重点掌握掌握计算机系统结构的层次结构计算机系统结构的层次结构、计算机系统结构的分计算机系统结构的分类类和和计算机系统的性能评价标准计算机系统的性能评价标准等。等。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.1 1.1 计算机系统概念计算机系统概念计算机系统概念计算机系统概念1.2 1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.3 1.3 计算机系统组成计算机系统组成计算机系统组成计算机系统组成1.4 1.4 计算机系统结构的分类计算机系统结构的分类计算机系统结构的分类计算机系统结构的分类

3、1.5 1.5 计算机系统结构的评价计算机系统结构的评价计算机系统结构的评价计算机系统结构的评价1.6 1.6 计算机系统结构的发展计算机系统结构的发展计算机系统结构的发展计算机系统结构的发展计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.1 1.1 计算机系统概念计算机系统概念1.1.1 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 世界上第一台电子计算机诞生于世界上第一台电子计算机诞生于19461946年，年，是由美国宾西法尼亚大学摩尔学院机电系莫是由美国宾西法尼亚大学摩尔学院机电系莫克利（克利（J.MauchlyJ.Mauchly）教授及其同事们共同研

4、制教授及其同事们共同研制成功的，称为电子数字积分器和计算机成功的，称为电子数字积分器和计算机（Electronic Numerical Integrator And Electronic Numerical Integrator And ComputerComputer，ENIACENIAC）。）。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1 1机械计算时代（机械计算时代（1642164219451945年）机械年）机械式式2 2第一代电子计算机（第一代电子计算机（19461946年至年至2020世纪世纪5050年代末期）电子管年代末期）电子管3 3第二代计算

5、机（第二代计算机（2020世纪世纪5050年代末期至年代末期至6060年代中期）晶体管年代中期）晶体管4 4第三代计算机（第三代计算机（2020世纪世纪6060年代中期至年代中期至7070年代初期）年代初期）和和5 5第三代以后的计算机（第三代以后的计算机（2020世纪世纪7070年代年代初开始）和初开始）和计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.1.2 计算机的应用1 1科学计算科学计算2 2数据处理数据处理3 3实时控制实时控制4 4计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)/(CAD)/计算机辅助制造计算机辅助制造(CAM)/(CAM)/计算机集成制造

6、系统计算机集成制造系统5 5计算机信息管理计算机信息管理计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.1.31.1.3计算机系统结构、计算机计算机系统结构、计算机组成和计算机实现组成和计算机实现1计算机系统结构 计算机体系结构，其英文为计算机体系结构，其英文为 “CompuerCompuer Architecture Architecture”主要研究计算机系统的设计。主要研究计算机系统的设计。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理2计算机组成 3计算机实现 计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现是指计算机组成

7、的物理实现。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.2 1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 图图图图1-1 1-1 计算机硬件、软件和用户计算机硬件、软件和用户计算机硬件、软件和用户计算机硬件、软件和用户 计算机系统由硬件和软件构成，如果以硬件为核心，计算机系统可以用图1-1表示。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理图图图图1-21-2计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 图1-2描述了计算机的层次结构。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数

8、字逻辑与计算机组成原理1.3 1.3 计算机系统组成计算机系统组成 CPUCPU内部也由相对独立的几个部分组成，内部也由相对独立的几个部分组成，如图如图1-31-3所示。所示。图图图图1-3 1-3 一台简单的计算机硬件组成图一台简单的计算机硬件组成图一台简单的计算机硬件组成图一台简单的计算机硬件组成图计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.4 1.4 计算机系统结构的分类计算机系统结构的分类1.4.11.4.1弗林分类法弗林分类法 按照指令流和数据流的多寡，按照指令流和数据流的多寡，FlynnFlynn将计算机体将计算机体系结构分成系结构分成4 4种类

9、型。种类型。（1 1）单指令流单数据流（）单指令流单数据流（Single Instruction Single Instruction stream Single Data streamstream Single Data stream，SISDSISD）计算机。）计算机。（2 2）单指令流多数据流（）单指令流多数据流（Single Instruction Single Instruction stream Multiple Data streamstream Multiple Data stream，SIMDSIMD）计算机。计算机。（3 3）多指令流单数据流（）多指令流单数据流（Multi

10、ple Instruction Multiple Instruction stream Single Data streamstream Single Data stream，MISDMISD）计算机。计算机。（4 4）多指令流多数据流（）多指令流多数据流（Multiple Instruction Multiple Instruction stream Multiple Data streamstream Multiple Data stream，MIMDMIMD）计算机。）计算机。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理表表表表1-21-2计算机系统计算机

11、系统计算机系统计算机系统FlynnFlynn分类法分类法分类法分类法指令流指令流数据流数据流名称名称举举例例11SISD传统的冯诺伊曼计算机1多个SIMD超级向量计算机，阵列处理机多个1MISD目前还没有多个多个MIMD多处理器，多计算机 下表列出了下表列出了FlynnFlynn分类法以及每种计算机的实例。分类法以及每种计算机的实例。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.4.2 1.4.2 冯氏分类法冯氏分类法 图图1-5所示为冯氏分类法对计算机系统的划分情况，其中所示为冯氏分类法对计算机系统的划分情况，其中的点为一些典型的计算机系统。的点为一些典型的

12、计算机系统。图图图图1-51-51-51-5冯氏分类法及典型计算机系统冯氏分类法及典型计算机系统冯氏分类法及典型计算机系统冯氏分类法及典型计算机系统计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理 按照最大并行度的不同，冯氏分类法将计算机系按照最大并行度的不同，冯氏分类法将计算机系统分为以下统分为以下4种。种。（1）字串位串型（）字串位串型（Word Serial Bit Serial，WSBS）：）：n=1，m=1（2）字串位并型（字串位并型（Word Serial Bit Parallel，WSBP）：）：n=1，m1（3）字并位串型（字并位串型（Word Pa

13、rallel Bit Serial，WPBS）：）：n1，m=1（4）字并位并型（字并位并型（Word Parallel Bit Parallel，WPBP）：）：n1，m1计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.4.3 1.4.3 海德勒分类法海德勒分类法 H H ndlerndler分类法实际上也可以称作分类法实际上也可以称作H H ndlerndler表示表示法，它是对计算机的整体并行度进行的一种表示法，它是对计算机的整体并行度进行的一种表示法。法。H H ndlerndler表示法用如下形式表示计算机的结构特表示法用如下形式表示计算机的结构特征，

14、即征，即t t（系统型号）（系统型号）=（k k，d d，w w）。）。其中，程序控制部件的个数为其中，程序控制部件的个数为k k，算术逻辑部件，算术逻辑部件或处理部件的个数为或处理部件的个数为d d，每个算术逻辑部件包含的基，每个算术逻辑部件包含的基本逻辑线路套数为本逻辑线路套数为w w。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.5 1.5 计算机系统结构的评价计算机系统结构的评价1.5.1 1.5.1 系统运行速度系统运行速度1MIPS 指计算机系统每秒钟能执行百万条指令的指计算机系统每秒钟能执行百万条指令的数量。数量。MIPS=MIPS=指令条数指令

15、条数/执行时间执行时间 2MFLOPS MFLOPSMFLOPS是指每秒钟百万次浮点运算数。是指每秒钟百万次浮点运算数。MFLOPS=MFLOPS=程序中的浮点运算次数程序中的浮点运算次数/运行时间运行时间计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理3标准程序测试法（1 1）基准测试程序）基准测试程序 System PerformanceSystem Performance Evaluation Corporation Evaluation Corporation（2 2）整数测试程序：）整数测试程序：DhrystoneDhrystone（3 3）浮点测试程序：

16、）浮点测试程序：LinpackLinpack（4 4）WhetstoneWhetstone基准测试程序基准测试程序（5 5）TPCTPC基准程序基准程序 Transaction Transaction Processing CouncilProcessing Council（事务处理委员会）（事务处理委员会）计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理 加速比是系统性能指标评价的另一个指标，系加速比是系统性能指标评价的另一个指标，系统加速比有时也称为统加速比有时也称为AmdahlAmdahl定律。定律。AmdahlAmdahl是这样是这样对系统加速比定义的：对系

17、统加速比定义的：T T0 0是指系统没有改进以前运行程序所用的时间；是指系统没有改进以前运行程序所用的时间；T Tn n是系统采用了改进措施以后运行程序所用的时是系统采用了改进措施以后运行程序所用的时间。也可以将加速比描述为系统改进后运行程序间。也可以将加速比描述为系统改进后运行程序的速度与未采用改进措施前运行程序速度的比值。的速度与未采用改进措施前运行程序速度的比值。1.5.2 1.5.2 加速比加速比Sn=T0/Tn计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理 AmdahlAmdahl在考察系统加速比时引入两个重在考察系统加速比时引入两个重要的指标，即可改进

18、比要的指标，即可改进比FeFe和部件加速比和部件加速比SeSe。可改进比可改进比FeFe是指在系统中可改进部分占系统是指在系统中可改进部分占系统整体的百分数，因此整体的百分数，因此0 0FeFe1 1；部件加速比部件加速比SeSe是指改进部分采用改进措施以后比没有采是指改进部分采用改进措施以后比没有采用改进措施以前性能提高的倍数，可见用改进措施以前性能提高的倍数，可见SeSe1 1。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理这样这样T Tn n=(1=(1F Fe e)T T0 0+F Fe e/S Se eT T0 0=(1=(1F Fe e+F Fe e/

19、S Se e)T T0 0将上式代入加速比的定义中，可得：将上式代入加速比的定义中，可得：可见，加速比可见，加速比SnSn的大小只与的大小只与FeFe和和SeSe有关，只要有关，只要FeFe不为不为0 0且且SeSe大于大于1 1，得到的，得到的SnSn一定大于一定大于1 1，也就是，也就是说，只要对系统中某部件进行了改进，总会对全说，只要对系统中某部件进行了改进，总会对全系统的性能提升有好处。系统的性能提升有好处。=Sn=计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理 从上式可以看出，当从上式可以看出，当FeFe11时，时，SnSnSeSe。即，当。即，当可改进

20、比接近于可改进比接近于1 1时，也就是说整个系统可以像一个时，也就是说整个系统可以像一个部件一样改进，则系统加速比就等于部件加速比。部件一样改进，则系统加速比就等于部件加速比。当系统中有多个部件可以改进时，当系统中有多个部件可以改进时，AmdahlAmdahl定律定律可以扩展为如下形式：可以扩展为如下形式：SnSn=(i=1,2=(i=1,2m)m)计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理 其中其中m m为系统中可改进的部件数量。为系统中可改进的部件数量。利用利用AmdahlAmdahl定律可以知道，某一部件的改定律可以知道，某一部件的改进，使整个系统的性能

21、能提高多少。同时也进，使整个系统的性能能提高多少。同时也可以由此得出系统的最佳配置，以保证系统可以由此得出系统的最佳配置，以保证系统设计时部件的改进在某种应用中获得更好的设计时部件的改进在某种应用中获得更好的性能价格比。性能价格比。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理例例1.1设系统中某部件采用改进措施后运行速度设系统中某部件采用改进措施后运行速度是原来的是原来的10倍，而该部件的原运行时间占整个系倍，而该部件的原运行时间占整个系统运行时间的统运行时间的40%，那么，采用改进措施后会对，那么，采用改进措施后会对整个系统的性能提高多少？整个系统的性能提高多

22、少？解：由题意可知，解：由题意可知，Fe=40%=0.4，Se=10 依据依据Amdahl定律，定律，得得Sn=1.5625 即，采用改进措施后，系统可以提升速度为原来的即，采用改进措施后，系统可以提升速度为原来的1.5625倍。倍。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.5.3 CPU1.5.3 CPU性能性能 表征表征CPUCPU性能的主要标志：一是性能的主要标志：一是CPUCPU的能的能力；二是力；二是CPUCPU的速度。的速度。CPUCPU的能力是通过硬件连接能力和系统管的能力是通过硬件连接能力和系统管理能力来体现的。理能力来体现的。CPUCPU

23、的速度主要通过主时钟、指令时钟数的速度主要通过主时钟、指令时钟数来衡量。来衡量。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1主时钟2CPU性能公式 程序的执行时间称为程序的执行时间称为CPUCPU时间，即：时间，即：CPUCPU时间时间=时钟周期数时钟周期数/时钟频率时钟频率 程序执行过程中所使用的指令数，记为程序执行过程中所使用的指令数，记为ICIC，则：，则：CPI=CPI=总时钟周期数总时钟周期数/IC/IC 程序执行的程序执行的CPU时间就可以表示为：时间就可以表示为：CPUCPU时间时间=CPI=CPIIC/IC/时钟频率时钟频率 =CPI=CPII

24、CIC时钟周期数时钟周期数 这个公式就是通常所称的这个公式就是通常所称的CPUCPU性能公式。性能公式。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理作为衡量作为衡量CPUCPU运行速度的指标运行速度的指标CPICPI，通常是一种概率，通常是一种概率统计的结果。统计的结果。设通过对许多程序的统计，得知第设通过对许多程序的统计，得知第i i类指令的使用类指令的使用频率是频率是PiPi，而执行该类指令所需的时钟周期为，而执行该类指令所需的时钟周期为CPICPIi i，而全部指令的类别数为而全部指令的类别数为n n，则该处理机的统计平均，则该处理机的统计平均CPICPI

25、就为就为 CPICPI=其中的其中的ICICi i为第为第i i类指令的指令条数。类指令的指令条数。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.5.4 1.5.4 系统的性能价格比系统的性能价格比 为了更好地降低系统的生产成本，系统设计者应为了更好地降低系统的生产成本，系统设计者应该考虑如下的问题：该考虑如下的问题：（1）对于生产批量不大的系统，应尽量采用成熟的对于生产批量不大的系统，应尽量采用成熟的通用元器件，譬如使用市场上最常见的微处理器、通用元器件，譬如使用市场上最常见的微处理器、存储器芯片存储器芯片。（2 2）充分利用成熟的技术，采用标准化设计。）充

26、分利用成熟的技术，采用标准化设计。（3 3）考虑系统的继承性和合理的体系结构。）考虑系统的继承性和合理的体系结构。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.6 1.6 计算机系统结构的发展计算机系统结构的发展1.6.1 1.6.1 冯冯诺依曼机系统结构的演变诺依曼机系统结构的演变1.6.2 1.6.2 软件、应用和器件对系统结构的影响软件、应用和器件对系统结构的影响1软件对系统结构的影响2应用对系统结构的影响3VLSI对系统结构的影响 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.6.3 1.6.3 系统结构中并行性的系统

27、结构中并行性的发展发展并行性的实现方法有以下并行性的实现方法有以下3 3种种:（1 1）时间重叠时间重叠从时间上体现并行性，同一时间段内执行从时间上体现并行性，同一时间段内执行多个任务。多个任务。（2 2）资源重复资源重复从空间上体现并行性，几个任务同时使用从空间上体现并行性，几个任务同时使用同一空间。同一空间。（3 3）资源共享资源共享从并发性上体现并行性。从并发性上体现并行性。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理 并行性的发展从并行性的发展从单机单机和和多机多机两个方面考虑问题。两个方面考虑问题。从单机的角度讲，考虑使用从单机的角度讲，考虑使用流水线技术、多道程流水线技术、多道程序、分时操作系统序、分时操作系统等技术实现系统并行性；从多机等技术实现系统并行性；从多机系统来讲，可以使用系统来讲，可以使用松耦合系统、专用外围处理松耦合系统、专用外围处理机、专用语言处理机、异构型多处理机机、专用语言处理机、异构型多处理机系统等形式系统等形式构成多计算机系统。构成多计算机系统。