計算機組成原理 主編： 石磊 教授 鄭州大學信息工程學院計算機系 2 第一章 概述 第二章 計算機中的數據表示 第三章 運算方法和運算器 第四章 存儲器及存儲系統 第五章 指令系統 第六章 中央處理器 第七章 系統總線 第八章 輸入輸出系統 第九章 計算機外部設備 第十章 計算機系統及發展 目錄 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 3頁 第 10章 計算機系統及發展 計算機組成原理 清華大學出版社教學目標 教學重點 教學過程 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 4頁 教學目標 掌握計算機系統基本概念 了解計算機系統的發展方向 了解新一代的計算機系統 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 5頁 教學重點 計算機系統基本概念 計算機系統的分類 精簡指令系統計算機 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 6頁 教學過程 算機系統基本概念 行計算機系統 一代計算機 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 7頁 計算機系統基本知識 算機系統結構的定義 算機組成與實現 算機系統的分類 何提高計算機系統的運算速度 放系統 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 8頁 算機系統結構的定義 計算機系統由硬件和軟件組成。 1964年 序設計者看到的一個計算機系統的屬性，即概念性結構和功能特性。 按照計算機層次結構，不同程序設計者所看到的計算機有不同的屬性。使用高級語言的程序員所看到的計算機屬性主要是軟件子系統和固件子系統的屬性，包括程序語言以及操作系統、數據庫管理系統、網絡軟件等用戶界面。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 9頁 算機組成與實現 計算機組成的任務是在計算機系統結構確定分配給硬件子系統的功能及其概念結構之后，研究各種組成部分的內部構造和相互聯系，以實現機器指令級的各種功能和特性。這種相互聯系包括每個功能部件的配制、相互連接和相互作用。 計算機實現是指計算機組成的物理實現。包括處理機、主存等部件的物理結構，器件的集成度和速度，信號傳輸，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接，專用器件的設計，電源、冷卻、裝配等技術以及有關的制造級數和工藝等。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 10頁 算機系統的分類 （ 1/2） 一般采用 1966 年弗林（ 據指令流和數據流數量進行分類的方法。定義如下： 指令流（ 是機器執行的指令序列； 數據流（ 是由指令流調用的數據序列，包括輸入數據和中間結果； 多重性（ 在系統最受限制的元件上，同時處于同一執行階段的指令或數據的最大可能個數。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 11頁 算機系統的分類 （ 2/2） 按照指令流和數據流的不同組織方式、多重性，將計算機系統分成四類： 單指令流單數據流（ 算機系統 最常用的串行計算機，通常由一個處理器和一個存儲器組成。每次執行一條指令，每次從存儲器取（或存）一個數據。 單指令流多數據流（ 算機系統 具有多個處理單元，所有處理單元執行同一條指令。 多指令流單數據流（ 算機系統 有 多指令流多數據流（ 算機系統 由多臺處理器和多個存儲器成，并有一個互連網絡實現各處理器和各存儲器之間的通信。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 12頁 何提高計算機系統的運算速度 從兩個方面考慮提高計算機系統的運算速度： （ 1）微電子技術的發展和器件工藝的改進是提高集成度、提高工作頻率的基礎。計算機系統的發展又為微電子技術的發展帶來更好的機遇； （ 2） 注意內存存取速度的提高，通道速度的提高，采用 些部件都與計算機系統的運算速度密切相關。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 13頁 改進單機系統的系統結構的主要方法 （ 1） 減少 （ 2）采用多個通用寄存器來暫存運算的中間結果，減少訪問存儲器次數； （ 3）采用多體交叉存儲器和 調 （ 4）時間重疊的流水線方式。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 14頁 放系統 遵循國際標準接口，使得計算機系統之間有“可移植性”和“互操作性”。 可移植性是指將操作系統或應用軟件放在不同廠家的各種不同型號的計算機上使用。 互操作性是指不同廠家在不同平臺上開發的多種應用軟件通過網絡共享數據和協同工作的能力。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 15頁 并行計算機系統 為了使計算機能夠處理越來越復雜的問題，計算機體系結構設計者把注意力轉向了并行計算機體系結構。可以在計算機體系結構的不同層次引入并行機制。 然而，如果想要將性能提高百倍、千倍甚至數萬倍，就必須使用多個 它們一起高效地工作，這種思想造就了大規模多處理器和多計算機系統。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 16頁 內并行 在最底層實現并行的一種方法就是在一個時鐘周期內發射多條指令。多發射 標量處理器和超長指令字 理器。 超標量 際發射的指令數取決于處理器的設計和當前的環境。硬件決定了可以發射的指令的最大數量，通常是26條指令。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 17頁 所有現代指令流水線的 如果內存引用在第一級和第二級 會導致長時間的等待 ， 直到需要的字節 （ 和它關聯的 被加載到 這會造成流水線暫停 。 有一種方法可以解決這種情況 ， 稱為片內多線程 ， 就是允許 簡而言之 ， 如果線程 1被阻塞 ， ，這樣能夠保證硬件被充分利用 。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 18頁 多線程技術付出適當的代價就能使性能顯著提高 ， 但一些應用卻需要更大幅度的提高性能 ， 這就無法利用多線程來提供 。 為了滿足更高的性能要求 ， 人們開發了多處理器芯片 。 隨著 現在已經能夠將兩個或更多個強大的 這些 它們組成了一個多處理器 。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 19頁 流水線 c a c h e 存儲器 流水線 c a c h e 存儲器 ( a ) 雙流水線芯片 ( b ) 雙內核芯片 圖 10芯片多處理器 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 20頁 處理器 從物理的角度看 ， 協處理器可以是單獨的機柜（ 60的 I/ ， 也可以是主板上的插接板 （ 網絡處理器 ） ， 甚至可以是主芯片上的一部分區域 （ 浮點運算部件 ） 。 區分是否是協處理器的標準 ， 就是看是否存在其他處理器作為主處理器 ， 而協處理器只是協助主處理器工作 。 協處理器可以在很多領域發揮重要的作用 ， 例如網絡分組處理 、 多媒體處理和數據安全處理等 。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 21頁 多計算機系統為并行計算機系統的一種 。 在多計算機系統上運行的程序通過使用類似于 因為多計算機系統中的 可以使用多種不同的拓撲結構 、 交換策略和路由算法 。 所有多計算機系統的一個共同特點是 ， 當應用程序執行 系統就會通知通信處理器把一塊用戶數據傳送到目的計算機中 （ 可能首先要發出請求并獲得許可 ） 。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 22頁 本地互聯網絡 磁盤和輸入輸出 通信處理器 內存 本地互聯網絡 磁盤和輸入輸出 通信處理器 內存 高性能互聯網絡 圖 多計算機體系的通用結構 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 23頁 1. 大規模并行處理器 第一類多計算機系統是大規模并行處理系統 ， 這是一種價值數百萬美元的超級計算機系統 。 它被用于科學計算 、工程計算和其他需要大量計算的工業部門 ， 每秒可以處理大量事務 ， 還可以用于數據倉庫 。 在 即如何進行容錯 。 在使用數千個 每星期有若干個 因此大規模的 檢測錯誤 ， 并從錯誤中平滑地恢復 。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 24頁 2. 集群運算 集群計算機系統是由數百臺 大型機和 內存 、 磁盤 、 操作系統等 。 只不過大型機的組件速度快一些 （ 操作系統除外 ） ， 但是他們的質量不同 ， 使用和管理也不同 。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 25頁 格計算 網格 網格可以被想象為一種非常大 、 松散耦合 、 異構的集群 。 網格的目標是提供一種技術上的基礎設施 ， 從而使一些有著共同目標的組織形成一個虛擬組織 （ 。 網格中對等的參與者眾多 ， 具有多邊特性 。 它和現有的客戶 服務器 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 26頁 新一代計算機 子計算機 米計算機 于第六代計算機 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 27頁 子計算機 量子計算機。以量子力學理論為信息處理理論基礎并以量子器件構成的計算機。 量子計算機與傳統計算機相比，有以下兩個優點： 、量子計算機能夠解決一些傳統計算機無法處理的問題； 、量子計算機能夠將指數復雜性的問題降為多項式復雜性的問題。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 28頁 米計算機 1 納米等于十億分之一米 ，是人類毛發直徑的一萬分之一，是可見光最短波長的四百分之一。 1974 年，科學家唐尼古奇最早使用納米技術（ 利用納米材料的一系列奇異特性，可以制造出一些奇特的納米電子器件。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 29頁 2011年 ， 可以模擬 大 腦 認 知 和 活 動 等 能 力 。 一 代 神 經 突 觸(算機芯片完全不同于計算機設計與制造的傳統理念 ， 它們通過先進算法和硅電路 ， 再現了發生于大腦等生物系統中神經細胞和突觸之間的現象 。 用這種芯片造出來的系統被稱為 “ 認知計算機 ” ， 它們無法像傳統計算機一樣進行編程 ， 但可以通過積累經驗進行學習 ， 發現事物之間的相互聯系 ， 模擬大腦結構和突觸可塑性 。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 30頁 于第六代計算機 一些科學家敏感地意識到 ， 目前作為計算機核心元件的集成電路的制造工藝很快將達到極限 。因此 ， 許多發達國家的科學家已著手探討第六代計算機 ， 即作為計算機的核心核心元件不是傳統的電子元件 ， 而是更新的光電子元件 、 超導電子元件或生物電子元件 。 計算機組成原理 第十章計算機系統結構 2015年 12月 17日 第 31頁 本章小結 計算機系統由硬件和軟件組成 。 計算機系統結構主要研究軟件 、 硬件功能分配和對軟件 、 硬件界面的確定 。 計算機系統結構 、 計算機組成和計算機實現是三個不同的概念 。 系統結構是計算機系統的軟 、 硬件的界面 ，計算機組成是計算機系統結構的邏輯實現 ， 計算機實現是計算機組成的物理實現 。 并行性包含兩方面意思：同時性和并行性 。 主要表現為時間重疊 、 資源重復和資源共享 。 為了使計算機能夠處理越來越復雜的問題 ， 計算機體系結構設計者把注