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1、第一节 计算机体系结构的基本概念 第二节 计算机体系结构的演变 第三节 影响计算机体系结构因素 第四节 计算机体系结构中的并行性及其发展 第五节 计算机体系结构设计的基础 第六节 计算机系统的评价,第一节 计算机体系结构的基本概念,一、提高计算机硬件性能的因素 1.器件换代是计算机换代的基本标志 以器件的发展为标志,计算机系统经历了四代。 器件技术为计算机的发展提供了必不可少的物质基础,是推动计算机发展的基本因素。 2.体系结构是现代计算机系统分类的基本依据 计算机的分类方法很多,普遍认可的是按性能与价格划分,由此可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五大类。但该分类方法已不能正确地反映
2、当前计算机的性能、应用和发展趋势等方面的现状。,第一节 计算机体系结构的基本概念,主要原因有: 一是相互之间的界限越来越模糊; 二是某一类机器的归属是动态变化的; 三是现代计算机的硬件处理核心基本相同; 四是该分类法没有真正体现计算机的本质特征。,第一节 计算机体系结构的基本概念,主要特征 嵌入式计算机 桌面计算机 服务器 超级计算机,应用范围 智能仪器、测控装置 面向个人 大规模信息处理 科学计算,对应关系 微型机应用微型化 小型机、微型机 大型机、中型机 巨型机,微处理器数目 12个 14个 几个几十个 几十个以上,系统价格 差异很大 5005000美元 5000500万 1千万1亿,微处
3、理器价格 0.01100美元50500 20010000 20010000,性能通用、性价比、图形等多媒体,性能专用、价格、实时性、可靠性,设计关键,设吞吐量、可靠性、可扩性、可测性计关键,性能专用、吞吐量、浮点计算,第一节 计算机体系结构的基本概念,二、广义计算机语言与虚拟计算机 1. 什么是计算机系统 一是指狭义的计算机系统。认为计算机系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五个部件组成。 I/OCPUM/S模式。 二是指本义的计算机系统。认为计算机系统是由硬件和软件两部分组成。 SH模式。 三是指广义的计算机系统。认为计算机系统是由人员、数据、设备、程序、规程等五部分组成,只有
4、把它们有机地结合在一起才能完成各种任务。 广义模式。,第一节 计算机体系结构的基本概念,2. 广义的计算机语言 计算机系统的根本功能在于信息处理,任何一个信息处理过程都是对某一层面而言。因此,把描述控制流程的、有一定规则的字符集合称之为计算机语言。而控制流程实现有三种方法: 全硬件的方法。 硬件和软件相结合的方法。 全软件的方法。 可见,计算机语言并不专属软件范畴,而是分属于计算机系统的各个层面,且有不同的作用,这就是计算机语言的广义性。,3. 虚拟计算机 计算机系统只对某一层次的观察者而存在,通过该层次的广义语言来体现它的功能,并为广义语言提供翻译手段,作用于信息处理和控制对象上,并从对象上
5、获得必要的状态信息,这就是虚拟计算机。简言之,由软件实现的机器即为虚拟计算机。,第一节 计算机体系结构的基本概念,虚拟计算机的组成,4. 透明性 虚拟计算机仅对这一层次的观察者而存在的。从某一层次的观察者来看,只是通过该层次的语言来了解和使用机器,不必关心其内层的那些机器是如何工作和如何实现各自功能的。这一概念称为透明性,即所谓透明性是指在计算机技术中,一种本来存在的事物或原性,但从某种角度看似乎不存在。它是基于虚拟计算机的观点而形成的一个概念。,第一节 计算机体系结构的基本概念,三、计算机体系结构及其范畴 1.什么是计算机体系结构 计算机体系结构是G.M.Amdahl等人在1964年提出的。
6、他们提出计算机体系结构是程序员看到的计算机属性,然而不同级程序员所看到的计算机属性显然不同。 Amdahl等人提出的程序员是指机器语言程序员,计算机属性是硬件的概念结构及其功能特性,是计算机硬件的外特性。因此完整的计算机体系结构的定义是:机器语言程序员所必须了解的机器概念性结构和功能特性。,第一节 计算机体系结构的基本概念,2. 计算机体系结构范畴 计算机体系结构作为一门学科,主要是研究软件与硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定,即哪些功能由软件完成,哪些功能由硬件完成,以及如何最佳最合理地实现分配给硬件的功能。它所包括的内容一般有: 数据表示 寻址方式 寄存器组织 指令系统 存储系统 中断机
7、构 机器工作状态(如管态、目态等)的定义和切换 机器级的I/O结构 信息保护,第一节 计算机体系结构的基本概念,第一节 计算机体系结构的基本概念,四、计算机组成与实现 1. 计算机组成 什么是计算机组成。 计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现,包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。 计算机逻辑设计的目的及其内容。 计算机逻辑设计是按所希望达到的性能价格比,最佳、最合理地把各种设备和部件组成计算机,以实现所确定的计算机体系结构。计算机组成的设计内容对传统机器程序员一般是透明的。,逻辑设计的内容主要包括: 数据通路宽度。 操作对功能部件的共享程度。 专用功能部件的设置。 功能部件的并行
8、性。 缓冲和排队技术的。 控制部件组成方式。 可靠性技术。 性能优化技术。,第一节 计算机体系结构的基本概念,2计算机实现 计算机实现是指计算机组成的物理实现。主要内容有: (1)处理机、主存储器等部件的物理结构。 (2)器件的物理性能,如电参数、传输速度、动态范围、集成度等。 (3)器件、模块、插件和底板等的划分与连接。 (4)专用器件的设计、微组装技术。 (5)信号传输、制作、电源、冷却和装配等技术以及有关的制造技术和工艺等。,第一节 计算机体系结构的基本概念,3计算机体系结构、组成与实现间的关系 计算机体系结构、计算机组成和实现是三个不同的概念。 计算机体系结构、计算机组成和实现相互影响
9、。 计算机体系结构、组成和实现的界限模糊。,第一节 计算机体系结构的基本概念,第一节 计算机体系结构的基本概念,四、计算机体系结构的特性 1.计算机体系结构的层次性 计算机系统是硬件和软件的统一体,直接反映结构上的层次性。如果依据虚拟计算机的观点来看,不同层次的观察者看到的计算机系统无论功能还是结构都不相同,即就有如图所示计算机系统的层次结构。,第一节 计算机体系结构的基本概念,2. 计算机体系结构的等级性 计算机系统分为巨型、中型、小型、微型等若干等级。一台计算机体系结构的等级将随时间而下移。各型机器的性能、价格随时间变化的趋势大致可以用图说明。由图可见,各型机器所具备的性能随时间是在动态地
10、下移的,但价格却在相当长一段时间内基本不变。,第一节 计算机体系结构的基本概念,图1.3 计算机体系结构等级与性能、价格的关系,3.计算机体系结构的系列性 系列机是指由同一个厂家生产的体系结构相同、组成和实现不同的一系列不同型号的机器。简言之,体系结构相同的机器即为系列机。而把不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机称为兼容机。 系列机软件兼容是指同一个软件(目标程序)可以不加修改地运行于系统结构相同的各档次的机器,而且所得结果一致。软件兼容有向上兼容与向下兼容和向前兼容与向后兼容两种类型。 对系列机而言,必须保证做到软件向后兼容,力争做到软件向上兼容。,第一节 计算机体系结构的基本概念,第
11、一节 计算机体系结构的基本概念,4.计算机系统结构的模拟仿真性 模拟是指用机器语言程序解释实现程序移植的方法,被模拟的B机称为虚拟机,A机称为宿主机。 用微程序直接解释另一种机器的指令系统称为仿真。 仿真与模拟的主要区别在于解释所用的语言。仿真是用微程序解释,其解释程序在微程序存储器中;模拟是用机器语言解释,其解释程序在主存储器中。另外仿真的速度要比模拟快,但实现难度要大。,第一节 计算机体系结构的基本概念,第一节 计算机体系结构的基本概念,图1-5 在A机器语言级上实现B机器指令系统,第二节 计算机体系结构的演变,一、计算机体系结构的基本模型 1.计算机工作的原理 存储程序、顺序控制原理的基
12、本点是指令驱动,即程序由指令组成,并和数据一起存放在计算机存储器中。机器一经启动,就能按照程序指定的逻辑顺序把指令从存储器中读出来逐条执行,自动完成由程序所描述的处理工作。2计算机体系结构的框架,第二节 计算机体系结构的演变,典型的冯诺依曼型计算机的硬件结构框架,第二节 计算机体系结构的演变,以存储器为中心的计算机硬件结构框架,第二节 计算机体系结构的演变,现代计算机的基本结构框架,第二节 计算机体系结构的演变,3. 冯诺依曼型计算机的特点 机器以运算器为中心。 由控制器集中控制。 采用存储程序的思想。 指令和数据在存贮器中同等对待均采用二进制编码。 存储器是一个顺序、线性编址的一维空间,每个
13、存储单元的二进制的位数是固定的,地址是唯一定义的。 指令为低级机器语言(二进制),驱动机器进行操作。 软件与硬件完全分开。,二、计算机体系结构存在的主要问题及其改进 1. 冯诺依曼型结构存在的主要问题 由于机器以运算器为中心,使得低速的输入/输出和高速的运算不得不 相互等待,串行进行。 由于采用控制器集中控制使控制器的负担过重,从而严重影响了机器 速度和设备利用率的提高。 由于采用存储程序控制的思想,当前后指令需要的数据相关时,顺序 执行是必须的。但实际程序中的许多前后指令的数据互不相关,因此 单纯的顺序执行指令就难以最大限度地发挥系统的并行处理能力。 由于指令和数据混存于同一存储器中,在程序
14、执行过程中,指令可能 被当作数据而被修改。不利于程序调试、再入性、递归调用,不利于 指令和数据并行存取,不利于采用重叠方式来提高速度,第二节 计算机体系结构的演变,由于存贮单元是按顺序、线性编址的,一维线性空间的表示与栈、树、图、 多维数组等非线性、多维、离散的数据结构相矛盾。 由于存贮单元是按一级直接寻址访问,导致存贮空间极为有限,外围译码 电路又极为复杂。 操作数并不表示它本身是何种数据类型,而是由操作码指出。因此每增加 一种操作数类型,就要增加一组处理这种数据类型的指令。这样,一方面 不仅使指令系统日益庞大复杂,另一方面由于高级语言中操作符与数据类 型无关。使得机器指令与高级语言之间存在
15、的语义差距过去只好通过编译 程序来弥补,从而加重了编译的负担,增大辅助开销。 软件与硬件截然分开,硬件结构的完全固定,会使得无法更合理地进行软 硬功能分配,难以优化系统结构。当求解的问题和应用要求变化时,会使 性能价格比明显下降。,第二节 计算机体系结构的演变,2. 冯诺依曼型计算机结构的改进 机器以运算器为中心改为以主存为中心,让系统的输入/输出与CPU 的操作并行,多种输入/输出并行。 存储程序顺序控制的思想改为存储程序激发控制的思想。 计算机系统增设许多高级数据表示,使得数据不带类型标志改为自 身带有数据类型标志,增强指令具有对多种数据类型操作的通用性, 简化指令系统,缩小高级语言与机器
16、语言的距离。 强调软硬结合,硬件结构逻辑的可编程性。 依靠知识逻辑推理而不依靠精确的数值运算,从而出现了处理非数 值化信息的智能计算机。 为实现各种特定任务,出现了各种不同的计算机系统。 存储器组成多样化、复杂化。对于指令与数据等同问题,对于存 储 的线性直接寻址的问题,对于存储器带宽问题。 为解决局部存在的问题,而采用了许多技术措施。,第二节 计算机体系结构的演变,第二节 计算机体系结构的演变,3现代计算机体系结构的主要特点 (1)软硬件功能分配更加科学合理。 (2)计算过程的并行处理能力强。 (3)存储器的组织结构更加适合计算机系统的需要。 (4)高性能的微处理器得以实现。 (5)多处理机
17、组织结构的计算机占据统治地位。,第二节 计算机体系结构的演变,三、计算机体系结构的演变过程 1计算机体系结构的生命周期,第二节 计算机体系结构的演变,2计算机体系结构的演变过程,年 代 器件 体系结构技术 软件技术 典型机器,第三节 影响计算机体系结构的因素,一、影响计算机体系结构的基本因素 1软件对计算机体系结构的影响 软件是推动计算机体系结构发展的关键因素。 一是操作系统。操作系统与硬件关系最为密切,如网络操作系统的主要功能是提供计算机之间的通信和资源共享,要求计算机的体系结构内必须配置通信接口部件。 二是语言处理系统。为实现软件的移植,则要求计算机体系结构具有系列性和模拟仿真性;再是统一
18、高级语言,不仅要求语言标准化,也要求计算机体系结构在处理程序设计语言上具有相同的属性。,第三节 影响计算机体系结构的因素,2并行处理技术对计算机体系结构的影响 并行处理技术是推动计算机体系结构发展的关键因素。 实现并行处理的技术不同,就形成了不同的计算机体系结构,如时间重叠的流水线并行处理技术的应用就产生了流水线计算机,重复设置功能部件的并行处理技术的应用就产生了阵列计算机,资源共享并行处理技术的应用就产生了多计算机系统。计算机体系结构从低级向高级发展的过程也就是并行处理技术不断发展的过程。,第三节 影响计算机体系结构的因素,3应用对计算机体系结构的影响 应用需求是促使计算机系统结构发展的根本
19、动力。 不同的应用对计算机体系结构的设计提出了不同的要求,如果现有的计算机不能满足应用要求,则需要设计和采用新的计算机体系结构。因为对计算机应用来讲,计算效率高低是一个关键问题。 专用的体系结构的高效率与通用的体系结构的广泛市场呈均势,二者相辅相成。,4器件对计算机系统结构的影响 器件是促使计算机体系结构发展的最活跃的因素。 器件是组成计算机的最基本单元,通常所讲的第几代计算机,则是以器件为划分标准。器件的性能、使用方法改变,影响体系结构及组成设计方法。器件性能/价格提高,使新结构、新组成、新技术从理论变为现实,提高计算机体系结构的性能,使新结构、新组成下移。5价格对计算机体系结构的影响 性能
20、价格比是计算机体系结构的重要参数。 全面地评价一个计算机体系结构时,既要考虑性能又要考虑价格。,第三节 影响计算机体系结构的因素,第三节 影响计算机体系结构的因素,二、编译技术与计算机体系结构的关系 在所有软件中,编译程序与计算机体系结构的相互影响最强,相互间的影响关系是通过指令系统结构来反映。具备哪些特性的指令结构可以生成高质量的目标代码,以设计出合理的指令集结构;如何才能容易地为指令系统结构编写出相应高效的编译器,以充分发挥计算机性能。,第三节 影响计算机体系结构的因素,1现代编译程序的结构 一是要保证编译的目标代码正确,使所有有效的程序能够被正确地编译;二是编译出的目标代码在目标机器上的
21、执行速度要尽可能高,代码的容量要尽可能小;三是编译的速度、对程序调试的支持以及各种语言之间互操作的可能性等。,第三节 影响计算机体系结构的因素,2现代编译程序优化转换的类型 高级优化。高级优化是对源始程序进行优化,并将优化转换结果送到后续的优化扫描中。 局部优化。局部优化是一系列在线性的程序段(也称为基本块)中进行的优化转换。 全局优化。全局优化是在局部优化的基础上,考虑到各种分支情况,对循环和分支进行一系列的优化转换。 基于机器的优化。基于机器的优化目的是充分利用机器结构的某些特点进行代码优化转换。,第三节 影响计算机体系结构的因素,第三节 影响计算机体系结构的因素,三算法对计算机系统结构的
22、影响 计算机具有高性能是相对于某一类算法而言,而算法的优劣是相对于某一计算机体系结构而言。计算机体系结构设计应针对某些应用领域,研究一类算法(不是一个算法)的基础上,构造出一个适合该类算法的计算机体系结构。算法设计也应依据某种计算机体系结构开展研究,构造出一个适合该类计算机体系结构的算法。专用与通用计算机一直是计算机体系结构的研究的方向和同一问题的处理算法有许多研究者在设计的主要原因就在此。 并行算法的优劣直接依赖于并行计算机的体系结构,串行算法构则相对独立。,第三节 影响计算机体系结构的因素,一、计算机体系结构的分类 1. Flynn分类法多倍性分类法,第三节 影响计算机体系结构的因素,单指
23、令流单数据流,单指令流多数据流,第三节 影响计算机体系结构的因素,多指令流单数据流,第三节 影响计算机体系结构的因素,多指令流多数据流,第三节 影响计算机体系结构的因素,2.冯氏分类法最大并行度分类法 最大并行度Pm是指计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。,字串位串字并位串 字串位并字并位并,3. Handler分类法型号定义法 T(系统型号) = f(k,k ,d,d ,w,w) 式中:k处理控制器PCU的数目; k可组成流水线的PCU数目; d每个PCU所控制的ALU(或PE)数目; d可组成流水线的ALU数目; wALU或PE的字长; w在ALU或一个PE中的流水段数目。,
24、第三节 影响计算机体系结构的因素,第四节 计算机系统结构中的并行性及其发展,一、并行性与并行处理 1. 并行性及其度量 并行性是指问题中具有可以同时进行运算或操作的特性。 并行性实际上包括同时性和并发性两层含义。同时性指的是两个或多个事件在同一时刻发生。并发性指的是两个或多个事件在同一时间间隔内发生。度量标准主要4个: 指令级并行度:计算机每个时钟周期完成的指令条数,当ILP1时为高度并行,需要特殊的并行处理技术来支持。 线程级并行度:计算机在线程级并行时线程粒度的大小。 数据级并行度:数据处理的字并数或数据流通路条数。 多机级耦合度:计算机之间或计算机部件之间的数据关联或功能关联的程度,用于
25、体现进程或作业之间的并行性。,第四节 计算机系统结构中的并行性及其发展,2. 并行处理与并行算法 并行处理是信息处理过程中并行性开发的一种有效形式, 通过发掘解题过程中的并行事件,使并行性达到较高的级别, 进入并行处理领域,提高计算机系统的性能价格比。 并行算法是指实现并行性事件或实现并行处理的算法。 并行性原理就是要以并行算法为基础,通过并行处理技术实现各个级别上的并行性。,第四节 计算机系统结构中的并行性及其发展,3. 并行计算机及其种类 具有并行处理能力的计算机称为并行计算机。可分为4种,实现基本形式可以采用SISD、SIMD和MIMD。 (1)流水线计算机:实现部件重叠时间并行,实现形
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