计算机组织结构第一篇

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,计算机组织结构,课程简介,计算机组织,(Computer Organization),是指计算机运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备等主要功能部件的相互连接和相互作用，借以实现机器指令级的各种功能和特性。,运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备看成是一台计算机的逻辑组成中最基本的功能部件。现代计算机的物理组成要比这个逻辑组成复杂得多，实际上每种功能部件可能不止一个，有些分布于全机，有些相互结合在一起。,计算机体系结构（,Computer Architecture,）是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性,。,计算机系统结构在计算机系统的层次结构中处于机器语言级；而计算机组织作为计算机系统结构的逻辑实现和物理实现,其任务就是围绕提高性能价格比的目标,实现计算机在机器指令级的功能和特性。,研究和建立各功能部件间的相互连接和相互作用，完成各个功能部件内部的逻辑设计等是逻辑实现的内容；把逻辑设计深化到元件、器件级，则是物理实现的内容。有时把前者称为计算机组织，把后者称为计算机实现。但是，随着集成电路规模的日益增大，这两步实现的内容很难分开，因此将它们统称为,计算机组织。,为什么要学习本课程,?,计算机组织与结构是计算机专业一门重要的专业基础课程，也是,CC2001,、,CC2005,以及我国计算机科学与技术专业规范中确定的一门,核心课程,，,它对于学生建立计算机整机概念，了解计算机系统的基本组成、结构和工作原理，,从而对本学科其它知识领域和知识单元的内容有更深刻的理解有着非常重要的意义。,对于学习汽车工程专业的学生来讲，无论是搞汽车外形设计，还是研究汽车的发动机，都必须对汽车的组成和工作原理有一个基本的了解。同样，,对于计算机专业的学生来讲，了解和掌握计算机的组成及工作原理也是必须的。,目前很多高校计算机专业的学生在不同程度上有着重软轻硬的思想。这主要有两个方面的原因,：,一方面，近十年来，随着各行业管理信息系统建设的发展，社会对软件工程师（尤其是应用软件工程师）的需求越来越大，从事软件设计、软件编程、软件维护等方面的人员成为了,IT,公司、金融、政府及企事业单位紧缺的人才；,另一方面，相对软件课程来讲，硬件课程学起来比较枯燥，没有像语言类软件课程有着学完就能用的立竿见影的效果。例如，很多高校都开设了,“,WEB,程序设计,”,课程，学生学完该课程后，就能设计网站、制作网页，学生当然很感兴趣。,实际上，在计算机系统中，计算机硬件和计算机软件是相关联的两个部分，硬件为软件的运行提供了一个平台，要编制高质量的软件程序，对计算机有一个整体的了解是十分重要的。,对系统软件程序员来讲，系统软件是和硬件紧密相关的，系统软件程序员必须对机器级硬件十分的清楚,，,才有可能编制出适应某一机器硬件的系统软件,。,对应用软件程序员来讲，对机器硬件的了解有助于他们编制更高效和优化的程序。例如，,阵列计算机、并行处理计算机、多处理机以及近两年出现的基于多核,CPU,的计算机系统，对并行计算提供了一个支持的平台。对程序员来讲，对计算机硬件实现的并行处理技术的了解，有助于他们充分利用并行计算环境，编制高效的并行程序。,最重要的是，计算机学科的教育有一个完整的科学体系，课程的设置也是围绕这一体系来进行的。作为学生来讲，应该认真学好每一门课，掌握计算机学科领域所要求的各方面知识。,只有这样，才能对本学科有一个完整的理解，才能成为真正合格的计算机科学与技术专业的学生。,教材内容的组织,本教材在内容的组织上，按照,CC2005,和,2006,年我国教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会制定的,“,计算机科学与技术专业规范,”,中的知识领域,“,CS-AR,计算机体系结构与组织,”,所要求的内容进行编写。,各章节涵盖的知识单元包括,1.,AR2,数据的机器级表示（核心学时）： 第,2,章,2.,AR3,汇编级机器组织（核心学时）： 第,3,章,3.,AR4,存储系统组织与结构（核心学时）：第,4,章,4.,AR5,接口和通信（核心学时）： 第,5,、,6,章,6.,AR7,多处理和体系结构（核心学时）： 第,8,章,5.,AR6,功能组织（核心学时）： 第,7,章,第,1,章,第,2,章,第,3,章,第,4,章,计算机的发展历程；按,IEEE,分类法的计算机的分类；最后作为本书的一个序，概括性地介绍计算机的硬件组成及计算机的层次结构。,进位计数制；计算机中数值数据和非数值数据的表示；数值数据在计算机中的二进制运算方法和实现；数据传递过程中进行差错控制的数据校验码。,计算机中汇编级指令的格式、地址结构；指令及操作数的寻址方式，以及指令的种类和功能、典型指令系统的组成等；精简指令系统,RISC,。,存储器的组织、分类和分层结构；计算机主存储器的组成与工作原理；提高存储系统性能的交叉存储技术、高速缓冲存储器及虚拟存储器技术等。,各章节主要内容,第,5,章,第,6,章,第,7,章,第,8,章,计算机输入输出系统组成；计算机输入输出的控制方式；计算机存储设备,磁盘系统以及由磁盘阵列组成的,RAID,技术。,总线的基本概念、总线的类别和总线的控制方式等；常用总线标准：,ISA,、,PCI,等；常用的外部总线接口标准：,USB,、,IEEE 1394,和,SCSI,等。,CPU,的功能与组成；,CPU,的指令周期及执行指令的过程；,CPU,控制部件设计的两种主要方法：硬布线设计法和微程序设计法。,计算机系统的并行性概念，提高并行性的技术途径；现代计算机普遍采用的流水线技术和多处理机技术；机群系统。,各章节主要内容,第,1,章 计算机系统概论,1.1,计算机系统简介,一、计算机系统的软硬件,*,电子计算机：,数据存储、数据传送、数据处理，过程控制,*,计算机系统的组成：,具有,特定功能,的信息,(,程序,),。,如系统程序、应用程序,计算机,系统,表示应用需求,是采用,按位及跳动式计算,、能够,根据逻辑判断结果控制计算过程,的电子式,机器,*,计算机的功能：,计算机的物理实体；,如主机、外设等,计算机硬件,计算机软件,功能的实现方式,*,计算机系统功能的实现方式：,解题过程,解题结果,运行,用 户,输入设备,处理设备,存储设备,输出设备,目标程序,(,机器语言,),源程序,(,高级语言,),编辑 编译,*,计算机系统组成的特性：,软件功能靠硬件实现，硬件性能靠软件反映,硬件,具备,数据的存储、传送及处理和过程控制功能,软件,表示,应用的数据处理及过程控制需求,程序,(,指令序列，硬件用不同指令表示不同功能,),执行软件,实现,应用的数据处理及过程控制功能,二、计算机系统的层次结构,直接执行机器指令,机器语言级机器,M1,用,机器语言,编程,汇编语言级机器,M3,用,汇编语言,编程,用,汇编程序,翻译,成机器语言程序,高级语言级机器,M4,用,高级语言,编程,用,编译程序,翻译,成汇编语言程序,或机器语言程序,操作系统级机器,M2,使用,操作系统命令,用,机器语言,解释,操作系统命令,微程序级机器,M0,使用,微指令系统,用,微程序,解释,机器指令,直接执行微指令,虚拟机器,实际机器,三、计算机结构与组成,*,计算机系统结构：,机器语言程序员,所看到的,计算机属性,概念性结构和功能特性,数字电路级机器,指令系统、数据表示、寻址方式,存储系统，,I/O,系统、信息保护等,机器语言级机器,M1,微程序级机器,M0,硬件,软件,汇编语言级机器,M3,高级语言级机器,M4,操作系统级机器,M2,软硬件交界面,*,计算机组成：,实现计算机系统结构时,所体现的计算机属性,指令功能逻辑实现、部件组成、控制机构、排队及缓冲技术等,器件技术、组装技术等,*,计算机实现：,实现计算机组成时,所体现的计算机属性,*,相互关系：,计算机系统结构,确定软硬件功能分配及其界面特性；,计算机组成,逻辑实现系统结构的内容；,计算机实现,物理实现计算机组成的内容,举例,系统结构,计算机组成,计算机实现,乘法功能,是否有乘法指令,乘法器还是加法,+,移位,器件、电路,主存系统,最大容量、编址方式,速度保证、单体,/,多体,MEM,总线,带宽,信号线数、时钟、传输方式,1.2,计算机系统基本组成,一、,冯,诺依曼模型计算机,*,结构与组成：,由运算器、存储器、控制器、输入及输出设备组成，,以运算器为中心,；,输入设备,存储器,运算器,控制器,输出设备,注： 数据信息,指令信息,控制信息,状态信息,*,数据表示与运算：,指令及数据均用,二进制方式,表示，运算亦采用,二进制方式,*,指令组成：,由,操作码,及,地址码,组成；,010,01000,10000,例：若加法运算的操作码用,010,表示，第,01000,号与第,10000,号两个存储单元内容相加的操作可表示为：,表示操作的性质,表示操作数在存储器中的位置,*,存储程序原理,程序存储方式：,指令及数据预先存放,(,以等同地位,),在存储器中；,*,存储器结构：,由,定长单元,构成,的,一维,空间,，存储器,按地址,访问,；,操作码,地址码,1,地址码,2,*,存储程序原理,程序控制机制：,按程序逻辑顺序、自动地、逐条地取出指令并执行。,循环的 指令执行过程,物理顺序,(,指令地址,),指令内容,程序,逻辑顺序,A+0,int nCount=0,；,A+1,int nSum=0,；,A+2,LP: nSum+=nCount,；, ,A+3,nCount+,；, ,A+4,if (nCountnSum,；,取指令,过程,执行指令,过程,指令地址,+,“,1,”,指令发生转移时,下条指令地址 由当前指令产生,二、,计算机硬件的基本组成,1,、计算机硬件的结构,现代计算机均在冯,诺依曼模型基础上进行,改进,*,采用,以存储器为中心,的结构：,使数据传送与数据处理并行，有利于提高系统性能,存储器,输出设备,输入设备,结果,程序,数据,控制器,运算器,直接存储器访问,(DMA),技术,缓冲器,缓冲器,缓冲技术,8,*,由,多种存储器,构成存储系统：,解决速度,-,容量,-,价格间的矛盾，有利于提高性能,/,价格,主存,(,内存,),辅存,(,外存,),计算机硬件,运算器,控制器,存储器,输入设备,输出设备,CPU,主机,I/O,设备,(,外设,),I/O,设备,主,存,储,器,MM,控制单元,CU,CPU,算术逻辑单元,ALU,主机,包含辅存,(,如,DISK,等,),*,采用,总线互连,形式：,实现部件操作标准化，有利于提高系统的可扩展性,CPU,主存,I/O,接口,1,MEM,总线,I/O,设备,1,I/O,接口,n,I/O,设备,n,总线桥,I/O,接口,I/O,设备,I/O,接口,I/O,设备,I/O,总线,非标准格式,标准格式,按地址访问,min,所连,I/O,设备,速度,2,、计算机部件的基本组成,(1),存储器,*功能：,存储,程序和数据、通过读,/,写操作,接收,/,提供,信息,地址,存储阵列,I/O,电路,地址译码器,数据,命令,*,术语：,存储元件,(,存储元,),可存储一个二进制位的,元件,；,存储单元,可,同时存储,一串二进制位的,元件,；,存储字,存储单元,内存储的二进制编码；,存储阵列,所有存储单元的集合,存储单元地址,每个存储单元被赋予的惟一,编号,存储容量,存储阵列可存储的,二进制位数,0,1,n,-1,0,1,w,-1,0,1,n,-1,存储字长,W,存储字,*,组成：,*,完成操作的过程：,读操作,接收地址及命令，内部操作；,输出数据,I/O,电路,地址译码器,001,Read,地址译码器,I/O,电路,1#,的存储字,写操作,接收地址及命令；,接收数据，内部操作,(2),运算器,*功能：,实现算术,运算,及逻辑运算，并,暂存,运算结果,*,组成：,寄存器,组,(,堆,),Func,存储器,ALU,寄存器型运算器,AC,Func,存储器,ALU,累加器型运算器,TEMP,*(AC)+YAC,的运算过程：,(0) (AC),为被加数,AC,存储器,ALU,TEMP,AC,Func,TEMP,(1),加数,YTEMP,(2) (AC),(TEMP),(3) ALU,结果,AC,约定：,(X),表示寄存器,X,中内容，,Y,表示存储单元,Y,中内容,(3),控制器,*功能：,指挥及控制,各部件协调地工作，以,实现程序执行过程,*,程序执行过程：,循环,的,指令执行过程,(,取指令及执行指令,),；,下条指令地址,由当前指令产生,(,按程序逻辑顺序,),指令地址寄存器,PC,存储器,指令内容寄存器,IR,指令译码器,ID,功能部件,+,“,1,”,地址形成部件,取指令,取指阶段,分析指令,执行指令,执行阶段,指令产生转移时,10,*,控制器功能的实现方法：,循环产生,指令执行过程,不同时段的,时标信号,；,在不同时段产生,当前指令执行所需的,部件控制信号,*,组成：,指令寄存器,IR,程序计数器,PC,指令译码器,ID,控制信号形成部件,时序部件,控制器,(4),输入,/,输出设备,*功能：,实现外部,-,内部信息的,输入,/,输出,及,格式转换,；,*种类：,键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等；,*,连接：,通过,I/O,接口,(,又称适配器或控制器,),与总线连接，,I/O,接口实现信息传送时的缓冲、中转等功能,主存,系统总线,主存控制器,CPU,用户交互接口,键盘、鼠标等,磁盘适配器,磁盘,通信接口,串口等,总线接口,BIU,三、计算机软件的基本组成,1,、计算机软件分类,软件分为,系统软件,及,应用软件,两大类。,语言处理程序,数据库管理系统,服务性程序,网络管理程序,操作系统,科学计算,信息管理,自动控制,人工智能,虚拟现实,实际机器,软硬件交界面,系统软件,应用软件,虚拟机器,应用语言环境,高级语言环境,汇编语言环境,操作系统环境,应用语言程序,高级语言程序,汇编语言程序,操作系统命令串,2,、操作系统,(Operating System, OS),OS,是管理所有的硬件资源及软件环境的软件。,*,主要功能：,文件管理,、,作业管理,、,进程管理,、,存储管理,、,设备管理,程序 辅存,进程调度与控制,程序执行请求 进程,面向软件的硬件管理,*,进程的调度与控制：,调度,在,适当时候,、按照,一定算法,确定即将运行的进程；, ,如优先级、轮转、先来先服务,如时间片已满、有,I/O,请求、进程结束,控制,调度完成时，控制上行,/,下行进程的,环境切换,CPU,时间,OS,进程进程,1,进程,2,进程,3,四、计算机系统的工作过程,指令,类型,指令格式,操作码,OP,地址码,ADDR,取数,001,*,存数,010,*,加法,011,*,停机,100,无效,1,、机器语言程序的形成,*假设的计算机指令系统：,*y=x+b,的机器语言程序：,有编程和编译两个步骤，,指令与数据等同存储,在,MM,中地址,程序中指令,注释,OP,ADDR,0,001,00100,ACx,1,011,00101,AC(AC),b,2,010 00110,y(AC),3,101 *,停机,4,x,原始数据,x,5,b,原始数据,b,6,y,结果数据,y,指令,类型,指令,(,操作,),功能,取数,ACADDR,存数,ADDR(AC),加法,AC(AC),ADDR,停机,程序执行结束,2,、计算机硬件的工作过程,思考：,MAR/MDR,对写,MEM,操作的影响？,CPU,I/O,设备,Addr,Data,Cmd,控制信号形成部件,时序部件,ID,+,“,1,”,I/O,接口,AC,ALU,IR,PC,存储,阵列,I/O,电路,地址译码器,系统总线,MAR,MDR,主存储器,与,REGa,、,REGd,等无关,(0),REGaMAR,(1)MARABus,、,ReadCBus,(2),WaitMFC,、结束时,DBusMDR,(3),MDRREGd,16,18,REGa,、,REGd,被占用,(,总线,),*MAR/MDR,对访存操作过程的影响：,以读,MEM,为例,(1),REGa,ABus,、,ReadCBus,(2),WaitMFC,、结束时,DBus,REGd,(1),指令执行过程,有取指令、分析指令、执行指令,3,个步骤,*,取数指令,的执行过程：,以,ACX,为例,MDR,主存储器,MAR,MDR,运算器,ALU,AC,控制信号形成,时序部件,PC,IR,ID,控制器,+,“,1,”,MAR,PC,+,“,1,”,IR,ID,PC,MAR,X,MDR,AC,*,加法指令,的执行过程：,以,AC(AC)+Y,为例,主存储器,MAR,MDR,运算器,ALU,AC,控制信号形成,时序部件,PC,IR,ID,控制器,+,“,1,”,PC,IR,ID,MAR,MDR,Y,ALU,AC,17,(2),程序执行过程,*,程序执行的实现方法：,-,控制器指挥与控制,取指,(PC)MMIR,，,(PC)+“1”PC,；,分析,(IR)IDCU,；,执行,实现指令约定操作,(,指令转移时,重写,PC,),；,循环,若无,中断执行的要求,，,转,17,例,y=x+b,的机器语言程序执行过程,:,00000,001 00100,AC,x,00001,011 00101,AC(AC)+,b,00010,010 00100,y(AC),00011,101 *,停机,*,程序执行的初始条件：,(a),程序及数据,已存放在,主存储器,MM,中；,(b),PC,内容,已经为,即将执行的程序首条指令地址,；,MAR,PC,00000,，取指开始,；,PC,00001,（下条地址）,；,IR,001 00100,，取指完成,；,CU,得知当前为,取数,指令,PCMAR,、,MARABus,、,ReadCBus,WaitMFC,，,(PC),1PC,MDRIR,ID,对,OP(IR),译码,(1),(2),(3),(4),(5),(6),AD(IR)MAR,、,MARABus,、,ReadCbus,WaitMFC,MDRAC,；,MAR,00100,，执行开始,；,AC,MDR,x,，执行完成,；,MAR,PC,00001,，取指开始,；,PC,00010,（下条地址）,；,IR,011 00101,，取指完成,；,CU,得知当前为,加法,指令,PCMAR,、,MARABus,、,ReadCBus,WaitMFC,，,(PC),1PC,MDRIR,ID,对,OP(IR),译码,(7),(8),(9),(10),(11),(12),AD(IR)MAR,、,MARABus,、,ReadCBus,WaitMFC,(MDR),(AC)AC,；,MAR,00101,，执行开始,；,AC,x,b,，执行完成,24,；,MAR,PC,00010,，取指开始,；,PC,00011,（下条地址）,；,IR,010 00110,，取指完成,；,CU,得知当前为,存数,指令,PCMAR,、,MARABus,、,ReadCBus,WaitMFC,，,(PC),1PC,MDRIR,ID,对,OP(IR),译码,(13),(14),(15),AD(IR)MAR,、,MARABus,、,WriteCbus,ACMDR,、,MDRDBus,、,WaitMFC,(16),(17),；,MAR,00110,，执行开始,；,MDR,AC,x,b,，执行完成,机器自动停机,；执行停机指令完成,(21),；,MAR,PC,00011,，取指开始,；,PC,00100,（下条地址）,；,IR,100 *,，取指完成,；,CU,得知当前为,停机,指令,(18),(19),(20),PCMAR,、,MARABus,、,ReadCBus,WaitMFC,，,(PC),1PC,MDRIR,ID,对,OP(IR),译码,25,17,3,、程序的执行管理,(1),程序的执行请求方式,*,方式,2,：,支持多种请求方式，由,OS,进行程序的执行管理,*,方式,1,：,从主存固定位置开始执行,应用,常用于,计算机刚启动时,的程序执行,(,如,BIOS,程序,),要求,主存由,RAM,及,ROM,组成,执行请求方式,用户交互式请求，,BOOT,程序请求，,OS,的定时任务请求；,执行请求管理,OS,通过,作业管理机构,进行作业的登录、调度等管理,21,(2),程序的执行准备,(,即作业登录,),(3),程序的执行管理,(,即进程管理,),*,进程调度：,在适当时候、按照一定算法选择即将运行的进程,*进程控制：,导入所选,PCB,的硬件相关内容,(,如程序首址,),到,CPU,中,创建,PCB,拷贝程序,填充,PCB,CPU,MEM,DISK,导入硬件相关内容,按,(PC),取并执行指令,*,加载程序：,-,硬件资源管理所需,为进程,申请主存,，将,程序文件内容拷贝到主存,，并将相关信息,(,如程序首指令地址等,),填到,PCB,中,；,*,创建进程：,-,软件环境管理所需,建立,进程控制块,PCB,(,含程序文件名、进程,ID,、进程状态等,),；,PCB,*,进程执行：,CPU,自动,按,PC,值取指令并执行,(,为进程的指令,),21,1.3,计算机系统的性能指标,一、计算机系统的性能指标,*,系统性能：,指在,计算机硬件,上运行的,计算机软件的性能,1,、硬件性能参数,*,机器字长：,指,CPU,一次能处理,的二进制位数。,指,ALU,一次能处理的,n,位,CPU,指机器字长为,n,个二进制位的,CPU,；,例如，,Core 2 CPU,为,64,位,CPU,对系统性能的影响,机器字长越长，数据处理性能越好；,(,应用数据长度机器字长时，需分次运算,),对其它硬件的影响,直接影响,ALU,、,REG,长度，,间接影响存储字长、数据总线位数,*,机器主频：,指,CPU,内部,主时钟,脉冲的频率，常用,f,表示。,主频单位,1GHz=110,3,MHz=110,6,KHz=110,9,Hz,；,*,存储容量：,指存储器可存储二进制信息的总位数。,主存容量,容量,S,=,存储单元个数,存储字长；,辅存容量,容量,S,=,存储块个数,存储块长度；,最大主存容量,CPU,能够访问的主存最大容量，它决定了,CPU,的地址和数据引脚数量,数据线位数：,通常,=,机器字长或存储字长，,地址线位数：,=log,2,(,最大主存容量,/,数据线位数,),时钟周期,CPU,内部基本操作的时长，常用,T,C,表示；,f,与,T,C,关系,倒数关系，即,f,=1/,T,C,容量单位,1GB=12,10,MB=12,20,KB=12,30,B=82,30,bit,；,思考：,为何不用存储字长或机器字长为单位？,*,响应时间：,指一个任务从任务输入到结果输出的总时间，,即,T,响应,=,T,CPU,+,T,I/O,等待,，,T,CPU,=,T,运算,+,T,MEM,+,T,I/O,2,、系统性能指标,时间是唯一标准，主要有,响应时间,和,吞吐量,两个指标。,特点,反映了,单任务计算机系统,的,软硬件总体性能,优化：,CPU,转去执行其它程序 多任务计算机系统,CPU,时间,T,CPU,=,I,N,CPI,T,C,=,n,为,指令系统,的指令种类数，,CPI,i,为,第,i,种指令,所需时钟周期数；,I,N,为,程序,执行的总指令数,(,程序包含的指令数，但有关联,),；,I,i,为第,i,种指令的执行次数，,CPI,为,每条指令平均,所需时钟周期数,;,T,C,为,时钟周期,，是机器主频的倒数,T,CPU,与,程序算法、编译程序、指令系统、,CPI,i,及,T,C,均相关,例,1,某计算机主频为,2GHz,，指令系统只有,类指令及,类指令，指令长度分别为,1B,及,2B,，指令执行时间分别为,5,个及,8,个时钟周期。程序,A,的大小为,2MB,，其中,30%,空间为,类指令；程序,A,执行时，所有指令中共有,20%,的指令需重复执行,30,次，在这些重复执行的指令中，有,40%,为,类指令。求完成程序,A,的,CPU,时间。,解：,程序,A,包含的,类指令数,=(2MB30%)/1B=0.62,20,条，,类指令数,=(2MB70%)/2B=0.72,20,条；,重复执行的指令数,=(0.62,20,+0.72,20,)20%=0.262,20,条,;,执行的,类指令数,=0.62,20,+0.262,20,60%29,次，,类指令数,=0.72,20,+0.262,20,40%29,次,；,T,CPU,=5.1242,20,5,T,C,+3.7162,20,8,T,C,=(25.62+29.728)2,20,T,C,=55.3482,20,(210,9,),29ms,31,特点,反映了,多任务计算机系统,的,软硬件总体性能,MIPS(,每秒百万次指令,),缺点：,不能反映,指令系统,功能强弱,(,可用相对,MIPS,法,),表示,因工作量无统一定义，通常用,MIPS,及,MFLOPS,代替,*,吞吐量：,又称吞吐率，指单位时间内能处理的工作量，,即 吞吐量,=,n,个任务的总工作量,n,个任务的总时间,MFLOPS(,每秒百万次浮点运算,),缺点：,只反映了浮点操作能力，不能反映,系统,整体性能,*,其他：,RAS,(,可靠性,/,可用性,/,可维护,),，兼容性等,32,二、性能设计,1,、冯,诺依曼模型计算机的性能瓶颈,*CPU-MEM,瓶颈：,CPU,与,MEM,的速度差距越来越大,CPU,速度,45,倍,/3,年，,得益于,VLSI,技术、器件技术；,MEM,速度,12,倍,/3,年，,受限于容量,-,速度,-,成本的矛盾。,解决方案,需,从结构与技术方面,解决两者速度匹配问题,*,指令串行执行瓶颈：,指令逐条执行导致性能受限,解决方案,1,快速串行处理,，性能受器件技术的限制，改进效果不佳；,解决方案,2,并行处理,，性能受串行程序指令间相关的限制，需,从结构与技术方面,解决指令间相关问题,2,、性能平衡设计,重点解决,CPU-MEM,瓶颈,，减少访存延迟、或提高访存效率,*,增设,Cache,：,减少访存延迟，减少访问主存频率；,*增加总线数据宽度：,提高访存效率，以减少访存次数；,*采用多级总线：,主存连接在最快速总线上，减少访存延迟,3,、,CPU,性能设计,重点解决,指令串行执行瓶颈,，提高并行性、或减少并行性能的损失,*,开发并行技术：,操作级流水操作级并行指令级并行；,(,流水线,) (SSE) (,超标量流水,),*,采用数据流技术：,按序执行乱序执行；,(,程序顺序,) (,指令就绪顺序,),*,使用转移预测技术：,按预测方向先执行，猜错时再回头执行,11,13,1.4,计算机系统发展历程,一、计算机硬件的发展历史,第一代,第二代,第三代,第四代,第五代,年代,1946,1957,1958,1964,1965,1971,1972,1990,1991,元器件,电子管,晶体管,SSI,、,MSI,LSI,、,VLSI,ULSI,主存,磁心,半导体,辅存,纸带、磁带,磁盘,光盘,字长,4/8,8/16/32,32/64,速度,(,次,/s),40,000,200,000,1,000,000,10,000,000,100,000,000,1,、计算机的产生与发展,*,发展趋势：,向大型机、微型机两个方向发展,*,研究重点：,器件技术、并行化结构,2,、微型计算机的产生与发展,微处理器,字长,主频,地址线数,数据线数,其他,年代,8080,8,实模式,1974,8086,16,4.77MHz,20,16,1978,8088,16,4.77MHz,20,8,1979,80286,16,6MHz,24,16,保护模式,1982,80386,32,12.5MHz,32,32,虚拟,8086,模式、,虚拟存储器,、,Cache,1985,80486,32,25MHz,32,32,RISC,、,流水线,1989,Pentium,32,66MHz,32,64,超标量流水,、,MMX,1993,Pentium Pro,32,133MHz,36,64,超级流水、,动态执行,1995,Pentium ,32,200MHz,36,64,DIB,1997,Pentium ,32,450MHz,36,64,SSE,、非阻塞,Cache,1999,Pentium 4,32,1.3GHz,36,64,SSE2,、总线技术,2000,Core 2 Duo,32,1.6GHz,双核,2006,*,微处理器发展趋势：,提高复杂度,(,增加功能,),，开发指令级,/,线程级,/,内核级并行性，集成存储器，发展嵌入式处理器,二、计算机软件的发展历史,1,、计算机语言的发展,机器语言汇编语言高级语言应用语言,*高级语言例：,FORTRAN,、,PASCAL,、,C/C+,、,Java,2,、系统软件的发展,*语言处理程序：,汇编程序、编译程序、解释程序；,*操作系统：,DOS,、,UNIX,、,Windows,；,(,多道程序、分时,/,实时、网络、分布式、面向对象,),*,服务性程序：,装配、调试、诊断、排错；,*数据库：,数据库,(,网状、层次、关系型,),、数据库管理软件；,*网络：,协议,(NetNIOS,、,TCP/IP,等,),及,实现库,三、计算机系统分类,1,、按规模及功能分类,超级计算机,科学计算等；,大型计算机,多用户使用等；,小型计算机,办公应用等；,工作站,图形处理及分布式计算等；,微型计算机,应用广泛；,单片机,/,嵌入式系统,工业控制等,2,、按信息处理特征分类,-Flynn,分类法,有,SISD,、,SIMD,、,MISD,、,MIMD,四种。, SISD,计算机,是本课程的讨论重点,SISD,CU,MM,IS,IS,PU,DS,MISD,DS,IS1,IS1,IS,n,DS,IS,n,MM,m,MM1,PU1,PU,n,CU1,CU,n,MIMD,DS1,IS1,IS1,IS,n,DS,n,ISn,MM,m,MM1,PU1,PU,n,CU1,CU,n,SIMD,CU,DS1,IS,IS,PU,n,DSn,PU1,MM,m,MM1,