【正文】 機 對流水線處理機的劃分不明確 標量流水線為 SISD， 向量流水線 為 SIMD (2) 根本問題是把兩個不同等級的功能 并列對待；通常，數(shù)據(jù)流受指令流 控制，從而造成 MISD不存在 (3) 非馮計算機的分類 ？ 其他新型計算機的分類 ？ 本 章 重 點 1. 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義及研究對象 2. 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 3. 評價計算機系統(tǒng)的常用方法 4. 馮 多指令流單數(shù)據(jù)流 MISD (Multiple Instruction Single Datastream)。 第一章 基本概念 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 計算機系統(tǒng)的評價標準 計算機系統(tǒng)的設(shè)計方法 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 計算機系統(tǒng)的分類 計算機系統(tǒng)的分類 常見分類方法 1. 按大小劃分 種類： 巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機等。主要發(fā)展方向 最高性能： 國家安全需要，科技發(fā)展需要 銀河 3… 最低價格： 家用學(xué)習(xí)機等 算法對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 在多個層次上，算法影響著系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 快速乘法、除法、開平方等的實現(xiàn) Tomasulo算法提高指令級并行性 多線程系統(tǒng) 消除名字相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)的算法 有些應(yīng)用問題，如果算法上有突破，不需要高性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而在普通的系統(tǒng)上就能得到解決。 大存儲器容量和輸入輸出密集的問題： 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、事務(wù)處理系統(tǒng)。 3. 非馮計算機的發(fā)展 器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 第 1～ 4代計算機以器件來劃分 在相當(dāng)長一段時間內(nèi)，是提高計算機速度的主要途徑 1. 器件發(fā)展的特點：用 4句話概括： 集成度迅速提高，速度已接近極限， 價格直線下降， 可靠性越來越高 集成度迅速提高 目前水平：每 108個晶體管； 單芯片內(nèi)可以做 256Mb存儲器， CPU＋部分 Cache 每 5年左右提高一個數(shù)量級； 到 2018年，單芯片內(nèi)可以做 100個處理機 速度已接近極限 目前 CPU主頻已經(jīng)到達 1000MHz， 門延遲 ； 極限速度： 30萬公里 /秒＝ 3cm/＝３mm/ 器件速度發(fā)展的余地很小 根據(jù)摩爾定理，處理機速度每 10年要提高 100倍 將來處理機速度提高主要靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)技術(shù) 價格直線下降 例如： CPU芯片剛推出時 1000美元，一年后降到 200美元 可靠性越來越高 芯片可靠性到達 108小時，即連續(xù)使用 1萬年以上 失效率 ? 時間 t 使用期 2. 器件種類 通用片：大批量生產(chǎn)， CPU、 存儲器、 寄存器、邏輯門、 … 現(xiàn)場片： PLD、 PAL、 PROM、 EPROM、FPGA。 為獲得高可靠性而研制容錯計算機。 控制器 運算器 ALU 存儲器 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 高級語言與機器語言的語義距離縮小，出現(xiàn)了面向高級語言機器和直接執(zhí)行高級語言機器。 指令順序執(zhí)行，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)。諾依曼 (Van Nenmann)結(jié)構(gòu) 基本思想于 1936年～ 1946年期間形成 由馮 具體過程如下： 方法 3：統(tǒng)一高級語言 方法： 采用同一種不依賴于任何具體機器的高級語言編寫系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 A機器稱為 宿主機 ， B機器稱為 虛擬機 。 相同的 32位字長，數(shù)據(jù)通道的寬度分別為 8位、 16位、 32位、 64位。 一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成可以有多種物理實現(xiàn)。 T T F FSn eee? ? ? ?0 1( )STT F FSnneee? ?? ?0 11( )例 5： 假設(shè)將某一部件的處理速度加快到 10倍 ， 該部件的原處理時間僅為整個運行時間的 40%， 則采用加快措施后能使整個系統(tǒng)的性能提高多少 ？ 解： 由題意可知： Fe=, Se=10， 根據(jù)Amdahl定律，加速比為： S n ?? ?? ?11 0 40 41010 641 56( . ). . . 軟件兼容性設(shè)計方法 原因： 軟件相對于硬件的成本越來越貴，已積累了大量成熟的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 峰值指令速度 MIPS、 GIPS、 TIPS . 2 其他方面的性能 1. 存儲能力 尋址空間大小， 21 22 23 26 … 存儲容量，速度，編址單位，編址方式，尋址方式 存儲系統(tǒng)： Lookahead ? Cache ? Main Memory ? Online Storage ? Offline Storage 2. 字長 1～幾百位 關(guān)鍵問題：程序與數(shù)據(jù)共用同一個主存儲器 早期：由指令字長決定 當(dāng)前：由數(shù)據(jù)字長決定 ， 8的倍數(shù) ， 如： 32位 、 64位等 可變字長：任意組合 3. 數(shù)據(jù)類型 目前常用：定點、浮點、邏輯 已有類型：向量、串、棧、樹 發(fā)展方向：自定義 4. 指令系統(tǒng) CISC： 復(fù)雜指令集計算機 RISC： 精簡指令集計算機 VLIW： 超長指令字 5. 輸入輸出能力 輸入輸出方式 中斷系統(tǒng) 輸入輸出接口 6. 兼容性 共分 12級： 0～ 11， 0級為完全不兼容，11級為自身 7. 保護和診斷能力 程序與數(shù)據(jù)的保護 診斷能力：檢錯、糾錯、冗余、自診斷能力 可靠性： RAS技術(shù) ， 可靠性 R、 可用性 A、可維護性 . 2 其他方面的性能 1. 價格與性能的關(guān)系 根據(jù)摩爾定理： 性能每 10年提高 100倍，但價格基本不變 用同樣的價格，五年之后能買到性能高十倍的機器 2. 硬件與軟件的價格比例 硬件的比例下降，軟件的比例上升 目前軟件價格已經(jīng)超過硬件價格 第一章 基本概念 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 計算機系統(tǒng)的評價標準 計算機系統(tǒng)的設(shè)計方法 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 計算機系統(tǒng)的分類 計算機系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù) 軟硬件取舍，軟件兼容性設(shè)計方法，計算機系統(tǒng)設(shè)計過程 軟硬件取舍 1. 軟硬件的關(guān)系 理論上，有兩種極端實現(xiàn)方法 全硬件機器，包括操作系統(tǒng)、高級語言、應(yīng)用程序等 硬件只有 1位加法和分支操作，其他都用軟件實現(xiàn) 關(guān)鍵問題：性能與價格的關(guān)系，軟硬件實現(xiàn)在功能上等效 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計者的主要任務(wù)就是要確定軟硬件的分界；軟件、硬件和固件的功能分配 軟件與硬件實現(xiàn)的特點 硬件實現(xiàn)：速度快、成本高；靈活性差、占用內(nèi)存少 軟件實現(xiàn)：速度低、復(fù)制費用低；靈活性好、占用內(nèi)存多 發(fā)展趨勢 硬件實現(xiàn)的比例越來越高，硬件所占的成本越來越高 發(fā)展 不可編程