計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1講-資料下載頁(yè)
2025-09-19 10:35本頁(yè)面
【導(dǎo)讀】“建筑學(xué)”、“建筑物的設(shè)計(jì)或式樣”，通常是指一個(gè)系統(tǒng)的外貌。使用者所看到的物理計(jì)算機(jī)的抽象。編寫(xiě)出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所。必須了解到的計(jì)算機(jī)的屬性。軟硬件功能分配及分界面的確定。建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念。掌握新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工。與其他課程的交叉。統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微機(jī)原理、高。向量處理機(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)等。軟件、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成技術(shù)，兩頭發(fā)展快、非馮計(jì)算機(jī)正興起。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展時(shí)期已經(jīng)到來(lái)。課內(nèi)：48學(xué)時(shí)；課外：課內(nèi)外比例1:2；除完成作業(yè)外，還要多看參考書(shū)。子科技大學(xué)出版社,1991年。性可擴(kuò)展性可編程性，清華大學(xué)出版社。第四章輸入輸出系統(tǒng)?？刂萍拇嫫骷皩Ｓ眉拇嫫鞯亩x、數(shù)量和。令間的排序和控制機(jī)制等；它們之間仍有交叉
【正文】 計(jì) 第 4代，由應(yīng)用、軟件、硬件和器件人員共同設(shè)計(jì) 將來(lái)：除器件設(shè)計(jì)之外，主要是軟件設(shè)計(jì) 邏輯設(shè)計(jì)方法改變 過(guò)去邏輯設(shè)計(jì)很重要，盡量節(jié)省每一個(gè)芯片，每一個(gè)門(mén) 目前的設(shè)計(jì)主要考慮：了解市場(chǎng)，盡量選擇通用芯片、標(biāo)準(zhǔn)芯片；結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，規(guī)整、易讀、易診斷 應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響 1. 應(yīng)用需求 今后 10年，需要專門(mén)為以下領(lǐng)域設(shè)計(jì)高效率的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 高結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算：氣象模型、流體流動(dòng)、有限元分析。 非結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算：蒙特卡洛模擬、稀疏矩陣。 實(shí)時(shí)多因素問(wèn)題：語(yǔ)音識(shí)別、圖象處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)。 大存儲(chǔ)器容量和輸入輸出密集的問(wèn)題： 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、事務(wù)處理系統(tǒng)。 圖形學(xué)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 人工智能：面向知識(shí)的系統(tǒng)、推理系統(tǒng)。 2. 三個(gè)時(shí)期 通用計(jì)算機(jī)： 主要是通用科學(xué)計(jì)算 專用計(jì)算機(jī)： 科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí) 控制 高性能通用機(jī)： 滿足多種需求 3. 兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì) 維持價(jià)格不變，利用 VLSI技術(shù)等，提高性能 普通 PC微處理器芯片 2020元，但性能提高很快 性能基本不變，價(jià)格迅速下降 一般先推出 中間機(jī)型 ，然后分別向高端和低端兩個(gè)方向發(fā)展；例如： PentiumII，80486等 4. 三種設(shè)計(jì)思想 最高性能價(jià)格比： 商用機(jī)。主要發(fā)展方向 最高性能： 國(guó)家安全需要，科技發(fā)展需要 銀河 3… 最低價(jià)格： 家用學(xué)習(xí)機(jī)等 算法對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 在多個(gè)層次上，算法影響著系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 快速乘法、除法、開(kāi)平方等的實(shí)現(xiàn) Tomasulo算法提高指令級(jí)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(wèn)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。 許多算法還有改進(jìn)的余地，通過(guò)算法的研究能夠大大提高系統(tǒng)的性能。 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者只有了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，才能設(shè)計(jì)出高效率的程序。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者應(yīng)該研究一類(lèi)算法，設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使所有這類(lèi)問(wèn)題在此結(jié)構(gòu)上都能很好解決。 第一章 基本概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi) 常見(jiàn)分類(lèi)方法 1. 按大小劃分 種類(lèi)： 巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)等。 劃分原則： 以性能為表征，按價(jià)格來(lái)劃分 存在問(wèn)題： 劃分的標(biāo)準(zhǔn)是隨時(shí)間而變化 2. 按用途劃分 種類(lèi)： 科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制、工作站、服務(wù)器、家用計(jì)算機(jī)等。 劃分原則： 科學(xué)計(jì)算：浮點(diǎn)計(jì)算速度；事務(wù)處理：字符處理、十進(jìn)制運(yùn)算；實(shí)時(shí)控制：中斷響應(yīng)速度、 I/0能力；工作站：圖形處理能力 發(fā)展方向： 具備上述所有功能的通用處理機(jī) 3. 按數(shù)據(jù)類(lèi)型劃分 種類(lèi)： 定點(diǎn)機(jī)、浮點(diǎn)機(jī)、向量機(jī)、堆棧機(jī)等 4. 按處理機(jī)個(gè)數(shù)和種類(lèi)劃分 種類(lèi)： 單處理機(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)、分布處理機(jī)、關(guān)聯(lián)處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、 SMP（ 對(duì)稱多處理機(jī)）、 MPP（ 大規(guī)模并行處理機(jī)）、機(jī)群（ Cluster） 系統(tǒng)等 5. 按所使用的器件劃分 種類(lèi)： 第一代 (Valve) 第二代 (Transitor) 第三代 (SSI和 MSI) 第四代 (LSI和 VLSI) 第五代 (智能計(jì)算機(jī) )等 按并行度的分類(lèi)方法 1. 佛林（ Flynn） 分類(lèi)法 1966年由 提出 按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi) 指令流： 機(jī)器執(zhí)行的指令序列 數(shù)據(jù)流： 由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果 多倍性 （ multiplicity） ： 在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時(shí)處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個(gè)數(shù) 四種類(lèi)型 單指令流單數(shù)據(jù)流 SISD (Single Instruction Single Datastream)。 單 指 令 流 多 數(shù) 據(jù) 流 SIMD (Single Instruction Multiple Datastream)。 多指令流單數(shù)據(jù)流 MISD (Multiple Instruction Single Datastream)。 多指令流多數(shù)據(jù)流 MIMS (Multiple Instruction Multiple Datastream) SISD 典型單處理機(jī) ， 包括： 單功能部件處理機(jī)： IBM1401， VAX11 多功能部件處理機(jī)： IBM360/91， 370/168，CDC6600 流水線處理機(jī)：標(biāo)量流水線處理機(jī) CU PU MM IS DS SISD SIMD： 并行處理機(jī) 、 陣列處理機(jī) 、 向量處理機(jī) 、相聯(lián)處理機(jī) 、 超標(biāo)量處理機(jī) 、 超流水線處理機(jī) 、 ... 多個(gè) PU按一定方式互連 ， 在同一個(gè) CU控制下 ， 多各自的數(shù)據(jù)完成同一條指令規(guī)定的操作；從 CU看 ， 指令順序 （ 串行 ） 執(zhí)行 ， 從 PU看 ， 數(shù)據(jù)并行執(zhí)行 。 全并行： IILIAC IV、 PEPE、 STAR100、ASC、 CRAY 字并位串： STARAN、 MPP、 DAP PU MM IS DS1 SIMD CU PU PU DS2 DSn MM …… MISD 幾條指令對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同處理 ，實(shí)際上不存在 MIMD 多處理機(jī)系統(tǒng) ， 包括： 緊密耦合： IBM308 IBM308 UNIVAC1100/80 松散耦合： D82 Cmmp、 CRAY2 MM DS MISD PU IS1 CU MM …… PU IS1 CU PU IS1 CU …… …… MM MIMD PU IS1 CU MM …… PU IS1 CU PU IS1 CU …… …… DS1 DS2 DSn Flynn分類(lèi)法得到廣泛應(yīng)用 SIMD、 MIMD、 SPMD… 主要缺點(diǎn)： (1) 分類(lèi)太粗：例如， 在 SIMD中包括有多種處理機(jī) 對(duì)流水線處理機(jī)的劃分不明確 標(biāo)量流水線為 SISD， 向量流水線 為 SIMD (2) 根本問(wèn)題是把兩個(gè)不同等級(jí)的功能 并列對(duì)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(jì)算機(jī)的分類(lèi) ？ 其他新型計(jì)算機(jī)的分類(lèi) ？ 本 章 重 點(diǎn) 1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義及研究對(duì)象 2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 3. 評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的常用方法 4. 馮 諾依曼結(jié)構(gòu)及其發(fā)展 5. 透明性、系列機(jī)、兼容性、模擬與仿真等基本概念 6. 了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi)方法 練習(xí)題： 1 .10
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