【正文】 方法 2：由下向上（ BottomUp) 設(shè)計(jì)過(guò)程： 根據(jù)當(dāng)時(shí)的器件水平，設(shè)計(jì)微程序機(jī)器級(jí)和傳統(tǒng)機(jī)器級(jí) → 根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)多種操作系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言編譯器等 →最后設(shè)計(jì)面向應(yīng)用的用戶級(jí) 應(yīng)用場(chǎng)合：通用計(jì)算機(jī)的一種設(shè)計(jì)方法， 在計(jì)算機(jī)早期設(shè)計(jì)中（ 60～ 70年代）廣為采用 特點(diǎn)： 容易使軟件和硬件脫節(jié)，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率降低。 1/28/2023 85 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 方法 3：中間開(kāi)始（ MiddleOut) 用于系列計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中 應(yīng)用虛擬機(jī) 高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī) 匯編語(yǔ)言虛擬機(jī) 向上 操作系統(tǒng)虛擬機(jī) 傳統(tǒng)機(jī)器級(jí) 微程序級(jí) 向下 硬聯(lián)邏輯級(jí) 從中間開(kāi)始 1/28/2023 86 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 方法 3：中間開(kāi)始（ MiddleOut) 設(shè)計(jì)過(guò)程： 首先定義軟硬件的分界面 (指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、硬件對(duì)操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)的支持等 ) 然后各個(gè)層次分別進(jìn)行設(shè)計(jì) (軟件設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、應(yīng)用程序等，硬件設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)傳統(tǒng)機(jī)器、微程序、硬聯(lián)邏輯等 ) 應(yīng)用場(chǎng)合 ：用于系列機(jī)的設(shè)計(jì) 特點(diǎn)： 軟硬件人員結(jié)合、同時(shí)設(shè)計(jì)，軟硬件功能分配合理。 1/28/2023 87 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展 馮 諾依曼結(jié)構(gòu) 器件發(fā)展的影響 應(yīng)用發(fā)展的影響 改進(jìn)算法的影響 1/28/2023 88 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 馮 諾依曼結(jié)構(gòu) Van Nenmann基本思想 于 1936年～ 1946年期 間形成， 由馮 諾依曼等人于 1946年提出 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備運(yùn)算器A L U控制器存儲(chǔ)器1/28/2023 89 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 1. 特點(diǎn) : 存儲(chǔ)程序、運(yùn)算器為中心、集中控制 存儲(chǔ)器是字長(zhǎng)固定的、順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個(gè)地址是唯一定義的。 4096個(gè)字、 40位。 由指令形式的低級(jí)機(jī)器語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)。 指令順序執(zhí)行，即一般按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。 運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運(yùn)算器。 運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。 1/28/2023 90 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 2. 現(xiàn)代處理機(jī)對(duì)馮 諾依曼結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 不變的： 存儲(chǔ)程序 改變的： 存儲(chǔ)器為中心 , 總線結(jié)構(gòu) , 分散控制 從基于串行算法變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，出現(xiàn)了向量計(jì)算機(jī)，并行計(jì)算機(jī)、多處理機(jī)等 流水線處理機(jī)，超標(biāo)量處理機(jī)，超流水線處理機(jī)，超標(biāo)量超流水線處理機(jī) 數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)和知識(shí)庫(kù)計(jì)算機(jī) 專用計(jì)算機(jī)，如 FFT變換機(jī)、過(guò)程控制計(jì)算機(jī) 為獲得高可靠性而研制容錯(cuò)計(jì)算機(jī) 功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種分布計(jì)算機(jī)、外圍處理機(jī)、通信處理機(jī)等 1/28/2023 91 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 存儲(chǔ)器為中心、分散控制 系統(tǒng)總線 IO 總線 ……中央處理機(jī) （ CP U ）主存儲(chǔ)器 （ MM ）輸入設(shè)備 輸出輸出設(shè)備輸出設(shè)備1/28/2023 92 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 總線結(jié)構(gòu)，分散控制 總線： 連接計(jì)算機(jī)各功能部件的連線和管理信息傳輸規(guī)則的邏輯電路稱為總線。 特點(diǎn)： 在任何時(shí)刻，只能有一個(gè)部件向總線上發(fā)送信息，可以有多個(gè)部件同時(shí)接收信息。 組成： 數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。 單總線結(jié)構(gòu) CPU 主存 輸入 設(shè)備 輸出 設(shè)備 總線 1/28/2023 93 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 雙總線結(jié)構(gòu) CPU 主存 擴(kuò)展總線 控制線路 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 處理機(jī)總線 32MHz 32或 64位 ISA / EISA 1 32位 . . . . . 1/28/2023 94 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 三總線結(jié)構(gòu) CPU 主存 PCI橋 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 處理機(jī)總線 100MHz 32或 64位 ISA / EISA 1 32位 . . . . . PCI BUS 33MHz 4B 擴(kuò)展總線 控制線路 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 接快速設(shè)備 接慢速設(shè)備 1/28/2023 95 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 3. 非馮計(jì)算機(jī)的發(fā)展 什么是非馮計(jì)算機(jī)？非指令驅(qū)動(dòng)， … 從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機(jī)計(jì)算機(jī)。 從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)型改變?yōu)樾枨篁?qū)動(dòng)型，出現(xiàn)各種圖歸約計(jì)算機(jī)。 處理非數(shù)值化信息的智能計(jì)算機(jī)，自然語(yǔ)言、聲音、圖形和圖象處理 ,虛擬現(xiàn)實(shí)處理等 第五代計(jì)算機(jī)，由推理機(jī)和知識(shí)庫(kù)機(jī)等組成。歷經(jīng) 10年，召開(kāi)過(guò)多次專題國(guó)際會(huì)議。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，仿生計(jì)算機(jī)， … 1/28/2023 96 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 器件發(fā)展的影響 1. 第 1代至第 4代計(jì)算機(jī)以器件來(lái)劃分 第一代： 電子管 (Valve) 第二代： 晶體管 (Transistor) 第三代： 集成電路 (LSI) 第四代： 大規(guī)模集成電路 (VLSI) 第五代： 智能計(jì)算機(jī) ？ 第五代計(jì)算機(jī)以什么作為標(biāo)志來(lái)劃分？ 第五代計(jì)算機(jī)什么時(shí)候誕生？ 1/28/2023 97 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 2. 器件發(fā)展的特點(diǎn) (1) 集成度迅速提高 目前水平：每個(gè)芯片有 1010個(gè)晶體管 單芯片內(nèi)可以做大于 1Gb存儲(chǔ)器， 單芯片內(nèi)可以集成 2個(gè) CPU＋全部 Cache 每 4~5年提高一個(gè)數(shù)量級(jí) 還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到集成度的極限 問(wèn)題？ 如何利用器件集成度的提高，不斷改進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能：例如， 有更多指令并行執(zhí)行，采用更深的流水線，集成更多的 Cache等 1/28/2023 98 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 (2) 提高 速度空間不大 目前 CPU主頻已經(jīng)到達(dá) 6GHz， 時(shí)鐘周期 0. 16ns，門延遲小于 極限速度 30萬(wàn)公里 /秒 /2＝ 信號(hào)在導(dǎo)體中傳遞速度小于光速的 50％。 Pentium芯片面積 500mm2，即 23mm ? 23mm 器件速度提高的余地已經(jīng)很小，將來(lái)提高處理 機(jī)速度更多依靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 可從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)方面提高處理機(jī)速度： 提高 IPC，從目前的 2左右提高到 8以上， 采用更深度的流水線和并行處理技術(shù) 1/28/2023 99 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 (3) 價(jià)格直線下降 CPU芯片的價(jià)格每年要下降 80% (4) 可靠性越來(lái)越高 芯片可靠性達(dá)到 108小時(shí)，連續(xù)使用 1萬(wàn)年以上 失效率 ? 使 用 期 時(shí)間 t1/28/2023 100 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 3. 器件種類 通用片 ： 邏輯關(guān)系確定 大批量生產(chǎn)，如： CPU、存儲(chǔ)器、寄存器 … 現(xiàn)場(chǎng)片 ： 可以一次或多次改寫邏輯關(guān)系 如： PLD、 PAL、 PROM、 EPROM、FPGA… 用戶片 ： 各種專用芯片 需要單獨(dú)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。 半用戶片 ： 門陣列片等 標(biāo)準(zhǔn)的門電路，前幾到工序已經(jīng)完成； 根據(jù)用戶需要確定最終連線。 1/28/2023 101 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 4. 器件發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)組成技術(shù)的影響 器件速度與處理機(jī)工作主頻 1955年第一臺(tái)大型機(jī) IBM704 機(jī)，主頻 12us， 1976年巨型向量計(jì)算機(jī) CRAY，主頻 ， 目前， Pentium4 的主頻已經(jīng)達(dá)到 3GHz 器件速度與指令執(zhí)行時(shí)間 46年來(lái)器件速度提高 104，指令速度快 108以上 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成技術(shù)的作用 器件速度提高減慢 , 處理機(jī)主頻提高速度減緩 指令執(zhí)行速度的提高基本保持不變 (摩爾定理 ) 1/28/2023 102 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 應(yīng)用發(fā)展的影響 1. 應(yīng)用需求 高結(jié)構(gòu)化數(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)。 海量存儲(chǔ)和輸入輸出密集問(wèn)題：數(shù)據(jù)庫(kù) , 事務(wù)處理。 圖形學(xué)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 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 目前又開(kāi)始多種專用處理機(jī)的研制 1/28/2023 103 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 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 性能基本不變，價(jià)格迅速下降 一般先推出中間機(jī)型，然后再分別向高端和低端兩個(gè)方向發(fā)展 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 例如：銀河計(jì)算機(jī)、神州計(jì)算機(jī)、 … 最低價(jià)格： 家用學(xué)習(xí)機(jī)等 1/28/2023 104 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 改進(jìn)算法的影響 在多個(gè)層次上，算法影響著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 例如： 快速乘法、除法、開(kāi)平方等的實(shí)現(xiàn)： 記分板算法、 Tomasulo算法提高指令級(jí)并行性 消除名字相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)的算法 有些問(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)算法的研究能夠大幅度提高系統(tǒng)的性能。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者要研究算法，應(yīng)該研究一系列算法，使所有同類問(wèn)題都能很好解決。 1/28/2023 105 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類 按處理機(jī)性能分類 佛林分類法 庫(kù)克分類法 馮澤云分類法 漢德勒分類法 1/28/2023 106 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 按處理機(jī)性能分類 1. 按大小劃分 種類： 巨型、大型、中型、小型、微型機(jī) 劃分原則： 以性能為特征，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， 每５年左右降低一個(gè)等級(jí) 設(shè)計(jì)方法：最高性能 特殊用途 最佳性能價(jià)格比 一般商用計(jì)算機(jī) 最低價(jià)格 家用計(jì)算機(jī)等 ? Small is fast 1/28/2023 107 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 價(jià) 最佳性能價(jià)格比 格 最高性能 巨型機(jī) 大型機(jī) 等性能線 中型機(jī) 小型機(jī) 最低價(jià)格 微型機(jī) ( 超微型機(jī) ) t3 t2 t1 t t+1 時(shí)期 1/28/2023 108 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 2. 按用途劃分 種類： 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 服務(wù)器：數(shù)據(jù)處理速度，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力 家用計(jì)算機(jī)：價(jià)格便宜，軟件豐富 發(fā)展方向：具備上述所有功能的通用處理機(jī) 各種專用處理機(jī)、協(xié)處理器、嵌入式處理機(jī) 1/28/2023 109 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 3. 按數(shù)據(jù)類型劃分 定點(diǎn)計(jì)算機(jī)、浮點(diǎn)計(jì)算機(jī)、向量計(jì)算機(jī)、堆棧計(jì)算機(jī)等 4. 按處理機(jī)個(gè)數(shù)和種類劃分 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