計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1

1、計 算 機 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程介紹Computer Architecture“建筑學(xué)”、“建筑物的設(shè)計或式樣”，通常是指一個系統(tǒng)的外貌。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計算機體系結(jié)構(gòu)研究內(nèi)容從外部來研究計算機系統(tǒng)使用者所看到的物理計算機的抽象編寫出能夠在機器上正確運行的程序所必須了解到的計算機的屬性。軟硬件功能分配及分界面的確定學(xué)習(xí)目的建立計算機系統(tǒng)的完整概念學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計方法掌握新型計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理與其他課程的交叉主要包括：計算機組成原理、計算機操作系統(tǒng)、匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微機原理、高級語言等新內(nèi)容：超標量處理機、超流水線處理機、向量處理機、并行處理機、多處理

2、機等交叉點內(nèi)容：提高，建立完整概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正處于變革時期軟件、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成技術(shù)，兩頭發(fā)展快、中間慢非馮計算機正興起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展時期已經(jīng)到來教材計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，李學(xué)干，西安電子科技大學(xué)出版社，2011目錄第1章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及并行性的開發(fā)第2章數(shù)據(jù)表示、尋址方式與指令系統(tǒng)第3章存儲、中斷、總線與輸入/輸出系統(tǒng)第4章存儲體系第5章標量處理機第6章向量處理機第7章多處理機第8章數(shù)據(jù)流計算機和歸約機第一章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及 并行性的開發(fā)1.1 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)1.3 計算機系統(tǒng)的軟、硬件取舍和性能評測及定量設(shè)計原理1.4 軟件、應(yīng)用、器

3、件的發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性開發(fā)及計算機系統(tǒng)分類1.1計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)l現(xiàn)代計算機是通過執(zhí)行指令來解決問題的l由軟件和硬件兩大部分組成l程序的執(zhí)行，一種方式是翻譯translationl另一種方式是解釋interpretationl把以軟件為主實現(xiàn)的機器，稱為虛擬機器l把由硬件和固件實現(xiàn)的機器稱為實際機器1. 虛擬機概念從不同角度所看到的計算機系統(tǒng)的屬性是不同的，包括：高級語言程序員、匯編語言程序員、系統(tǒng)管理員、硬件設(shè)計者大部分人對計算機的認識只需要在某一個層次上傳統(tǒng)機器語言機器級M1具有L1機器語言(機器指令系統(tǒng))2. 層次結(jié)構(gòu)(接下頁)微程序機器級M0具有L0機器

4、語言(微指令系統(tǒng))第0級微指令由硬件直接執(zhí)行第1級用微指令程序解釋機器指令匯編語言機器級M3具有L3機器語言(匯編語言)操作系統(tǒng)機器級M2具有L2機器語言(作業(yè)控制語言等)第2級一般用機器語言程序解釋作業(yè)控制語句等第3級匯編語言程序經(jīng)匯編程序翻譯成機器語言程序應(yīng)用語言機器級M5具有L5機器語言(應(yīng)用語言)高級語言機器級M4具有L4機器語言(高級語言)第4級高級語言程序經(jīng)編譯程序翻譯成匯編語言（或某種中間語言或機器語言程序）第5級應(yīng)用語言程序經(jīng)應(yīng)用程序包翻譯成高級語言程序3. 層次結(jié)構(gòu)說明第0級:由硬件實現(xiàn),硬聯(lián)邏輯，實現(xiàn)微指令本身的控制順序第1級:由微程序?qū)崿F(xiàn) 第0級+第1級=CPU第2級至第

5、6級由軟件實現(xiàn)(由軟件實現(xiàn)的機器稱為：虛擬機)第2級:是傳統(tǒng)指令系統(tǒng)（機器語言）機器,定義了計算機的指令系統(tǒng)第3級:操作系統(tǒng)機器,指出了計算機的功能和腳本第4級:匯編語言機器第5級:高級語言機器第 6級:應(yīng)用語言機器從學(xué)科領(lǐng)域來劃分第0和第1級屬于計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第3至第5級是系統(tǒng)軟件第6級是應(yīng)用軟件程序員使用計算機非程序員使用計算機它們之間仍有交叉第0級要求一定的數(shù)字邏輯基礎(chǔ)第2級涉及匯編語言程序設(shè)計的內(nèi)容第3級與計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在特殊的計算機系統(tǒng)中，有些級別可能不存在。機器的組成和作用廣義語言解釋或編譯虛擬計算機觀察者作用對象1.2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)1.2.

6、1計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義和內(nèi)涵 定義一從計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)角度來看，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是對計算機系統(tǒng)中各級界面的定義及其上下的功能分配。AMdahl于1964年在推出IBM360系列計算機時提出：程序員所看到的計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性1. 高級程序員看到的是：軟件子系統(tǒng)和固件子系統(tǒng)的屬性，包括程序語言以及操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件等用戶界面。程序設(shè)計者：使指為機器語言或編譯程序設(shè)計者所看到的屬性：數(shù)據(jù)表示、尋址方式、寄存器定義、數(shù)據(jù)和使用方式、指令系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、機器工作狀態(tài)的切換，輸入和輸出結(jié)構(gòu)傳送方式等。不包括基本：數(shù)據(jù)論、控制論、邏輯設(shè)計和物理實現(xiàn)等。具體的屬性如下：數(shù)據(jù)表

7、示：硬件能夠直接認別和處理的數(shù)據(jù)類型和格式；尋址方式：最小尋址單位、尋址方式的種類和地址運算等；寄存器組織：操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存器及專用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則等；指令系統(tǒng)：機器指令的操作類型、格式，指令間的排序和控制機制等；中斷系統(tǒng)：中斷類型、中斷級別和中斷響應(yīng)方式等；存儲系統(tǒng)：最小編址單位、編址方式、主存容量、最大尋址空間等；處理機工作狀態(tài)：定義和切換方式，如管態(tài)和目態(tài)等；輸入輸出系統(tǒng)：連接方式、數(shù)據(jù)交換方式、數(shù)據(jù)交換過程的控制等；信息保護：包括信息保護方式和硬件對信息保護的支持等。2. 透明性概念本來存在的事物或?qū)傩?，從某種角度看似乎不存在,即:確定存在用戶無法控制和設(shè)

8、置例如：浮點數(shù)表示、乘法指令對高級語言程序員、應(yīng)用程序員透明對匯編語言程序員、機器語言程序員 不透明例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序?qū)R編語言程序員、機器語言程序員 透明對硬件設(shè)計者、計算機維修人員不透明3. 定義二：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配和對軟硬件界面的確定計算機系統(tǒng)由軟件、硬件和固器組成，它們在功能上是同等的。同一種功能可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件或固件實現(xiàn)。不同的組成只是性能和價格不同。1.1.3計算機組成與實現(xiàn)l計算機組成(CoMputer Organization)指的是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)， 包括機器級內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計等。一般計算機組成設(shè)計包括：確定

9、數(shù)據(jù)通路的寬度確定專用部件的設(shè)置確定各種操作對功能部件的共享程度確定功能部件的并行度確定控制機構(gòu)的組成方式設(shè)計緩沖和排隊策略設(shè)計預(yù)估、預(yù)判技術(shù)設(shè)計采用何種可靠性技術(shù)l 計算機系統(tǒng)的實現(xiàn)計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)，包括：處理機、主存儲器等部件的物理結(jié)構(gòu)器件的集成度和速度專用器件的設(shè)計器件、模塊、插件、底版的劃分與連接信號傳輸技術(shù)電源、冷卻及裝配技術(shù)，相關(guān)制造工藝及技術(shù)等計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)互不相同，但又相互影響。相同結(jié)構(gòu)的計算機，可以采用不同的組成；同一種組成可以不同的實現(xiàn)方式；計算機實現(xiàn)是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和計算機組成的基礎(chǔ)，其技術(shù)的發(fā)展對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有著很大的影響；結(jié)構(gòu)不同，采用

10、的組成就不同；組成不同也會影響結(jié)構(gòu)的不同； 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是進行軟、硬件的功能分配，確定傳統(tǒng)機器級的軟、硬件界面，實際包括了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成兩個方面的內(nèi)容。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)是三個不同的概念，但隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間的界限越來越模糊。*在不同時期，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)所包含的內(nèi)容會有所不同。在某些計算機系統(tǒng)中作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，在另一些計算機系統(tǒng)中可能是組成和實現(xiàn)的內(nèi)容。*系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不要對組成,實現(xiàn)有過多和不合理限制.*組成設(shè)計應(yīng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指導(dǎo)下,以目前可實現(xiàn)技術(shù)為基礎(chǔ).*實現(xiàn)應(yīng)在組成的邏輯結(jié)構(gòu)指導(dǎo)下,以目前器件技術(shù)為基礎(chǔ),以性能價格比優(yōu)化為目標.例

11、1-2l指令系統(tǒng)的確定屬于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的范疇；指令的實現(xiàn)，如取指令、指令操作碼譯碼、計算操作數(shù)地址、取數(shù)、運算等的操作安排和排序?qū)儆谟嬎銠C組成研究的范疇；實現(xiàn)這些指令功能的具體電路、器件的設(shè)計及裝配技術(shù)屬于計算機實現(xiàn)研究的范疇；l確定指令系統(tǒng)中是否要設(shè)乘法指令屬于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的范疇；乘法指令是用專門的高速乘法器實現(xiàn)，還是利用加法器和移位器經(jīng)一連串時序信號控制來實現(xiàn)屬于計算機組成研究的范疇；乘法器、加法器、移位器的物理實現(xiàn)，如器件的類型、集成度、數(shù)量、價格以及微組裝技術(shù)的確定和選擇屬于計算機實現(xiàn)研究的范疇；l主存容量和編址方式（按位、按字節(jié)還是按字訪問）屬于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的范疇；

12、為達到性能、價格要求、主存速度要求、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計屬于計算機組成研究的范疇；主存器件的選定、邏輯設(shè)計、微組裝技術(shù)的使用屬于計算機實現(xiàn)研究的范疇；1.3計算機系統(tǒng)的軟、硬件取舍和性能評測及定量設(shè)計原理1.3.1軟、硬件取舍的基本原則 軟、硬件的功能分配是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要任務(wù)，而軟件和硬件在邏輯功能上又是等效的。從原理上來講軟件的功能可以用硬件或固件來完成，硬件的功能也可以用軟件模擬完成，只是在性能、價格和實現(xiàn)的難易上有所不同。 具有相同功能的計算機系統(tǒng)，其軟、硬件功能分配比例可以有很大的不同。軟件硬件只有最必需的硬件目前的計算機系統(tǒng)程序不可編功能配比/% 采用何種方式實現(xiàn)，應(yīng)在滿足應(yīng)用的前提下

13、，主要看能否充分利用硬件、器件技術(shù)的進展，使系統(tǒng)有高的性能價格比(對某種類型專用機除外)。設(shè)計原則：原則1：應(yīng)考慮在現(xiàn)有硬件、器件（主要是邏輯器件和存儲器件）條件下，系統(tǒng)要有高的性價比，主要從實現(xiàn)費用、速度和其他性能要求來綜合考慮。 實現(xiàn)費用主要包括設(shè)計費用和重復(fù)生產(chǎn)費用。假設(shè)某功能的軟、硬件實現(xiàn)的每次設(shè)計費用分別為Ds和Dh，由于硬件的設(shè)計費用遠高于軟件的設(shè)計費用。所以，不妨設(shè)Dh 100Ds同理，設(shè)軟、硬件的單次重復(fù)生產(chǎn)費用分別為Ms， Mh ，且不妨設(shè)Mh 100Ms，硬件一般只需要設(shè)計1次，而軟件實現(xiàn)則需要重復(fù)多次，設(shè)C為重復(fù)次數(shù)，則該功能軟件實現(xiàn)的設(shè)計費用為C Ds，同一功能軟件在存

14、儲介質(zhì)上可能多次復(fù)制和存儲，設(shè)出現(xiàn)了R次，則重復(fù)生產(chǎn)費用為R Ms 假設(shè)某計算機系統(tǒng)生產(chǎn)V臺，則每臺計算機用硬件實現(xiàn)的費用為Dh/V+ Mh,而用軟件實現(xiàn)則為C Ds/V+ R Ms只有當(dāng)Dh/V+ MhC Ds/V+ R Ms時用硬件實現(xiàn)才適宜。將上述比值代入：100Ds/V+ 100MsC Ds/V+ R Ms只有在C和R的值越大時，這個不等式才能成立。 而且，目前軟件的設(shè)計費用遠比重復(fù)生產(chǎn)費用高，不妨設(shè)Ds 104 Ms，則有106/V+ 100104C/V+ R因為C一般比100小，因此，從此不等式看來，只有當(dāng)V足夠大時，這個不等式才能成立。原則2：要考慮準備采用和可能采用的組成技術(shù)，

15、使之盡可能不要過多或不合理的限制各種組成、實現(xiàn)技術(shù)的采用。原則3：不能僅從“硬”的角度考慮如何便于應(yīng)用組成技術(shù)的成果和便于發(fā)揮器件技術(shù)的進展，還應(yīng)從“軟”的角度把如何為編譯和操作系統(tǒng)的實現(xiàn)以及如何為高級語言程序的設(shè)計提供更多、更好的硬件支持放在首位。1.3.2計算機系統(tǒng)的性能評測及定量設(shè)計原理1計算機系統(tǒng)性能評測 計算機系統(tǒng)的性能指標，主要取決于計算機的本質(zhì)屬性，即時空屬性。各項指標都圍繞著它的本質(zhì)屬性來定義。其中，在系統(tǒng)上程序?qū)嶋H運行的時間是衡量計算機速度性能的最可靠標準。 計算機的性能通常用峰值性能及持續(xù)性能來評價。峰值性能是指在理想狀態(tài)下計算機系統(tǒng)可獲得的最高理論性能，不能反映出系統(tǒng)的實

16、際性能。實際性能又稱持續(xù)性能，它往往只是峰值性能的5%30%。 持續(xù)性能的表示有算術(shù)性能平均值、調(diào)和性能平均值和幾何性能平均值等。niiniimTnRnA11111niiniimTnRnA11111算術(shù)性能平均值A(chǔ)m是n道程序運算速度或運算時間的算術(shù)平均值。以速率評價其中，Ti是第i個程序的執(zhí)行時間,Ri是第i個程序的執(zhí)行速率。以執(zhí)行時間評價,則調(diào)和性能平均值Hm幾何性能平均值GmniiniimTnRnA11111niimTnA11niiniimTnRnH111nniinniimTRG)1()(11如果考慮到工作負荷中各個程序出現(xiàn)的比例不同，則可以加各程序的執(zhí)行時間或速率加權(quán)。由此可求得加權(quán)后

17、的算術(shù)平均性能、調(diào)用平均性能和幾何平均性能值。(1)加權(quán)算術(shù)平均值(2)加權(quán)調(diào)和平均平均值(3)加權(quán)幾何平均值niimiRG1)(niiiniiimTRA111niiiniiimTRH11111性能因子CPI實際上機器性能因負荷不同而改變，不可能任何時候都達到峰值，因此，系統(tǒng)評測總是通過執(zhí)行一系列有代表性的程序來獲得。 系統(tǒng)評測通過一系列的性能指標來表述。 計算CPU的程序執(zhí)行執(zhí)行時間TCPU有3個因素，IC：程序執(zhí)行的總指令條數(shù)、CPI:平均每條指令的時鐘周期數(shù)、fc:主時鐘頻率,Tc時鐘周期，則: 假設(shè)系統(tǒng)共有指令n種，第i種指令的時鐘周期數(shù)為CPIi，第i種指令在程序中出現(xiàn)Ii次，則：平

18、均CPI(或有效CPI)為ccCPUTICCPIfICCPIT1cniicniiCPUTICPIfICPIT )(1 )(11niiiniiICICPIICICPICPI11)()(在這里。我們用CPU時間時間來評價CPU性能， 明顯，要改善CPU性能，可以通過改變某一些或某幾項因素來實現(xiàn)。事實上，這三個因素是相互關(guān)聯(lián)的。CPU主頻fc由硬件技術(shù)和組成技術(shù)決定，CPI與組成和指令集有關(guān)，而指令數(shù)IC則與指令集和編譯技術(shù)有關(guān)。ccTICCPIICCPIfCPU1性能為了反映程序的運行速度，通常引入一些定量指標:(1)MIPS(Million Instructions Per Second，百萬條

19、指令數(shù)每秒)這樣程序的執(zhí)行時間為:(2)MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second，百萬次浮點運算每秒)假設(shè) 表示程序運行中浮點運算總次數(shù)661010CPIfTICMIPScCPU610CPUFNTIMFLOPSFNI610MIPSIcTCPU性能評測方法l 采用實際的應(yīng)用程序測試。l 采用核心程序測試。l 合成測試程序。l 綜合基準測試程序。2計算機系統(tǒng)的定量設(shè)計原理在設(shè)計計算機系統(tǒng)時，一般應(yīng)遵循如下定量設(shè)計原理：n哈夫曼(Huffman)壓縮原理。簡單來說，即盡量加速高概率事件的處理n阿姆達爾(Amdahl)定律。系統(tǒng)加速比其中性

20、能可改進比 為系統(tǒng)性能可改進部分占用的時間與未改進時系統(tǒng)總執(zhí)行時間比。部件加速比 是系統(tǒng)性能可改進部分在改進后性能提高的比值。 當(dāng) 為0時， =1；而當(dāng)部件加速比 趨于無窮大時，有即改進效果好的高性能系統(tǒng)應(yīng)是一個各部分性能均衡提高的系統(tǒng)。n程序訪問的局部性定律。)1 (1newpfSnewfnewnewnewnewoldprffTTS/)1 (1newfnewrnewrpS1.3.3計算機系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)和方法1 計算機系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)u要弄清其應(yīng)用領(lǐng)域是專用還是通用的u要弄清軟件兼容是放在哪級層次u要弄清對操作系統(tǒng)有何要求u要如何保證有高的標準化程度設(shè)計中的注意事項 在系統(tǒng)的功能確定以后

21、，就要考慮如何優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計，使之有高的性價比。注意減少設(shè)計的復(fù)雜性。應(yīng)適應(yīng)硬件技術(shù)、軟件技術(shù)、器件技術(shù)、應(yīng)用需求的變化。硬件設(shè)計還應(yīng)考慮有好的擴展性和兼容性。2計算機系統(tǒng)的設(shè)計方法（1）“由下往上”設(shè)計 即從器件水平、微程序機器級到傳統(tǒng)機器到操作系統(tǒng)（2）“由上往下”設(shè)計 先確定虛擬機器的基本特征，往硬件方向（3）“由中間開始”設(shè)計 a傳統(tǒng)機器級到微程序級、數(shù)字邏輯級 b操作系統(tǒng)級到匯編、編譯、環(huán)境計算機系統(tǒng)設(shè)計過程圖示方法1：由上向下（Top-Down）方法2：由下向上（BottoM-Up)方法3：中間開始（Middle-Out)應(yīng)用虛擬機高級語言虛擬機匯編語言虛擬機操作系統(tǒng)虛擬機傳統(tǒng)機器

22、級微程序級硬聯(lián)邏輯級向上向下設(shè)計步驟：需求分析概念設(shè)計對系統(tǒng)反復(fù)進行優(yōu)化和性能評價，使系統(tǒng)盡可能獲得較高的性價比。馮諾依曼(Van NenMann)結(jié)構(gòu)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1. 特點：存儲程序 運算器為中心 集中控制存儲器是字長固定的、順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)。存儲器提供可按地址訪問的一級地址空間，每個地址是唯一定義的。1. 4 軟件、應(yīng)用、器件的發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響由指令形式的低級機器語言驅(qū)動。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)。運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運算器。運算器、存儲器

23、、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。2. 改進：存儲程序，存儲器為中心，分散控制從基于串行算法變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，出現(xiàn)了向量計算機，并行計算機、多處理機等。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。硬件子系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件相適應(yīng)，出現(xiàn)了面向操作系統(tǒng)機器和數(shù)據(jù)庫計算機等。從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動型和需求驅(qū)動型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機器和歸約機。為適應(yīng)特定應(yīng)用環(huán)境而出現(xiàn)了各種專用計算機，如快速傅里葉變換機器、過程控制計算機等。為獲得高可靠性而研制容錯計算機。功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各

24、種功能分布計算機，包括外圍處理機、通信處理機等。出現(xiàn)了與大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路相適應(yīng)的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)了處理非數(shù)值化信息的智能計算機，例如自然語言、聲音、圖形和圖象處理等。3. 非馮計算機的發(fā)展1.4.1 軟件的發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 由于軟件生產(chǎn)率不高，且資源的高度共享，因此必須解決好軟件的移植問題。 軟件的可移植性(Portability)指的是軟件不修改或只經(jīng)過少量修改就可由一臺機器移到另一臺機器上運行，同一軟件可應(yīng)用于不同的環(huán)境。實現(xiàn)軟件移植的技術(shù)主要有以下幾種：1.統(tǒng)一高級語言 至今還沒有一種對各種應(yīng)用真正通用的高級語言，主要是因為：l不同的用途要求語言的語法、語義結(jié)構(gòu)不同。l人

25、們對語言的基本結(jié)構(gòu)看法不一。l即使同一種高級語言在不同廠家的機器上也不能完全通用。l習(xí)慣使然，人們不愿意拋棄慣用的語言。2.采用系列機 在一定范圍內(nèi)不同型號的機器之間統(tǒng)一匯編語言，就可以在一定程度上解決匯編語言軟件的移植。 系列機是在設(shè)定好一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（在系列機中稱系列結(jié)構(gòu)），以中間向兩邊設(shè)計的方式，根據(jù)不同的組成和實現(xiàn)技術(shù)研制而成不同檔次的機器。 系列機具有軟件兼容性(Software Compatibility)，是通過采用相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。 系列內(nèi)各檔機之間軟件兼容從速度和性能上有向上和向下兼容之分。向上(下)兼容指的是按某檔機器編制的軟件，不加修改就能運行于比它高(低)檔的機器。

26、 隨著器件等技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)機內(nèi)后續(xù)出現(xiàn)的各檔機器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許發(fā)展和變化，總體來說應(yīng)當(dāng)保證向后兼容，向上兼容。向前(后)兼容指的是在按某個時期投入市場的該型號機上編制的軟件，不加修改就能運行于在其之前(后)投入市場的機器上。低檔中檔高檔性能價格性價比3模擬和仿真1)模擬(Simulation)A機器B虛擬機器高級語言虛擬機器級匯編語言虛擬機器級操作系統(tǒng)虛擬機器級傳統(tǒng)機器級(機器語言級)微程序機器級應(yīng)用程序級操作系統(tǒng)虛擬機器級機器語言(虛擬機器級) 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要方面指令系統(tǒng)來看，就是要在一種機器上實現(xiàn)另一種機器的指令系統(tǒng)。 如要求原來在B上能運行的應(yīng)用軟件，能移植到有不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的A機上。

27、根據(jù)層次結(jié)構(gòu)概念，可把B的機器語言看成是A機器的機器語言級之上的一個虛擬的機器語言，在A機上有虛擬機概念來實現(xiàn)B機器上的指令系統(tǒng)。如上圖所示，B的每條指令用A機的一條機器語言程序解釋。 進行模擬的A機稱為宿主機，被模擬的B機稱為虛擬機。 不足之處： 模擬程序的編制是十分復(fù)雜和費時的，不僅要模擬虛擬機的機器語言，還要模擬其存儲體系、I/O系統(tǒng)、控制臺操作等。 運行速度低，實時性較差。 2）仿真(Emulation)高級語言虛擬機器級操作系統(tǒng)虛擬機器級傳統(tǒng)機器級(A機器語言)微程序機器級應(yīng)用程序級操作系統(tǒng)虛擬機器級傳統(tǒng)機器級(B機器語言)A機器B虛擬機器 如上圖所示，用微程序直接解釋另一種機器指令

28、系統(tǒng)的方法稱為仿真。 進行仿真的A機器稱為宿主機，被仿真的機器稱為目標機。 不足之處：與模擬一樣，要仿真目標機的存儲體系、I/O系統(tǒng)、控制臺操作等；當(dāng)兩種機器結(jié)構(gòu)差別大時，仿真難度大；兩者區(qū)別兩者區(qū)別 仿真與模擬的區(qū)別在于解釋用的語言：仿真是用微程序解釋，其解釋程序存在于控制存儲器中；模擬是用機器語言程序解釋，其解釋程序存在于主存中。1. 兩個發(fā)展趨勢維持價格不變，利用VLSI技術(shù)等，提高性能普通PC微處理器芯片價格較穩(wěn)定，但性能提高很快性能基本不變，價格迅速下降一般先推出中間機型，然后分別向高端和低端兩個方向發(fā)展；例如：PentiuMII，80486等從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的觀點看，各型（檔）計算機性能

29、隨時間推移，其實就是在低檔（型）機上引用甚至照搬高檔（型）機的結(jié)構(gòu)和組成。1.4.2 應(yīng)用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響t-3t-2t-1tt+1t+2年代大型機中型機小型機微型機亞微型機微微型機巨型機價格(對數(shù)坐標)虛線為等性能線 2. 應(yīng)用需求今后10年，需要專門為以下領(lǐng)域設(shè)計高效率的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：高結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計算：氣象模型、流體流動、有限元分析。非結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計算：蒙特卡洛模擬、稀疏矩陣。實時多因素問題：語音識別、圖象處理、計算機視覺。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)。圖形學(xué)和設(shè)計系統(tǒng)：計算機輔助設(shè)計。人工智能：面向知識的系統(tǒng)、推理系統(tǒng)。3. 三個時期通用計算機：主要是通

30、用科學(xué)計算專用計算機：科學(xué)計算、事務(wù)處理、實時控制高性能通用機：滿足多種需求4. 三種設(shè)計思想最高性能價格比：商用機。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1.4.3 器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響第14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0.25平方英寸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CP

31、U主頻已經(jīng)到達1000MHz，門延遲0.1ns；(默認主頻最高還是3.8，是INTEL的CPU，超頻的話，最高8G+，還是INTEL的。AMD新的推土機也有在液氮下超到8G+的。)極限速度：30萬公里/秒3cM/0.1nsMM/0.01ns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. 器件發(fā)展對組成技術(shù)的影響器件速度與處理機工作主頻1955年第一臺大型計算機IBM704機

32、處理機主頻：12us，門延遲：0.5us1976年巨型向量計算機CRAY，采用ECL電路處理機主頻：12.5ns，門延遲：0.5ns目前: PentiuMIII 600MHz， Alpha 1000MHz處理機主頻：1.2ns，門延遲 0.1ns器件速度與指令執(zhí)行時間40多年來，器件速度提高小于104；指令執(zhí)行加快108系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成技術(shù)的作用器件速度的提高最慢，已經(jīng)沒有太大潛力處理機主頻提高的速度已經(jīng)減緩指令執(zhí)行速度的提高基本保持不變3. 器件發(fā)展對設(shè)計方法的影響計算機組成技術(shù)下移原來只有在巨型機、大型機中采用的技術(shù)，已經(jīng)用到微型機中先行(Lookahead)、超標量、超流水線、Cache、

33、多體交叉計算機設(shè)計方法下移第1代計算機，幾乎全部由硬件人員設(shè)計第2、3、4代，由應(yīng)用、軟件、硬件和器件人員共同設(shè)計將來：除器件設(shè)計之外，主要是軟件設(shè)計邏輯設(shè)計方法改變過去邏輯設(shè)計很重要，盡量節(jié)省每一個芯片，每一個門目前的設(shè)計主要考慮：了解市場，盡量選擇通用芯片、標準芯片；結(jié)構(gòu)化設(shè)計，規(guī)整、易讀、易診斷1.5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性開發(fā)及計算機系統(tǒng)的分類1.5.1并行性的概念和開發(fā)1.并行性的含義與級別把解題中具有可以同時進行運算或操作的特性，稱為并行性(Parallelism)。并行性包含同時性和并發(fā)性二重含義。同時性(Simultaneity)指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生；并發(fā)性(Concurr

34、ency)指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。從不同的角度，并行性有不同的級別：(1)從計算機系統(tǒng)執(zhí)行程序的角度看指令內(nèi)部指令之間任務(wù)或進程之間作業(yè)或程序之間(2)從計算機系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù)的角度來看位串字串位并字串位片串字并全并行(3)從計算機信息加工的步驟和階段來看存儲器操作并行處理器操作步驟并行處理器操作并行指令、任務(wù)、作業(yè)并行2.并行性開發(fā)的途徑（1）時間重疊(Time Interleaving)取指分析執(zhí)行指令流水線指令在流水線各部件中流過的時間關(guān)系取指分析執(zhí)行kkkK+1K+1K+1K+2K+2K+2t（2）資源重復(fù)(Resource Replication) 在并行概念中引入空間因

35、素，通過重復(fù)設(shè)置硬件資源來提高可行性或性能。 雙工系統(tǒng)等。（3）資源共享(Resource Sharing) 指用軟件方法讓多個用戶按一定時間順序輪流使用同一套資源來提高資源的利用率。 多道程序分時系統(tǒng)；共享主存、外設(shè)、通信線路的多處理機；分布處理系統(tǒng)等。CUPE0PE1PEN-13.3.計算機系統(tǒng)的并行性發(fā)展計算機系統(tǒng)的并行性發(fā)展19601960年以前，主要為算術(shù)運算的位并行與年以前，主要為算術(shù)運算的位并行與I/OI/O并行并行1960-19701960-1970，多道程序分時系統(tǒng)、多功能部件、流水線單，多道程序分時系統(tǒng)、多功能部件、流水線單處理機等處理機等1970-19801970-198

36、0，大型和巨型的向量機、陣列機、相聯(lián)處理機，大型和巨型的向量機、陣列機、相聯(lián)處理機等等1980-19901980-1990，RISCRISC、超標量處理機、超標量處理機(Superscale)(Superscale)、超流水、超流水線處理機線處理機(Superpipeling)(Superpipeling)、超長指令字計算機、超長指令字計算機(VLIW)(VLIW)、多、多微處理機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)流計算機、智能計算機微處理機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)流計算機、智能計算機19901990至今，大規(guī)模并行處理。至今，大規(guī)模并行處理。3.3.多機系統(tǒng)的耦合度多機系統(tǒng)的耦合度l最低耦合最低耦合(Least Coupled

37、System)(Least Coupled System)如獨立外圍計算機系統(tǒng)。如獨立外圍計算機系統(tǒng)。l松散耦合松散耦合(Loosely Coupled System)(Loosely Coupled System)適合于分布處理。適合于分布處理。l緊密耦合緊密耦合(Tightly Coupled System)(Tightly Coupled System)可以是主輔機方式配合工作的非對稱系統(tǒng)，更多的是對稱型多處理機可以是主輔機方式配合工作的非對稱系統(tǒng)，更多的是對稱型多處理機系統(tǒng)。系統(tǒng)。1. 按大小劃分種類：巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機等。劃分原則：以性能為表征，按價格來劃分存在問

38、題：劃分的標準是隨時間而變化2. 按用途劃分種類：科學(xué)計算、事務(wù)處理、實時控制、工作站、服務(wù)器、家用計算機等。劃分原則：科學(xué)計算：浮點計算速度；事務(wù)處理：字符處理、十進制運算；實時控制：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1.5.2計算機系統(tǒng)的分類3. 按數(shù)據(jù)類型劃分種類：定點機、浮點機、向量機、堆棧機等4. 按處理機個數(shù)和種類劃分種類：單處理機、并行處理機、多處理機、分布處理機、關(guān)聯(lián)處理機、超標量處理機、超流水線處理機、SMP（對稱多處理機）、MPP（大規(guī)模并行處理機）、機群（Cluster）系統(tǒng)等5. 佛林（Flynn）分類法1966年由 M

39、ichael.J.Flynn 提出按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征對計算機系統(tǒng)進行分類指令流：機器執(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處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)四種類型單指令流單數(shù)據(jù)流SISD (Single Instruction Single DatastreaM); 單 指 令 流 多 數(shù) 據(jù) 流 S I M D ( S i n g l e 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MIMD (Multiple Instruction Multiple DatastreaM)SISD 典型單處理機，包括：單功能部件處理機