計(jì)算機(jī)組成原理-電子教案

1、2022年8月30日第1頁(yè)第10章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理(第二版) 清華大學(xué)出版社教學(xué)目標(biāo)教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)過程2022年8月30日第2頁(yè)教學(xué)目標(biāo)了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展方向了解新一代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2022年8月30日第3頁(yè)教學(xué)重點(diǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本概念陣列處理機(jī)和多處理機(jī)系統(tǒng)精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)2022年8月30日第4頁(yè)教學(xué)過程10.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本概念10.2 向量處理機(jī)10.3 陣列處理機(jī)和多處理機(jī)系統(tǒng)10.4 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）10.5 超級(jí)標(biāo)量、超級(jí)流水線及處理機(jī)10.6 微型計(jì)算機(jī)10.7 新一代計(jì)算機(jī) 10.8 例題解析2022年8月30日第5頁(yè)10.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本知識(shí)

2、10.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義10.1.2 計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn) 10.1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類10.1.4 如何提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算速度10.1.5 開放系統(tǒng)2022年8月30日第6頁(yè)10.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成。1964年Amdahl提出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念：程序設(shè)計(jì)者看到的一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。按照計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)，不同程序設(shè)計(jì)者所看到的計(jì)算機(jī)有不同的屬性。使用高級(jí)語(yǔ)言的程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性主要是軟件子系統(tǒng)和固件子系統(tǒng)的屬性，包括程序語(yǔ)言以及操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件等用戶界面。2022年8月30日第7頁(yè)10.1.2 計(jì)算機(jī)

3、組成與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成的任務(wù)是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定分配給硬件子系統(tǒng)的功能及其概念結(jié)構(gòu)之后，研究各種組成部分的內(nèi)部構(gòu)造和相互聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級(jí)的各種功能和特性。這種相互聯(lián)系包括每個(gè)功能部件的配制、相互連接和相互作用。 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，信號(hào)傳輸，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接，專用器件的設(shè)計(jì)，電源、冷卻、裝配等技術(shù)以及有關(guān)的制造級(jí)數(shù)和工藝等。 2022年8月30日第8頁(yè)10.1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類 （1/2）一般采用1966 年弗林（Flynn）根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流數(shù)量進(jìn)行分類的方法。定義如下：指令流（Instruct

4、ion Stream）：是機(jī)器執(zhí)行的指令序列；數(shù)據(jù)流（Data Stream）：是由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果；多重性（Multiplicity）：在系統(tǒng)最受限制的元件上，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)。2022年8月30日第9頁(yè)10.1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類 （2/2）按照指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式、多重性，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分成四類：?jiǎn)沃噶盍鲉螖?shù)據(jù)流（SISD）計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 最常用的串行計(jì)算機(jī)，通常由一個(gè)處理器和一個(gè)存儲(chǔ)器組成。每次執(zhí)行一條指令，每次從存儲(chǔ)器取（或存）一個(gè)數(shù)據(jù)單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 具有多個(gè)處理單元，所有處理單元執(zhí)行同一條指令，多

5、指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 有N個(gè)處理單元，按N條不同指令的要求對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理，多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 由多臺(tái)處理器和多個(gè)存儲(chǔ)器成，并有一個(gè)互連網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各處理器和各存儲(chǔ)器之間的通信。2022年8月30日第10頁(yè)10.1.4 如何提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算速度從兩個(gè)方面考慮提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算速度：（1）微電子技術(shù)的發(fā)展和器件工藝的改進(jìn)是提高集成度、提高工作頻率的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展又為微電子技術(shù)的發(fā)展帶來更好的機(jī)遇；（2）CPU速度提高后，應(yīng)注意內(nèi)存存取速度的提高，通道速度的提高，采用DMA技術(shù)等，這些部件都與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算速度密切相關(guān)。2022年8月30日

6、第11頁(yè)改進(jìn)單機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要方法（1）CPU和輸入輸出設(shè)備并行工作，以減少CPU等待和空閑時(shí)間；（2）采用多個(gè)通用寄存器來暫存運(yùn)算的中間結(jié)果，減少訪問存儲(chǔ)器次數(shù)；（3）采用多體交叉存儲(chǔ)器和Cache，協(xié)調(diào)CPU和存儲(chǔ)器之間的速度匹配；（4）操作重疊的流水線方式。2022年8月30日第12頁(yè)10.1.5 開放系統(tǒng)遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口，使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間有“可移植性”和“互操作性”。可移植性是指將操作系統(tǒng)或應(yīng)用軟件放在不同廠家的各種不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)上使用?；ゲ僮餍允侵覆煌瑥S家在不同平臺(tái)上開發(fā)的多種應(yīng)用軟件通過網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)和協(xié)同工作的能力。2022年8月30日第13頁(yè)10.2 向量處理機(jī) 向量處

7、理機(jī)有巨型計(jì)算機(jī)和向量協(xié)處理機(jī)兩種類型。巨型計(jì)算機(jī)能對(duì)巨大的數(shù)組進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，同時(shí)它還是一種可以進(jìn)行標(biāo)量計(jì)算和一般數(shù)據(jù)處理的通用計(jì)算機(jī)。向量協(xié)處理機(jī)專門用于向量計(jì)算，它不是一臺(tái)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，需要與通用計(jì)算機(jī)配合使用。2022年8月30日第14頁(yè)10.3 陣列處理機(jī)和多處理機(jī)系統(tǒng) 10.3.1 并行性概念10.3.2 陣列處理機(jī)系統(tǒng)10.3.3 多處理機(jī)系統(tǒng)2022年8月30日第15頁(yè)10.3.1 并行性包含兩方面含義：（1）同時(shí)性（Simultaneity）：指兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)刻發(fā)生；（2）并發(fā)性（Concurrency）：指兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。并行性主要表現(xiàn)為時(shí)

8、間重疊、資源重復(fù)和資源共享。 （1）時(shí)間重疊 多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得時(shí)間。（2）資源重復(fù) 通過重復(fù)地設(shè)置硬件資源以大幅度提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，即以數(shù)量取勝的原則。（3）資源共享 多個(gè)用戶按一定時(shí)間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。2022年8月30日第16頁(yè)10.3.2 陣列處理機(jī)系統(tǒng)陣列處理機(jī)是通過資源重復(fù)的技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)并行處理，是以大量相同的處理單元按規(guī)則的幾何形狀排列成陣列而得名的。根據(jù)存儲(chǔ)器的不同組成形式，有分布存儲(chǔ)器與共享存儲(chǔ)器兩種陣列處理機(jī)結(jié)構(gòu)。 2022年8月30日第17頁(yè)分布存儲(chǔ)器陣列處理機(jī)圖10-3 陣列處理機(jī)結(jié)構(gòu)

9、ICNPEM0PEM1PEMNPENPE1PE0CU鍵盤I/O接口I/O設(shè)備SC（a）分布存儲(chǔ)器系統(tǒng)2022年8月30日第18頁(yè)共享存儲(chǔ)器陣列處理機(jī)（b）共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)ICNM0M1MNPENPE1PE0CU鍵盤I/O接口I/O設(shè)備SC2022年8月30日第19頁(yè)10.3.3 多處理機(jī)系統(tǒng)多處理機(jī)系統(tǒng)是由多臺(tái)處理機(jī)組成的系統(tǒng)，每臺(tái)處理機(jī)都有自己的控制部件，可以執(zhí)行獨(dú)立的程序，共享一個(gè)公共的存儲(chǔ)器和所有外部設(shè)備。屬于多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）計(jì)算機(jī)，特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)靈活 ；（2）程序并行性 （3）并行任務(wù)的派生 （4）進(jìn)程同步 （5）資源分配和進(jìn)程調(diào)度 2022年8月30日第20頁(yè)10.4 精

10、簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)10.4.1 RISC的發(fā)展背景10.4.2 RISC的特點(diǎn)10.4.3 RISC的組織結(jié)構(gòu)2022年8月30日第21頁(yè)10.4.1 RISC的發(fā)展背景精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(Reduced Instruction Set Computer)1982年美國(guó)加州大學(xué)伯克萊分校研制成功RISC和RISC，與斯坦福大學(xué)的MIPS機(jī)一起拉開RISC技術(shù)的序幕。VLSI技術(shù)的發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件成本不斷下降，軟件成本不斷上升，人們開始在指令系統(tǒng)中增加更多的指令和復(fù)雜的指令，以適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需要，并考慮盡量縮短指令系統(tǒng)與高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)義差異，以便于高級(jí)語(yǔ)言程序的編譯和降低軟件成本。

11、2022年8月30日第22頁(yè)10.4.2 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) （1/3）精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過簡(jiǎn)化指令使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理，從而提高運(yùn)算速度，也稱為RICC（Reduced Instruction Count Computer）。 大部分RISC機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1）流水線結(jié)構(gòu)使RISC正常指令在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成（2）多級(jí)Cache存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，RISC僅在存/取數(shù)指令才訪問內(nèi)存，通過Cache 與CPU的寄存器進(jìn)行高速運(yùn)算。（3）對(duì)稱處理技術(shù)，把幾個(gè)RISC處理器集中在一個(gè)芯片上，增強(qiáng)多處理功能。（4）指令長(zhǎng)度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少。（5）指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選擇一些使用

12、頻率較高的簡(jiǎn)單指令和一些有用但不復(fù)雜的指令。指令的條數(shù)不超過150條。2022年8月30日第23頁(yè)10.4.2 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) （2/3）（6）只有取數(shù)/存數(shù)指令訪問存儲(chǔ)器， 其余指令的操作都在寄存器之間進(jìn)行。（7）CPU中通用寄存器數(shù)量相當(dāng)多，可以減少訪存（存/取數(shù)據(jù)）次數(shù)。（8）以硬布線控制邏輯為主，不用或少用微碼控制。（9） 采用優(yōu)化的編譯程序，力求有效地支持高級(jí)語(yǔ)言程序。2022年8月30日第24頁(yè)10.4.2 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) （3/3）RISC的優(yōu)點(diǎn)：（1）可以充分利用VLSI芯片面積（2）可以提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度（3）設(shè)計(jì)容易，可降低成本，提高可靠性（4）能有效支

13、持高級(jí)語(yǔ)言程序2022年8月30日第25頁(yè)10.4.3 RISC的組織結(jié)構(gòu) 當(dāng)RISC的指令系統(tǒng)確定后，為提高其運(yùn)算速度，在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面要盡量滿足大多數(shù)指令能在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成的要求，并盡可能縮短機(jī)器周期時(shí)間?？刹捎萌缦麓胧篊PU中設(shè)置多個(gè)寄存器；采用高速緩存技術(shù)，構(gòu)成三級(jí)存儲(chǔ)體系；采用高速高效流水線組織；采用硬件控制邏輯。 2022年8月30日第26頁(yè)10.5 超級(jí)標(biāo)量、超級(jí)流水線處理機(jī)10.5.1 超級(jí)標(biāo)量處理機(jī)10.5.2 超級(jí)流水線處理機(jī)10.5.3 超長(zhǎng)指令字處理機(jī)2022年8月30日第27頁(yè)10.5.1 超級(jí)標(biāo)量處理機(jī)超級(jí)標(biāo)量處理機(jī)（Superscalar）中配置了多個(gè)功能

14、部件和指令譯碼電路，采取了多條流水線，還有多個(gè)寄存器端口和總線，因此可以同時(shí)從存儲(chǔ)器中取出幾條指令，以并行處理來提高機(jī)器的速度，對(duì)這幾條指令進(jìn)行譯碼，把能夠并行執(zhí)行的指令同時(shí)送入不同的功能部件。例如Intel 80960A配置三條流水線，分別執(zhí)行整數(shù)運(yùn)算、轉(zhuǎn)移處理和訪存操作，能同時(shí)對(duì)四條指令進(jìn)行譯碼，但最多將3條能并行執(zhí)行的指令分別送入3條流水線。超級(jí)標(biāo)量機(jī)的硬件是不能重新安排指令的前后次序的，但可以在編譯程序時(shí)采取優(yōu)化的辦法對(duì)指令的執(zhí)行次序進(jìn)行精心安排，把能并行執(zhí)行的指令搭配起來。例如，IBM公司推出的POWER R6000 處理器，1992年Sun/TI（德州儀器公司）推出Super SP

15、ARC芯片（Viking）， 以上這些芯片都采用了超級(jí)標(biāo)量技術(shù)。2022年8月30日第28頁(yè)10.5.2 超級(jí)流水線處理機(jī)流水線技術(shù)的基本思想是時(shí)間重疊，將處理過程分解成各個(gè)專用的功能段，而不是要求每段在空間上重復(fù)，所使用的設(shè)備相對(duì)較少。流水線的各段是由時(shí)鐘脈沖來進(jìn)行同步的，各段的信息是順段流動(dòng)的，控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單。 2022年8月30日第29頁(yè)10.5.3 超長(zhǎng)指令字處理機(jī)超長(zhǎng)指令字的英文縮寫是VLIW，是一種單指令流多操作碼多數(shù)據(jù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。編譯程序在編譯時(shí)，把多個(gè)能并行執(zhí)行的操作組合在一起，稱為一條有多個(gè)操作段的超長(zhǎng)指令。由這條超長(zhǎng)指令控制VLIW機(jī)中多個(gè)互相獨(dú)立工作的功能部件，每個(gè)操作

16、段控制一個(gè)功能部件，相當(dāng)于同時(shí)執(zhí)行多條指令。Cydra5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)值處理機(jī)采用了超長(zhǎng)指令字。一條指令的字常為32個(gè)字節(jié)（256位），分成7個(gè)操作段， 每段對(duì)應(yīng)1個(gè)操作。每個(gè)功能部件都是按流水線原理工作的。 每個(gè)典型操作段中有1個(gè)操作碼、2個(gè)源寄存器描述碼、1個(gè)目的寄存器描述碼和1個(gè)判定寄存器描述碼。2022年8月30日第30頁(yè)10.6 微型計(jì)算機(jī)代時(shí)間典型產(chǎn)品集成度(/只）一19711974Intel 4004及80082000二19741978Intel 8080、Zilog Z-80、Motorola 68009000三19781984Intel 8086/80286，Zilog Z

17、-8000和Motorola 68000CPU，2.9萬四19841993Intel 80386、80486，Motorola 6802027.5萬五19931997Intel Pentium330萬六19971999Intel Pentium Pro、Pentium 750萬七1999Intel Pentium 、Pentium 950萬2022年8月30日第31頁(yè)10.7 新一代計(jì)算機(jī)10.7.1 生物計(jì)算機(jī) 10.7.2 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)10.7.3 量子計(jì)算機(jī)10.7.4 納米計(jì)算機(jī)10.7.5 光子計(jì)算機(jī)2022年8月30日第32頁(yè)10.7.1 生物計(jì)算機(jī)生物計(jì)算技術(shù)的研究主要包括生物分子

18、器件和生物計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。利用有機(jī)或生物材料在分子尺度內(nèi)構(gòu)成有序體系，提供通過分子層次上的物理化學(xué)過程去完成信息檢測(cè)、傳輸、存儲(chǔ)和處理的基本單元，叫分子器件。 2022年8月30日第33頁(yè)10.7.2 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)二十世紀(jì)六十年代來人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)約瑟夫遜結(jié)效應(yīng)后，一些計(jì)算機(jī)專家很快意識(shí)到超導(dǎo)器件在超導(dǎo)態(tài)和常態(tài)間的這種快速轉(zhuǎn)換特性在超高速計(jì)算機(jī)中有著十分誘人的應(yīng)用前景。二十世紀(jì)八十年代末，美國(guó)貝爾公司發(fā)明了具有實(shí)用價(jià)值的制成超導(dǎo)薄膜的方法，利用該方法生成的超導(dǎo)薄膜可靠性高，化學(xué)性能穩(wěn)定，這就使研制體積小、速度快的超導(dǎo)電路成為可能。目前己研制成的超導(dǎo)集成電路有超導(dǎo)處理器、超導(dǎo)存儲(chǔ)器、超導(dǎo)移位

19、寄存器等。如美國(guó)于二十世紀(jì)九十年代初研制成的超導(dǎo)32位移位電路，工作頻率為120GHz ，片上有64 個(gè)約瑟夫遜結(jié)，稍加改進(jìn)，工作頻率可達(dá)1000GHz 。2022年8月30日第34頁(yè)10.7.3 量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)。以量子力學(xué)理論為信息處理理論基礎(chǔ)并以量子器件構(gòu)成的計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：、是量子計(jì)算機(jī)能夠解決一些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法處理的問題；、是量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)⒅笖?shù)復(fù)雜性的問題降為多項(xiàng)式復(fù)雜性的問題。 2022年8月30日第35頁(yè)10.7.4 納米計(jì)算機(jī)1 納米等于十億分之一米 ，是人類毛發(fā)直徑的一萬分之一，是可見光最短波長(zhǎng)的四百分之一。1974 年，科學(xué)家唐尼古奇最早