计算机组成原理第十章课件(石磊主编-清华大学出版社).ppt
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- 计算机 组成 原理 第十 课件 主编 清华大学出版社
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1、2022年12月17日1计算机组成原理任课教师:石磊郑州大学信息工程学院计算机系Email:Tel:136769868632第一章第一章 概述概述第二章第二章 计算机中的数据表示计算机中的数据表示第三章第三章 运算方法和运算器运算方法和运算器第四章第四章 存储器及存储系统存储器及存储系统第五章第五章 指令系统指令系统 第六章第六章 中央处理器中央处理器 第七章第七章 系统总线系统总线第八章第八章 输入输出系统输入输出系统第九章第九章 计算机外部设备计算机外部设备 第十章第十章 计算机系统结构计算机系统结构目录计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月
2、17日第3页第第10章章 计算机系统结构计算机系统结构计算机组成原理计算机组成原理 清华大学出版社清华大学出版社教学目标教学重点教学过程计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第4页教学目标教学目标l掌握计算机系统基本概念掌握计算机系统基本概念l了解计算机系统的发展方向了解计算机系统的发展方向l了解新一代的计算机系统了解新一代的计算机系统计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第5页教学重点教学重点l计算机系统基本概念计算机系统基本概念l阵列处理机和多处理机系统阵列处理机和多处理机系统l精简
3、指令系统计算机精简指令系统计算机计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第6页教学过程教学过程l10.1 计算机系统基本概念计算机系统基本概念l10.2 向量处理机向量处理机l10.3 阵列处理机和多处理机系统阵列处理机和多处理机系统l10.4 精简指令系统计算机(精简指令系统计算机(RISC)l10.5 超级标量、超级流水线及处理机超级标量、超级流水线及处理机l10.6 微型计算机微型计算机l10.7 新一代计算机新一代计算机计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第7页10.1 计算机系
4、统基本知识计算机系统基本知识 l10.1.1 计算机系统结构的定义计算机系统结构的定义l10.1.2 计算机组成与实现计算机组成与实现 l10.1.3 计算机系统的分类计算机系统的分类l10.1.4 如何提高计算机系统的运算速度如何提高计算机系统的运算速度l10.1.5 开放系统开放系统计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第8页10.1.1 计算机系统结构的定义计算机系统结构的定义l计算机系统由硬件和软件组成。计算机系统由硬件和软件组成。l1964年年Amdahl提出计算机系统结构概念:程序设计者看提出计算机系统结构概念:程序设计者看到的
5、一个计算机系统的属性,即概念性结构和功能特性。到的一个计算机系统的属性,即概念性结构和功能特性。l按照计算机层次结构,不同程序设计者所看到的计算机有按照计算机层次结构,不同程序设计者所看到的计算机有不同的属性。使用高级语言的程序员所看到的计算机属性不同的属性。使用高级语言的程序员所看到的计算机属性主要是软件子系统和固件子系统的属性,包括程序语言以主要是软件子系统和固件子系统的属性,包括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、网络软件等用户界面。及操作系统、数据库管理系统、网络软件等用户界面。计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第9页10.1
6、.2 计算机组成与实现计算机组成与实现l计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后,研究各给硬件子系统的功能及其概念结构之后,研究各种组成部分的内部构造和相互联系,以实现机器种组成部分的内部构造和相互联系,以实现机器指令级的各种功能和特性。这种相互联系包括每指令级的各种功能和特性。这种相互联系包括每个功能部件的配制、相互连接和相互作用。个功能部件的配制、相互连接和相互作用。l计算机实现是指计算机组成的物理实现。包括处计算机实现是指计算机组成的物理实现。包括处理机、主存等部件的物理结构,器件的集成度和理机、主存等部件的物
7、理结构,器件的集成度和速度,信号传输,器件、模块、插件、底板的划速度,信号传输,器件、模块、插件、底板的划分与连接,专用器件的设计,电源、冷却、装配分与连接,专用器件的设计,电源、冷却、装配等技术以及有关的制造级数和工艺等。等技术以及有关的制造级数和工艺等。计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第10页10.1.3 计算机系统的分类计算机系统的分类 (1/2)l一般采用一般采用1966 年弗林(年弗林(Flynn)根据指令流和数)根据指令流和数据流数量进行分类的方法。定义如下:据流数量进行分类的方法。定义如下:指令流(指令流(Instruc
8、tion Stream):是机器执行的指令序):是机器执行的指令序列;列;数据流(数据流(Data Stream):是由指令流调用的数据序列,):是由指令流调用的数据序列,包括输入数据和中间结果;包括输入数据和中间结果;多重性(多重性(Multiplicity):在系统最受限制的元件上,):在系统最受限制的元件上,同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第11页10.1.3 计算机系统的分类计算机系统的分类 (2/2)按照指令流和数据流的不同组织方
9、式、多重性,将计算机系按照指令流和数据流的不同组织方式、多重性,将计算机系统分成四类:统分成四类:l单指令流单数据流(单指令流单数据流(SISD)计算机系统)计算机系统 最常用的串行计算机,通常由一个处理器和一个存储器组最常用的串行计算机,通常由一个处理器和一个存储器组成。每次执行一条指令,每次从存储器取(或存)一个数据成。每次执行一条指令,每次从存储器取(或存)一个数据l单指令流多数据流(单指令流多数据流(SIMD)计算机系统)计算机系统 具有多个处理单元,所有处理单元执行同一条指令,具有多个处理单元,所有处理单元执行同一条指令,l多指令流单数据流(多指令流单数据流(MISD)计算机系统)计
10、算机系统 有有N个处理单元,按个处理单元,按N条不同指令的要求对同一个数据进条不同指令的要求对同一个数据进行不同的处理,行不同的处理,l多指令流多数据流(多指令流多数据流(MIMD)计算机系统)计算机系统 由多台处理器和多个存储器成,并有一个互连网络实现各由多台处理器和多个存储器成,并有一个互连网络实现各处理器和各存储器之间的通信。处理器和各存储器之间的通信。计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第12页10.1.4 如何提高计算机系统的运算速度如何提高计算机系统的运算速度l从两个方面考虑提高计算机系统的运算速度:从两个方面考虑提高计算机系
11、统的运算速度:(1)微电子技术的发展和器件工艺的改进是提高)微电子技术的发展和器件工艺的改进是提高集成度、提高工作频率的基础。计算机系统的发集成度、提高工作频率的基础。计算机系统的发展又为微电子技术的发展带来更好的机遇;展又为微电子技术的发展带来更好的机遇;(2)CPU速度提高后,应注意内存存取速度的提速度提高后,应注意内存存取速度的提高,通道速度的提高,采用高,通道速度的提高,采用DMA技术等,这些部技术等,这些部件都与计算机系统的运算速度密切相关。件都与计算机系统的运算速度密切相关。计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第13页改进单机
12、系统的系统结构的主要方法改进单机系统的系统结构的主要方法(1)CPU和输入输出设备并行工作,以减少和输入输出设备并行工作,以减少CPU等待和空闲时间;等待和空闲时间;(2)采用多个通用寄存器来暂存运算的中间)采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果,减少访问存储器次数;结果,减少访问存储器次数;(3)采用多体交叉存储器和)采用多体交叉存储器和Cache,协调,协调CPU和存储器之间的速度匹配;和存储器之间的速度匹配;(4)操作重叠的流水线方式。)操作重叠的流水线方式。计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第14页10.1.5 开放系统开放系统
13、l遵循国际标准接口,使得计算机系统之间有遵循国际标准接口,使得计算机系统之间有“可可移植性移植性”和和“互操作性互操作性”。l可移植性是指将操作系统或应用软件放在不同厂可移植性是指将操作系统或应用软件放在不同厂家的各种不同型号的计算机上使用。家的各种不同型号的计算机上使用。l互操作性是指不同厂家在不同平台上开发的多种互操作性是指不同厂家在不同平台上开发的多种应用软件通过网络共享数据和协同工作的能力。应用软件通过网络共享数据和协同工作的能力。计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第15页10.2 向量处理机向量处理机 l向量处理机有巨型计算机
14、和向量协处理机向量处理机有巨型计算机和向量协处理机两种类型。两种类型。l巨型计算机能对巨大的数组进行浮点运算,巨型计算机能对巨大的数组进行浮点运算,同时它还是一种可以进行标量计算和一般同时它还是一种可以进行标量计算和一般数据处理的通用计算机。数据处理的通用计算机。l向量协处理机专门用于向量计算,它不是向量协处理机专门用于向量计算,它不是一台独立的计算机,需要与通用计算机配一台独立的计算机,需要与通用计算机配合使用。合使用。计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第16页10.3 阵列处理机和多处理机系统阵列处理机和多处理机系统 l10.3.1
15、 并行性概念并行性概念l10.3.2 阵列处理机系统阵列处理机系统l10.3.3 多处理机系统多处理机系统计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第17页10.3.1 并行性并行性l包含两方面含义:包含两方面含义:(1)同时性()同时性(Simultaneity):指两个或两个以上事件):指两个或两个以上事件在同一时刻发生;在同一时刻发生;(2)并发性()并发性(Concurrency):指两个或两个以上事件):指两个或两个以上事件在同一时间间隔内发生。在同一时间间隔内发生。l并行性主要表现为时间重叠、资源重复和资源共享。并行性主要表现为时间
16、重叠、资源重复和资源共享。(1)时间重叠)时间重叠 多个处理过程在时间上相互错开,轮流重多个处理过程在时间上相互错开,轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分,以加快硬件周转而叠地使用同一套硬件设备的各个部分,以加快硬件周转而赢得时间。赢得时间。(2)资源重复)资源重复 通过重复地设置硬件资源以大幅度提高计通过重复地设置硬件资源以大幅度提高计算机系统的性能,即以数量取胜的原则。算机系统的性能,即以数量取胜的原则。(3)资源共享)资源共享 多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。硬件设备。计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结
17、构2022年12月17日第18页10.3.2 阵列处理机系统阵列处理机系统l阵列处理机是通过资源重复的技术途径实阵列处理机是通过资源重复的技术途径实现并行处理,是以大量相同的处理单元按现并行处理,是以大量相同的处理单元按规则的几何形状排列成阵列而得名的。规则的几何形状排列成阵列而得名的。l根据存储器的不同组成形式,有分布存储根据存储器的不同组成形式,有分布存储器与共享存储器两种阵列处理机结构。器与共享存储器两种阵列处理机结构。计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第19页分布存储器阵列处理机分布存储器阵列处理机图10-3 阵列处理机结构IC
18、NICNPEMPEM0 0PEMPEM1 1PEMPEMN NPEPEN NPEPE1 1PEPE0 0CUCU键盘键盘I/OI/O接口接口I/OI/O设备设备SCSC(a a)分布存储器系统)分布存储器系统计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第20页共享存储器阵列处理机共享存储器阵列处理机(b b)共享存储器系统)共享存储器系统ICNICNM M0 0M M1 1M MN NPEPEN NPEPE1 1PEPE0 0CUCU键盘键盘I/OI/O接口接口I/OI/O设备设备SCSC计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计
19、算机系统结构2022年12月17日第21页10.3.3 多处理机系统多处理机系统l多处理机系统是由多台处理机组成的系统,每台处理机都多处理机系统是由多台处理机组成的系统,每台处理机都有自己的控制部件,可以执行独立的程序,共享一个公共有自己的控制部件,可以执行独立的程序,共享一个公共的存储器和所有外部设备。属于多指令流多数据流的存储器和所有外部设备。属于多指令流多数据流(MIMD)计算机,)计算机,l特点:特点:(1)结构灵活)结构灵活;(2)程序并行性)程序并行性(3)并行任务的派生)并行任务的派生(4)进程同步)进程同步(5)资源分配和进程调度)资源分配和进程调度 计算机组成原理计算机组成原
20、理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第22页10.4 精简指令系统计算机精简指令系统计算机l10.4.1 RISC的发展背景的发展背景l10.4.2 RISC的特点的特点l10.4.3 RISC的组织结构的组织结构计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系统结构2022年12月17日第23页10.4.1 RISC的发展背景的发展背景l精简指令系统计算机精简指令系统计算机(Reduced Instruction Set Computer)l1982年美国加州大学伯克莱分校研制成功年美国加州大学伯克莱分校研制成功RISC和和RISC,与斯坦福大学
21、的,与斯坦福大学的MIPS机一起拉开机一起拉开RISC技术的技术的序幕。序幕。lVLSI技术的发展,使得计算机系统中的硬件成本不断下技术的发展,使得计算机系统中的硬件成本不断下降,软件成本不断上升,人们开始在指令系统中增加更多降,软件成本不断上升,人们开始在指令系统中增加更多的指令和复杂的指令,以适应不同应用领域的需要,并考的指令和复杂的指令,以适应不同应用领域的需要,并考虑尽量缩短指令系统与高级语言的语义差异,以便于高级虑尽量缩短指令系统与高级语言的语义差异,以便于高级语言程序的编译和降低软件成本。语言程序的编译和降低软件成本。计算机组成原理计算机组成原理 第十章计算机系统结构第十章计算机系
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