计算机组成原理第十章.ppt

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:2019/1/131 第一章 概述 第二章 计算机中的数据表示 第三章 运算方法和运算器 第四章 存储器及存储系统 第五章 指令系统 第六章 中央处理器 第七章 系统总线 第八章 输入输出系统 第九章 计算机外部设备 第十章 计算机系统结构 目录 2 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 第10章 计算机系统结构 计算机组成原理 清华大学出版社 教学目标 教学重点 教学过程 Date3 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 教学目标 l掌握计算机系统基本概念 l了解计算机系统的发展方向 l了解新一代的计算机系统 Date4 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 教学重点 l计算机系统基本概念 l阵列处理机和多处理机系统 l精简指令系统计算机 Date5 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 教学过程 l10.1 计算机系统基本概念 l10.2 向量处理机 l10.3 阵列处理机和多处理机系统 l10.4 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 l10.6 微型计算机 l10.7 新一代计算机 Date6 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.1 计算机系统基本知识 l10.1.1 计算机系统结构的定义 l10.1.2 计算机组成与实现 l10.1.3 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 l10.1.5 开放系统 Date7 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.1.1 计算机系统结构的定义 l计算机系统由硬件和软件组成。 l1964年Amdahl提出计算机系统结构概念：程序设计者看 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 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，包括程序语言以及操 作系统、数据库管理系统、网络软件等用户界面。 Date8 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.1.2 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 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。 l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、装配等技术 以及有关的制造级数和工艺等。 Date9 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.1.3 计算机系统的分类 （1/2） l一般采用1966 年弗林（Flynn）根据指令流和数 据流数量进行分类的方法。定义如下： 指令流（Instruction Stream）：是机器执行的指 令序列； 数据流（Data Stream）：是由指令流调用的数据 序列，包括输入数据和中间结果； 多重性（Multiplicity）：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。 Date10 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.1.3 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式、多重性，将计算机系 统分成四类： l单指令流单数据流（SISD）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 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（SIMD）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， l多指令流单数据流（MISD）计算机系统 有N个处理单元，按N条不同指令的要求对同一个数据进 行不同的处理， l多指令流多数据流（MIMD）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 处理器和各存储器之间的通信。 Date11 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.1.4 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： （1）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 高，通道速度的提高，采用DMA技术等，这些部件 都与计算机系统的运算速度密切相关。 Date12 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 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 CPU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 结果，减少访问存储器次数； （3）采用多体交叉存储器和Cache，协调 CPU和存储器之间的速度匹配； （4）操作重叠的流水线方式。 Date13 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.1.5 开放系统 l遵循国际标准接口，使得计算机系统之间有“可移 植性”和“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 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 应用软件通过网络共享数据和协同工作的能力。 Date14 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.2 向量处理机 l向量处理机有巨型计算机和向量协处理机 两种类型。 l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 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 一台独立的计算机，需要与通用计算机配合 使用。 Date15 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.3 阵列处理机和多处理机系统 l10.3.1 并行性概念 l10.3.2 阵列处理机系统 l10.3.3 多处理机系统 Date16 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.3.1 并行性 l包含两方面含义： （1）同时性（Simultaneity）：指两个或两个以 上事件在同一时刻发生； （2）并发性（Concurrency）：指两个或两个以 上事件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。 （1）时间重叠 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，以加快硬件周转而赢 得时间。 （2）资源重复 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。 （3）资源共享 多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套 硬件设备。 Date17 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.3.2 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 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。 l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。 Date18 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 分布存储器阵列处理机 图10-3 阵列处理机结构 ICN PEM0PEM1 PEMN PENPE1PE0 CU 键盘 I/O接口I/O设备 SC （a）分布存储器系统 Date19 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 共享存储器阵列处理机 （b）共享存储器系统 ICN M0M1 MN PENPE1PE0 CU 键盘 I/O接口I/O设备 SC Date20 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.3.3 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 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（MIMD） 计算机， l特点： （1）结构灵活 ； （2）程序并行性 （3）并行任务的派生 （4）进程同步 （5）资源分配和进程调度 Date21 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.4 精简指令系统计算机 l10.4.1 RISC的发展背景 l10.4.2 RISC的特点 l10.4.3 RISC的组织结构 Date22 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.4.1 RISC的发展背景 l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RISC和 RISC，与斯坦福大学的MIPS机一起拉开RISC技术的序幕 。 lVLSI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，以便于高级语言程序 的编译和降低软件成本。 Date23 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.4.2 精简指令系统计算机的特点 （1/3） l精简指令系统计算机通过简化指令使计算机的结构更加简 单合理，从而提高运算速度，也称为RICC（Reduced Instruction Count Computer）。 l大部分RISC机具有以下特点： （1）流水线结构使RISC正常指令在一个机器周期内完成 （2）多级Cache存储器结构，RISC仅在存/取数指令才访问 内存，通过Cache 与CPU的寄存器进行高速运算。 （3）对称处理技术，把几个RISC处理器集中在一个芯片上 ，增强多处理功能。 （4）指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。 （5）指令系统设计时选择一些使用频率较高的简单指令和 一些有用但不复杂的指令。指令的条数不超过150条。 Date24 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.4.2 精简指令系统计算机的特点 （2/3） （6）只有取数/存数指令访问存储器， 其余 指令的操作都在寄存器之间进行。 （7）CPU中通用寄存器数量相当多，可以减 少访存（存/取数据）次数。 （8）以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微 码控制。 （9） 采用优化的编译程序，力求有效地支 持高级语言程序。 Date25 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.4.2 精简指令系统计算机的特点 （3/3） RISC的优点： （1）可以充分利用VLSI芯片面积 （2）可以提高计算机运算速度 （3）设计容易，可降低成本，提高可靠性 （4）能有效支持高级语言程序 Date26 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.4.3 RISC的组织结构 当RISC的指令系统确定后，为提高其运算速度，在 硬件结构设计方面要尽量满足大多数指令能在一个 机器周期内完成的要求，并尽可能缩短机器周期时 间。可采用如下措施： lCPU中设置多个寄存器； l采用高速缓存技术，构成三级存储体系； l采用高速高效流水线组织； l采用硬件控制逻辑。 Date27 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.5 超级标量、超级流水线处理机 l10.5.1 超级标量处理机 l10.5.2 超级流水线处理机 l10.5.3 超长指令字处理机 Date28 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.5.1 超级标量处理机 l超级标量处理机（Superscalar）中配置了多个功能部件 和指令译码电路，采取了多条流水线，还有多个寄存器端口 和总线，因此可以同时从存储器中取出几条指令，以并行处 理来提高机器的速度，对这几条指令进行译码，把能够并行 执行的指令同时送入不同的功能部件。例如Intel 80960A配 置三条流水线，分别执行整数运算、转移处理和访存操作， 能同时对四条指令进行译码，但最多将3条能并行执行的指 令分别送入3条流水线。超级标量机的硬件是不能重新安排 指令的前后次序的，但可以在编译程序时采取优化的办法对 指令的执行次序进行精心安排，把能并行执行的指令搭配起 来。 l例如，IBM公司推出的POWER R6000 处理器，1992年 Sun/TI（德州仪器公司）推出Super SPARC芯片（Viking ）， 以上这些芯片都采用了超级标量技术。 Date29 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.5.2 超级流水线处理机 l流水线技术的基本思想是时间重叠，将处理过程 分解成各个专用的功能段，而不是要求每段在空间 上重复，所使用的设备相对较少。流水线的各段是 由时钟脉冲来进行同步的，各段的信息是顺段流动 的，控制相对比较简单。 Date30 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.5.3 超长指令字处理机 l超长指令字的英文缩写是VLIW，是一种单指令流多操作 码多数据的系统结构。编译程序在编译时，把多个能并行执 行的操作组合在一起，称为一条有多个操作段的超长指令。 由这条超长指令控制VLIW机中多个互相独立工作的功能部 件，每个操作段控制一个功能部件，相当于同时执行多条指 令。 lCydra5计算机系统中的数值处理机采用了超长指令字。 一条指令的字常为32个字节（256位），分成7个操作段， 每段对应1个操作。每个功能部件都是按流水线原理工作的 。 每个典型操作段中有1个操作码、2个源寄存器描述码、1 个目的寄存器描述码和1个判定寄存器描述码。 Date31 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.6 微型计算机 代时间典型产品集成度(/只） 一19711974Intel 4004及80082000 二19741978Intel 8080、Zilog Z-80、Motorola 68009000 三19781984Intel 8086/80286，Zilog Z-8000和 Motorola 68000CPU， 2.9万 四19841993Intel 80386、80486，Motorola 6802027.5万 五19931997Intel Pentium330万 六19971999Intel Pentium Pro、Pentium 750万 七1999Intel Pentium 、Pentium 950万 Date32 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.7 新一代计算机 l10.7.1 生物计算机 l10.7.2 超导计算机 l10.7.3 量子计算机 l10.7.4 纳米计算机 l10.7.5 光子计算机 Date33 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.7.1 生物计算机 l生物计算技术的研究主要包括生物分子器 件和生物计算机系统结构两个方面。利用有 机或生物材料在分子尺度内构成有序体系， 提供通过分子层次上的物理化学过程去完成 信息检测、传输、存储和处理的基本单元， 叫分子器件。 Date34 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.7.2 超导计算机 l二十世纪六十年代来人们发现了超导约瑟夫逊结效应后， 一些计算机专家很快意识到超导器件在超导态和常态间的这 种快速转换特性在超高速计算机中有着十分诱人的应用前景 。 l二十世纪八十年代末，美国贝尔公司发明了具有实用价值 的制成超导薄膜的方法，利用该方法生成的超导薄膜可靠性 高，化学性能稳定，这就使研制体积小、速度快的超导电路 成为可能。 l目前己研制成的超导集成电路有超导处理器、超导存储器 、超导移位寄存器等。如美国于二十世纪九十年代初研制成 的超导32位移位电路，工作频率为120GHz ，片上有64 个 约瑟夫逊结，稍加改进，工作频率可达1000GHz 。 Date35 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.7.3 量子计算机 l量子计算机。以量子力学理论为信息处理 理论基础并以量子器件构成的计算机。 l量子计算机与传统计算机相比，有以下两 个优点： l、是量子计算机能够解决一些传统计算 机无法处理的问题； l、是量子计算机能够将指数复杂性的问 题降为多项式复杂性的问题。 Date36 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 10.7.4 纳米计算机 l1 纳米等于十亿分之一米 ，是人类毛发直 径的一万分之一，是可见光最短波长的四百 分之一。1974 年，科学家唐尼古奇最早使用 纳米技术（Nano-Technology）。 Da