計算機(jī)組成原理 主編： 石磊 教授 鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院計算機(jī)系 2 第一章 概述 第二章 計算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示 第三章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器 第四章 存儲器及存儲系統(tǒng) 第五章 指令系統(tǒng) 第六章 中央處理器 第七章 系統(tǒng)總線 第八章 輸入輸出系統(tǒng) 第九章 計算機(jī)外部設(shè)備 第十章 計算機(jī)系統(tǒng)及發(fā)展 目錄 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 3頁 第 10章 計算機(jī)系統(tǒng)及發(fā)展 計算機(jī)組成原理 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 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 4頁 教學(xué)目標(biāo) 掌握計算機(jī)系統(tǒng)基本概念 了解計算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展方向 了解新一代的計算機(jī)系統(tǒng) 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 5頁 教學(xué)重點(diǎn) 計算機(jī)系統(tǒng)基本概念 計算機(jī)系統(tǒng)的分類 精簡指令系統(tǒng)計算機(jī) 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 6頁 教學(xué)過程 算機(jī)系統(tǒng)基本概念 行計算機(jī)系統(tǒng) 一代計算機(jī) 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 7頁 計算機(jī)系統(tǒng)基本知識 算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn) 算機(jī)系統(tǒng)的分類 何提高計算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算速度 放系統(tǒng) 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 8頁 算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 計算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成。 1964年 序設(shè)計者看到的一個計算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。 按照計算機(jī)層次結(jié)構(gòu)，不同程序設(shè)計者所看到的計算機(jī)有不同的屬性。使用高級語言的程序員所看到的計算機(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。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 9頁 算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn) 計算機(jī)組成的任務(wù)是在計算機(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)器指令級的各種功能和特性。這種相互聯(lián)系包括每個功能部件的配制、相互連接和相互作用。 計算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計算機(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，信號傳輸，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接，專用器件的設(shè)計，電源、冷卻、裝配等技術(shù)以及有關(guān)的制造級數(shù)和工藝等。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 10頁 算機(jī)系統(tǒng)的分類 （ 1/2） 一般采用 1966 年弗林（ 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（ 是機(jī)器執(zhí)行的指令序列； 數(shù)據(jù)流（ 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（ 在系統(tǒng)最受限制的元件上，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)。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 11頁 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，將計算機(jī)系統(tǒng)分成四類： 單指令流單數(shù)據(jù)流（ 算機(jī)系統(tǒng) 最常用的串行計算機(jī)，通常由一個處理器和一個存儲器組成。每次執(zhí)行一條指令，每次從存儲器?。ɑ虼妫┮粋€數(shù)據(jù)。 單指令流多數(shù)據(jù)流（ 算機(jī)系統(tǒng) 具有多個處理單元，所有處理單元執(zhí)行同一條指令。 多指令流單數(shù)據(jù)流（ 算機(jī)系統(tǒng) 有 多指令流多數(shù)據(jù)流（ 算機(jī)系統(tǒng) 由多臺處理器和多個存儲器成，并有一個互連網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各處理器和各存儲器之間的通信。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 12頁 何提高計算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算速度 從兩個方面考慮提高計算機(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） 注意內(nèi)存存取速度的提高，通道速度的提高，采用 些部件都與計算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算速度密切相關(guān)。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 13頁 改進(jìn)單機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要方法 （ 1） 減少 （ 2）采用多個通用寄存器來暫存運(yùn)算的中間結(jié)果，減少訪問存儲器次數(shù)； （ 3）采用多體交叉存儲器和 調(diào) （ 4）時間重疊的流水線方式。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 14頁 放系統(tǒng) 遵循國際標(biāo)準(zhǔn)接口，使得計算機(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的計算機(jī)上使用。 互操作性是指不同廠家在不同平臺上開發(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。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 15頁 并行計算機(jī)系統(tǒng) 為了使計算機(jī)能夠處理越來越復(fù)雜的問題，計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計者把注意力轉(zhuǎn)向了并行計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)?？梢栽谟嬎銠C(jī)體系結(jié)構(gòu)的不同層次引入并行機(jī)制。 然而，如果想要將性能提高百倍、千倍甚至數(shù)萬倍，就必須使用多個 它們一起高效地工作，這種思想造就了大規(guī)模多處理器和多計算機(jī)系統(tǒng)。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 16頁 內(nèi)并行 在最底層實(shí)現(xiàn)并行的一種方法就是在一個時鐘周期內(nèi)發(fā)射多條指令。多發(fā)射 標(biāo)量處理器和超長指令字 理器。 超標(biāo)量 際發(fā)射的指令數(shù)取決于處理器的設(shè)計和當(dāng)前的環(huán)境。硬件決定了可以發(fā)射的指令的最大數(shù)量，通常是26條指令。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 17頁 所有現(xiàn)代指令流水線的 如果內(nèi)存引用在第一級和第二級 會導(dǎo)致長時間的等待 ， 直到需要的字節(jié) （ 和它關(guān)聯(lián)的 被加載到 這會造成流水線暫停 。 有一種方法可以解決這種情況 ， 稱為片內(nèi)多線程 ， 就是允許 簡而言之 ， 如果線程 1被阻塞 ， ，這樣能夠保證硬件被充分利用 。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 18頁 多線程技術(shù)付出適當(dāng)?shù)拇鷥r就能使性能顯著提高 ， 但一些應(yīng)用卻需要更大幅度的提高性能 ， 這就無法利用多線程來提供 。 為了滿足更高的性能要求 ， 人們開發(fā)了多處理器芯片 。 隨著 現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)蓚€或更多個強(qiáng)大的 這些 它們組成了一個多處理器 。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 19頁 流水線 c a c h e 存儲器 流水線 c a c h e 存儲器 ( a ) 雙流水線芯片 ( b ) 雙內(nèi)核芯片 圖 10芯片多處理器 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 20頁 處理器 從物理的角度看 ， 協(xié)處理器可以是單獨(dú)的機(jī)柜（ 60的 I/ ， 也可以是主板上的插接板 （ 網(wǎng)絡(luò)處理器 ） ， 甚至可以是主芯片上的一部分區(qū)域 （ 浮點(diǎn)運(yùn)算部件 ） 。 區(qū)分是否是協(xié)處理器的標(biāo)準(zhǔn) ， 就是看是否存在其他處理器作為主處理器 ， 而協(xié)處理器只是協(xié)助主處理器工作 。 協(xié)處理器可以在很多領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用 ， 例如網(wǎng)絡(luò)分組處理 、 多媒體處理和數(shù)據(jù)安全處理等 。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 21頁 多計算機(jī)系統(tǒng)為并行計算機(jī)系統(tǒng)的一種 。 在多計算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的程序通過使用類似于 因?yàn)槎嘤嬎銠C(jī)系統(tǒng)中的 可以使用多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 、 交換策略和路由算法 。 所有多計算機(jī)系統(tǒng)的一個共同特點(diǎn)是 ， 當(dāng)應(yīng)用程序執(zhí)行 系統(tǒng)就會通知通信處理器把一塊用戶數(shù)據(jù)傳送到目的計算機(jī)中 （ 可能首先要發(fā)出請求并獲得許可 ） 。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 22頁 本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 磁盤和輸入輸出 通信處理器 內(nèi)存 本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 磁盤和輸入輸出 通信處理器 內(nèi)存 高性能互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 圖 多計算機(jī)體系的通用結(jié)構(gòu) 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 23頁 1. 大規(guī)模并行處理器 第一類多計算機(jī)系統(tǒng)是大規(guī)模并行處理系統(tǒng) ， 這是一種價值數(shù)百萬美元的超級計算機(jī)系統(tǒng) 。 它被用于科學(xué)計算 、工程計算和其他需要大量計算的工業(yè)部門 ， 每秒可以處理大量事務(wù) ， 還可以用于數(shù)據(jù)倉庫 。 在 即如何進(jìn)行容錯 。 在使用數(shù)千個 每星期有若干個 因此大規(guī)模的 檢測錯誤 ， 并從錯誤中平滑地恢復(fù) 。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 24頁 2. 集群運(yùn)算 集群計算機(jī)系統(tǒng)是由數(shù)百臺 大型機(jī)和 內(nèi)存 、 磁盤 、 操作系統(tǒng)等 。 只不過大型機(jī)的組件速度快一些 （ 操作系統(tǒng)除外 ） ， 但是他們的質(zhì)量不同 ， 使用和管理也不同 。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 25頁 格計算 網(wǎng)格 網(wǎng)格可以被想象為一種非常大 、 松散耦合 、 異構(gòu)的集群 。 網(wǎng)格的目標(biāo)是提供一種技術(shù)上的基礎(chǔ)設(shè)施 ， 從而使一些有著共同目標(biāo)的組織形成一個虛擬組織 （ 。 網(wǎng)格中對等的參與者眾多 ， 具有多邊特性 。 它和現(xiàn)有的客戶 服務(wù)器 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 26頁 新一代計算機(jī) 子計算機(jī) 米計算機(jī) 于第六代計算機(jī) 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 27頁 子計算機(jī) 量子計算機(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)成的計算機(jī)。 量子計算機(jī)與傳統(tǒng)計算機(jī)相比，有以下兩個優(yōu)點(diǎn)： 、量子計算機(jī)能夠解決一些傳統(tǒng)計算機(jī)無法處理的問題； 、量子計算機(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。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 28頁 米計算機(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，是可見光最短波長的四百分之一。 1974 年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)（ 利用納米材料的一系列奇異特性，可以制造出一些奇特的納米電子器件。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 29頁 2011年 ， 可以模擬 大 腦 認(rèn) 知 和 活 動 等 能 力 。 一 代 神 經(jīng) 突 觸(算機(jī)芯片完全不同于計算機(jī)設(shè)計與制造的傳統(tǒng)理念 ， 它們通過先進(jìn)算法和硅電路 ， 再現(xiàn)了發(fā)生于大腦等生物系統(tǒng)中神經(jīng)細(xì)胞和突觸之間的現(xiàn)象 。 用這種芯片造出來的系統(tǒng)被稱為 “ 認(rèn)知計算機(jī) ” ， 它們無法像傳統(tǒng)計算機(jī)一樣進(jìn)行編程 ， 但可以通過積累經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí) ， 發(fā)現(xiàn)事物之間的相互聯(lián)系 ， 模擬大腦結(jié)構(gòu)和突觸可塑性 。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 30頁 于第六代計算機(jī) 一些科學(xué)家敏感地意識到 ， 目前作為計算機(jī)核心元件的集成電路的制造工藝很快將達(dá)到極限 。因此 ， 許多發(fā)達(dá)國家的科學(xué)家已著手探討第六代計算機(jī) ， 即作為計算機(jī)的核心核心元件不是傳統(tǒng)的電子元件 ， 而是更新的光電子元件 、 超導(dǎo)電子元件或生物電子元件 。 計算機(jī)組成原理 第十章計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2015年 12月 17日 第 31頁 本章小結(jié) 計算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成 。 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟件 、 硬件功能分配和對軟件 、 硬件界面的確定 。 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 、 計算機(jī)組成和計算機(jī)實(shí)現(xiàn)是三個不同的概念 。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計算機(jī)系統(tǒng)的軟 、 硬件的界面 ，計算機(jī)組成是計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn) ， 計算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn) 。 并行性包含兩方面意思：同時性和并行性 。 主要表現(xiàn)為時間重疊 、 資源重復(fù)和資源共享 。 為了使計算機(jī)能夠處理越來越復(fù)雜的問題 ， 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計者把注