计算机系统结构 (第4讲) 主讲人： 郑纬民 教授 清华大学计算机系
计算机系统结构 （第4讲） 主讲人： 郑纬民 教授 清华大学计算机系
第一章基本概念 1.1计算机系统结构的定义 1.2计算机系统的评价标准 1.3计算机系统的设计方法 1.4计算机系统结构的发展 1.5计算机系统的分类
第一章 基本概念 1.1 计算机系统结构的定义 1.2 计算机系统的评价标准 1.3 计算机系统的设计方法 1.4 计算机系统结构的发展 1.5 计算机系统的分类
1.4计算机系统结构的发展 1.4.1冯诺依曼（Van Nenmann)结构 基本思想于1936年~1946年期间形成 由冯·诺依曼等人于1946年提出 1.特点：存储程序运算器为中心集中控制 存储器是字长固定的、顺序线性编址的一维结构。 存储器提供可按地址访问的一级地址空间，每个 地址是唯一定义的
1.4 计算机系统结构的发展 1.4.1 冯·诺依曼(Van Nenmann)结构 基本思想于1936年～1946年期间形成 由冯·诺依曼等人于1946年提出 1. 特点：存储程序 运算器为中心 集中控制 存储器是字长固定的、顺序线性编址的一维结构。 存储器提供可按地址访问的一级地址空间，每个 地址是唯一定义的
由指令形式的低级机器语言驱动。 指令顺序执行，即一般按照指令在存储器中 存放的顺序执行，程序分支由转移指令实 现 运算器为中心，输入输出设备与存储器之间 的数据传送都途经运算器。运算器、存储 器、输入输出设备的操作以及它们之间的 联系都由控制器集中控制。 2.改进：存储程序，存储器为中心，分散控制 从基于串行算法变为适应并行算法，出现了 向量计算机，并行计算机、多处理机等
由指令形式的低级机器语言驱动。 指令顺序执行，即一般按照指令在存储器中 存放的顺序执行，程序分支由转移指令实 现。 运算器为中心，输入输出设备与存储器之间 的数据传送都途经运算器。运算器、存储 器、输入输出设备的操作以及它们之间的 联系都由控制器集中控制。 2. 改进：存储程序，存储器为中心，分散控制 从基于串行算法变为适应并行算法，出现了 向量计算机，并行计算机、多处理机等
控制器 输入设备 运算器 ALU 输出设备 存储器 高级语言与机器语言的语义距离缩小，出 现了面向高级语言机器和直接执行高级 语言机器
控制器 运算器 ALU 存储器 输入设备 输出设备 高级语言与机器语言的语义距离缩小，出 现了面向高级语言机器和直接执行高级 语言机器
硬件子系统与操作系统和数据库管理系统 软件相适应，出现了面向操作系统机器 和数据库计算机等 从传统的指令驱动型改变为数据驱动型和 需求驱动型，出现了数据流机器和归约 机。 为适应特定应用环境而出现了各种专用计 算机，如快速傅里叶变换机器、过程控 制计算机等 为获得高可靠性而研制容错计算机
硬件子系统与操作系统和数据库管理系统 软件相适应，出现了面向操作系统机器 和数据库计算机等。 从传统的指令驱动型改变为数据驱动型和 需求驱动型，出现了数据流机器和归约 机。 为适应特定应用环境而出现了各种专用计 算机，如快速傅里叶变换机器、过程控 制计算机等。 为获得高可靠性而研制容错计算机
功能分散化、专业化，出现了各种功能分 布计算机，包括外围处理机、通信处理 机等。 出现了与大规模、超大规模集成电路相适 应的计算机系统结构。 出现了处理非数值化信息的智能计算机， 例如自然语言、声音、图形和图象处理 等 3.非冯计算机的发展
功能分散化、专业化，出现了各种功能分 布计算机，包括外围处理机、通信处理 机等。 出现了与大规模、超大规模集成电路相适 应的计算机系统结构。 出现了处理非数值化信息的智能计算机， 例如自然语言、声音、图形和图象处理 等。 3. 非冯计算机的发展
1.4.2器件发展对系统结构的影响 第1~4代计算机以器件来划分 在相当长一段时间内，是提高计算机速 度的主要途径 1.器件发展的特点：用4句话概括 集成度迅速提高，速度已接近极限， 价格直线下降， 可靠性越来越高 集成度迅速提高 目前水平：每0.25平方英寸108个晶体管： 单芯片内可以做256Mb存储器，CPU+ 部分Cache
1.4.2 器件发展对系统结构的影响 第1～4代计算机以器件来划分 在相当长一段时间内，是提高计算机速 度的主要途径 1. 器件发展的特点：用4句话概括： 集成度迅速提高，速度已接近极限， 价格直线下降， 可靠性越来越高 集成度迅速提高 目前水平：每0.25平方英寸108个晶体管； 单芯片内可以做256Mb存储器，CPU＋ 部分Cache
每5年左右提高一个数量级： 到2018年，单芯片内可以做100个处理机 速度已接近极限 目前CPU主频已经到达1000MHz,门延 迟0.1ns; 极限速度：30万公里/秒=3cm/0.1ns=3 mm/0.01ns 器件速度发展的余地很小 根据摩尔定理，处理机速度每10年要提 高100倍 将来处理机速度提高主要靠系统结构、 组成和实现技术
每5年左右提高一个数量级； 到2018年，单芯片内可以做100个处理机 速度已接近极限 目前CPU主频已经到达1000MHz，门延 迟0.1ns； 极限速度：30万公里/秒＝3cm/0.1ns＝３ mm/0.01ns 器件速度发展的余地很小 根据摩尔定理，处理机速度每10年要提 高100倍 将来处理机速度提高主要靠系统结构、 组成和实现技术
价格直线下降 例如：CPU芯片刚推出时1000美元，一年 后降到200美元 可靠性越来越高 芯片可靠性到达108小时，即连续使用1万 年以上 失效率入 使用期 时间t
价格直线下降 例如：CPU芯片刚推出时1000美元，一年 后降到200美元 可靠性越来越高 芯片可靠性到达108小时，即连续使用1万 年以上 失效率 时间t 使用期