计算机系统结构 课件 编著:陈建铎 设计:程俊波 西安石油大学计算机学院 sack
计算机系统结构 课件 编著:陈建铎 设计:程俊波 西安石油大学计算机学院
且录 第一章计算机系统结构的基本概念 第二章数据与指令系统设计 第三章存储器体系结构 第四章标量流水线技术 第五章向量流水与向量处理机 第六章互连网络 第七章并行处理技术与SIMD阵列机 第八章多处理机 第九章计算机体系结构的发展
目录 第一章 计算机系统结构的基本概念 第二章 数据与指令系统设计 第三章 存储器体系结构 第四章 标量流水线技术 第五章 向量流水与向量处理机 第六章 互连网络 第七章 并行处理技术与SIMD阵列机 第八章 多处理机 第九章 计算机体系结构的发展
第1章计算机系统结构的基本概念 内容提要 本章首先简要介绍计算机系统结构的含义、层次结构类型,然后讲 述计算机系统结构性能分析的方法、计算机系统结构的发展及计算机系 统的成本、性能与价格。重点是计算机系统的层次结构、按“流″分 类、定量分柝、 Amdahl定律、影响计算机系统结构的要素。难点是计 算机系统的层次结构、按“流”分类、定量分析及Amda定律
第1章 计算机系统结构的基本概念 • 内容提要: 本章首先简要介绍计算机系统结构的含义、层次结构类型，然后讲 述计算机系统结构性能分析的方法、计算机系统结构的发展及计算机系 统的成本、性能与价格。重 点是计算机系统的层次结构、按“流”分 类、定量分析、Amdahl定律、影响计算机系统结构的要素。难点是计 算机系统的层次结构、按“流”分类、定量分析及Amdahl定律
第1章计算机系统 结构的基本概念 1.1概述 1.2计算机系统结构的定义与内涵 1.3计算机系统结构的类型 1.4计算机系统性能分析 1.5计算机系统结构的发展过程 1.6计算机系统的成本、性能与价格
第1章 计算机系统 结构的基本概念 1.1 概 述 1.2 计算机系统结构的定义与内涵 1.3 计算机系统结构的类型 1.4 计算机系统性能分析 1.5 计算机系统结构的发展过程 1.6 计算机系统的成本、性能与价格
1.1概述 自从上世纪40年代上第一台数字计算机诞生以来,其结构、 规模、类型、性能、应用领域发生了翻天覆地的变化,其中决 定因素是器件和系统结构的发展与变化。人们把计算机的发展 过程归结为四个历史时期,也称为四代。现在,正在向第五代 发展。各历史时期及其主要特征如表1.1所示
1.1概 述 自从上世纪40年代上第一台数字计算机诞生以来，其结构、 规模、类型、性能、应用领域发生了翻天覆地的变化，其中决 定因素是器件和系统结构的发展与变化。人们把计算机的发展 过程归结为四个历史时期，也称为四代。现在，正在向第五代 发展。各历史时期及其主要特征如表1.1 所示
表1.1计算机的发展历史 特征 年代 器件 结构 软件 典型机器 第一代 电子管和存储程序计算机 机器语言与 1945-1954年 继电器 程序控制IO 汇编语 ENIAC、IBM701 第二代 晶体管、磁芯 浮点数据表示、多寻址高级语言与编译、批 Univac LARC 1955-1964年 印刷电路 方式、中断技术、IO 处理技术与 CDC 1604 处理机 监控系统 IBM 7030 第三代ss、多层微程序控制器、流水线多道程序处理 IBM360/370 1965-1974年 印刷电路 分时操作系统 CDC6600/7600 先行处理、系列机 DEC PDP-8 第四代LS、ⅥSI、半导向量处理、并行计算、 并行与分布式 Cray-I IBM 3090 DEC VAX 9000 1975-1990年 体存储器 分布式存储器 处理 Convax -I 第五代高性能微处理器、超标量、超级流水线|大规模可扩展并行与 SGI Cray T3E 1991—现在 高密度器件 分布式处理 IBM SP2 DEC SMP、MP、MPP AlphaServer 8400
表1.1 计算机的发展历史 特征 年代 器 件 结 构 软 件 典型机器 第一代 1945—1954年 电子管和 继电器 存储程序计算机 程序控制I/O 机器语言与 汇编语言 ENIAC、IBM 701 第二代 1955—1964年 晶体管、磁芯、 印刷电路 浮点数据表示、多寻址 方式、中断技术、I/O 处理机 高级语言与编译、批 处理技术与 监控系统 Univac LARC CDC 1604 IBM 7030 第三代 1965—1974年 SSI、MSI、多层 印刷电路 微程序控制器、流水线 技术、Cache、 先行处理、系列机 多道程序处理 分时操作系统 IBM 360/370 CDC 6600/7600 DEC PDP-8 第四代 1975—1990年 LSI、VLSI、半导 体存储器 向量处理、并行计算、 分布式存储器 并行与分布式 处理 Cray-1 IBM 3090 DEC VAX 9000 Convax-1 第五代 1991—现在 高性能微处理器、 高密度器件 超标量、超级流水线 SMP、MP、MPP 大规模可扩展并行与 分布式处理 SGI Cray T3E IBM SP2 DEC AlphaServer 8400
计算机科学家恩斯洛( H Enslow)曾对1965~1975年间计算机的 发展进行了硏究。结果表明,计算机系统的性能提高了100倍,其中10 倍归功于器件的发展,而另外10倍归于系统结构的变化。 在计算机进入第四代以后,人们认为第五代计算机应当是智能化计 算机。但是,经过多年的努力,一时还难以实现。 而在上世纪90年代以后,计算机的硬件体系结构有了新的突破性的 发展,于是人们把其归结为第五代系统结构的发展时期。典型机种除了 表1.1中所列举的几种之外,还有 Fujitsu的VPP500、 Cray research的MPP、 Thinking Machines公 司的CM-5、 Intel超级计算机系统 Paragon、SG的 Origin.2000以及 SUN10000服务器等。 目前,就计算机的规模而言,有微型机、小型机、中型机、大型机 和巨型机;就计算机的体系结构而言,有标量流水机、向量流水机、阵 列机、并行多处理机、数据流机以及规约机等;另外,人工智能计算机 仍然在发展之中
计算机科学家恩斯洛(P.H.Enslow)曾对1965～1975年间计算机的 发展进行了研究。结果表明，计算机系统的性能提高了100倍，其中10 倍归功于器件的发展，而另外10倍归于系统结构的变化。 在计算机进入第四代以后，人们认为第五代计算机应当是智能化计 算机。但是，经过多年的努力，一时还难以实现。 而在上世纪90年代以后，计算机的硬件体系结构有了新的突破性的 发展，于是人们把其归结为第五代系统结构的发展时期。典型机种除了 表1.1中所列举的几种之外，还有： Fujitsu的VPP500、Cray Research的MPP、Thinking Machines公 司的CM-5、Intel超级计算机系统Paragon、SGI的Origin2000以及 SUN 10000服务器等。 目前，就计算机的规模而言，有微型机、小型机、中型机、大型机 和巨型机；就计算机的体系结构而言，有标量流水机、向量流水机、阵 列机、并行多处理机、数据流机以及规约机等；另外，人工智能计算机 仍然在发展之中
在进入上世纪80年代以后,由于软件技术的发展,对计算机 系统结构的发展也起到了一定的促进作用。一方面是对汇编语言 的要求有所降低,放宽了对目标代码兼容性的苛刻要求;另一方 面,与厂商无关、类似于UNX操作系统那样的标ⅶ准化的建立,使 新的系统结构的设计成本与风险有所降低,这就促使许多厂商相 继推岀了许多新型计算机,比如小巨型机、高性能的微处理机、 工程工作站以及各种多处理机等。 在微型计算机的发展中,随着芯片集成度的提高,一方面向工 程工作站、小型机靠拢;另一方面,各种高性能的微控制器、嵌 入式芯片大量涌现出来,广泛地用于自动控制、电信和智能化仪 器仪表中。 在进入80年代以后,另—个突破性的进展出现了。这就是精简 指令系统计算机RISC,它是对CISC计算机的一种挑战,使计算机 的体系结构再一次发生了质的改变
在进入上世纪80年代以后，由于软件技术的发展，对计算机 系统结构的发展也起到了一定的促进作用。一方面是对汇编语言 的要求有所降低，放宽了对目标代码兼容性的苛刻要求；另一方 面，与厂商无关、类似 于UNIX操作系统那样的标准化的建立，使 新的系统结构的设计成本与风险有所降低，这就促使许多厂商相 继推出了许多新型计算机，比如小巨型机、高性能的微处理机、 工程工作站以及各种多处理机等。 在微型计算机的发展中，随着芯片集成度的提高，一方面向工 程工作站、小型机靠拢；另一方面，各种高性能的微控制器、嵌 入式芯片大量涌现出来，广泛地用于自动控制、电信和智能化仪 器仪表中。 在进入80年代以后，另一个突破性的进展出现了。这就是精简 指令系统计算机RISC，它是对CISC计算机的一种挑战，使计算机 的体系结构再一次发生了质的改变
1.2计算机系统结构的 定义与内涵 1.2.1计算机系统的层次结构 122计算机系统结构的定义 与内涵 1.23计算机系统的组成与实 现
1.2 计算机系统结构的 定义与内涵 1.2.1 计算机系统的层次结构 1.2.2 计算机系统结构的定义 与内涵 1.2.3 计算机系统的组成与实 现
1.2.1计算机系统的层次结构 随着软件技术的 L6应用语言级 虚拟机 发展,人们使用不同 L5高级语言级 虚拟机 的高级语言编程,站应用件 L4汇编语言级 虚拟机 在不同的层面上使用 L3操作系统级 虚拟机 计算机。于是,产生 硬、软件界面 了计算机系统的多层 硬件|L2机器语言(传统机器)级物理机 次结构,如图11 L1微程序机器级 固件 所示。 0电子线路级 图1.1计算机系统的层次结构
1.2.1计算机系统的层次结构 随着软件技术的 发展，人们使用不同 的高级语言编程，站 在不同的层面上使用 计算机。于是，产生 了计算机系统的多层 次结构，如图1.1 所示。 图1.1 计算机系统的层次结构