計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1

1、計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程介紹 Computer Architecture “建筑學(xué)”、“建筑物的設(shè)計(jì)或式樣”， 通常是指一個(gè)系統(tǒng)的外貌。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 研究?jī)?nèi)容 從外部來(lái)研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 使用者所看到的物理計(jì)算機(jī)的抽象 編寫出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所 必須了解到的計(jì)算機(jī)的屬性。 軟硬件功能分配及分界面的確定 學(xué)習(xí)目的 建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念 學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法 掌握新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工 作原理 與其他課程的交叉 主要包括：計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)操作系 統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微機(jī)原理、高 級(jí)語(yǔ)言等 新內(nèi)容：超標(biāo)量處理機(jī)、超流

2、水線處理機(jī)、 向量處理機(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)等 交叉點(diǎn)內(nèi)容：提高，建立完整概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正處于變革時(shí)期 軟件、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成技術(shù)，兩頭發(fā)展快、 中間慢 非馮計(jì)算機(jī)正興起 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展時(shí)期已經(jīng)到來(lái) 教材 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，李學(xué)干，西安電子科技大 學(xué)出版社，2011 目錄 第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及并行性的開(kāi)發(fā) 第2章數(shù)據(jù)表示、尋址方式與指令系統(tǒng) 第3章存儲(chǔ)、中斷、總線與輸入/輸出系統(tǒng) 第4章存儲(chǔ)體系 第5章標(biāo)量處理機(jī) 第6章向量處理機(jī) 第7章多處理機(jī) 第8章數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)和歸約機(jī) 第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及 并行性的開(kāi)發(fā) 1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)

3、 算機(jī)實(shí)現(xiàn) 1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件取舍和性能 評(píng)測(cè)及定量設(shè)計(jì)原理 1.4 軟件、應(yīng)用、器件的發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)的影響 1.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性開(kāi)發(fā)及計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)分類 1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) l現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是通過(guò)執(zhí)行指令來(lái)解決問(wèn)題的 l由軟件和硬件兩大部分組成 l程序的執(zhí)行，一種方式是翻譯translation l另一種方式是解釋interpretation l把以軟件為主實(shí)現(xiàn)的機(jī)器，稱為虛擬機(jī)器 l把由硬件和固件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器稱為實(shí)際機(jī)器 1. 虛擬機(jī)概念 從不同角度所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性 是不同的，包括： 高級(jí)語(yǔ)言程序員、匯編語(yǔ)言程序員、系 統(tǒng)管理員、硬件設(shè)計(jì)者 大部分人對(duì)計(jì)算機(jī)的認(rèn)識(shí)

4、只需要在某一 個(gè)層次上 傳統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器級(jí)M1 具有L1機(jī)器語(yǔ)言(機(jī)器指令系統(tǒng)) 2. 層次結(jié)構(gòu) (接下頁(yè)) 微程序機(jī)器級(jí)M0 具有L0機(jī)器語(yǔ)言(微指令系統(tǒng)) 第0級(jí) 微指令由硬 件直接執(zhí)行 第1級(jí) 用微指令程 序解釋機(jī)器 指令 匯編語(yǔ)言機(jī)器級(jí)M3 具有L3機(jī)器語(yǔ)言(匯編語(yǔ)言) 操作系統(tǒng)機(jī)器級(jí)M2 具有L2機(jī)器語(yǔ)言(作業(yè)控制語(yǔ)言等) 第2級(jí) 一般用機(jī)器 語(yǔ)言程序解 釋作業(yè)控制 語(yǔ)句等 第3級(jí) 匯編語(yǔ)言程 序經(jīng)匯編程 序翻譯成機(jī) 器語(yǔ)言程序 應(yīng)用語(yǔ)言機(jī)器級(jí)M5 具有L5機(jī)器語(yǔ)言(應(yīng)用語(yǔ)言) 高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器級(jí)M4 具有L4機(jī)器語(yǔ)言(高級(jí)語(yǔ)言) 第4級(jí) 高級(jí)語(yǔ)言程 序經(jīng)編譯程 序翻譯成匯 編語(yǔ)言（或

5、某種中間語(yǔ) 言或機(jī)器語(yǔ) 言程序） 第5級(jí) 應(yīng)用語(yǔ)言程 序經(jīng)應(yīng)用程 序包翻譯成 高級(jí)語(yǔ)言程 序 3. 層次結(jié)構(gòu)說(shuō)明 第0級(jí):由硬件實(shí)現(xiàn),硬聯(lián)邏輯，實(shí)現(xiàn)微指令 本身的控制順序 第1級(jí):由微程序?qū)崿F(xiàn) 第0級(jí)+第1級(jí)=CPU 第2級(jí)至第6級(jí)由軟件實(shí)現(xiàn)(由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī) 器稱為：虛擬機(jī)) 第2級(jí):是傳統(tǒng)指令系統(tǒng)（機(jī)器語(yǔ)言）機(jī)器, 定義了計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng) 第3級(jí):操作系統(tǒng)機(jī)器,指出了計(jì)算機(jī)的功能 和腳本 第4級(jí):匯編語(yǔ)言機(jī)器 第5級(jí):高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器 第 6級(jí):應(yīng)用語(yǔ)言機(jī)器 從學(xué)科領(lǐng)域來(lái)劃分 第0和第1級(jí)屬于計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第3至第5級(jí)是系統(tǒng)軟件 第6級(jí)是應(yīng)用軟件 程序員使用計(jì)算機(jī) 非程序員使用計(jì)算機(jī) 它

6、們之間仍有交叉 第0級(jí)要求一定的數(shù)字邏輯基礎(chǔ) 第2級(jí)涉及匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容 第3級(jí)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 在特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，有些級(jí)別可 能不存在。 機(jī)器的組成和作用 廣義語(yǔ)言 解釋或編譯 虛擬計(jì)算機(jī) 觀察者作用對(duì)象 1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì) 算機(jī)實(shí)現(xiàn) 1.2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義和內(nèi)涵 1. 定義一 從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各級(jí)界面的定義 及其上下的功能分配。 AMdahl于1964年在推出IBM360系列計(jì)算 機(jī)時(shí)提出：程序員所看到的計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性 高級(jí)程序員看到的是：軟件子系統(tǒng)和固件子系統(tǒng)的屬 性，包括

7、程序語(yǔ)言以及操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、 網(wǎng)絡(luò)軟件等用戶界面。 程序設(shè)計(jì)者：使指為機(jī)器語(yǔ)言或編譯程序設(shè)計(jì)者所看到的 屬性：數(shù)據(jù)表示、尋址方式、寄存器定義、數(shù)據(jù)和使用 方式、指令系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、機(jī)器工作狀態(tài)的切換，輸 入和輸出結(jié)構(gòu)傳送方式等。不包括基本：數(shù)據(jù)論、控制 論、邏輯設(shè)計(jì)和物理實(shí)現(xiàn)等。 具體的屬性如下： 數(shù)據(jù)表示：硬件能夠直接認(rèn)別和處理的數(shù)據(jù)類型和格式； 尋址方式：最小尋址單位、尋址方式的種類和地址運(yùn)算等； 寄存器組織：操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存器及 專用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則等； 指令系統(tǒng)：機(jī)器指令的操作類型、格式，指令間的排序和 控制機(jī)制等； 中斷系統(tǒng)：中斷類型、中斷級(jí)別

8、和中斷響應(yīng) 方式等； 存儲(chǔ)系統(tǒng)：最小編址單位、編址方式、主存 容量、最大尋址空間等； 處理機(jī)工作狀態(tài)：定義和切換方式，如管態(tài) 和目態(tài)等； 輸入輸出系統(tǒng)：連接方式、數(shù)據(jù)交換方式、 數(shù)據(jù)交換過(guò)程的控制等； 信息保護(hù)：包括信息保護(hù)方式和硬件對(duì)信息 保護(hù)的支持等。 2. 透明性概念 本來(lái)存在的事物或?qū)傩?，從某種角度看似乎不 存在,即: 確定存在 用戶無(wú)法控制和設(shè)置 例如：浮點(diǎn)數(shù)表示、乘法指令 對(duì)高級(jí)語(yǔ)言程序員、應(yīng)用程序員透明 對(duì)匯編語(yǔ)言程序員、機(jī)器語(yǔ)言程序員 不透 明 例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序 對(duì)匯編語(yǔ)言程序員、機(jī)器語(yǔ)言程序員 透明 對(duì)硬件設(shè)計(jì)者、計(jì)算機(jī)維修人員不透明 3. 定義二：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主

9、要研究軟 硬件功能分配和對(duì)軟硬件界面的確定 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由軟件、硬件和固器組成， 它們?cè)诠δ苌鲜峭鹊摹?同一種功能可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用 軟件或固件實(shí)現(xiàn)。 不同的組成只是性能和價(jià)格不同。 1.1.3計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn) l計(jì)算機(jī)組成(CoMputer Organization)指的是計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)， 包括機(jī)器級(jí)內(nèi)的數(shù)據(jù)流 和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。 一般計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)包括： 確定數(shù)據(jù)通路的寬度 確定專用部件的設(shè)置 確定各種操作對(duì)功能部件的共享程度 確定功能部件的并行度 確定控制機(jī)構(gòu)的組成方式 設(shè)計(jì)緩沖和排隊(duì)策略 設(shè)計(jì)預(yù)估、預(yù)判技術(shù) 設(shè)計(jì)采用何種可靠性技術(shù) l 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 計(jì)

10、算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)， 包括： 處理機(jī)、主存儲(chǔ)器等部件的物理結(jié)構(gòu) 器件的集成度和速度 專用器件的設(shè)計(jì) 器件、模塊、插件、底版的劃分與連接 信號(hào)傳輸技術(shù) 電源、冷卻及裝配技術(shù)，相關(guān)制造工藝 及技術(shù)等 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)互不相同，但 又相互影響。 相同結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)，可以采用不同的組成； 同一種組成可以不同的實(shí)現(xiàn)方式； 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成的基礎(chǔ)，其技術(shù) 的發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有著很大的影響； 結(jié)構(gòu)不同，采用的組成就不同； 組成不同也會(huì)影響結(jié)構(gòu)的不同； 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是進(jìn)行軟、硬件的功能分配， 確定傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的軟、硬件界面，實(shí)際包括了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組 成兩

11、個(gè)方面的內(nèi)容。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 是三個(gè)不同的概念，但隨著技術(shù)、器件和應(yīng) 用的發(fā)展，三者之間的界限越來(lái)越模糊。 *在不同時(shí)期，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)所包含的內(nèi)容會(huì)有所不 同。在某些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，在另一些計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)中可能是組成和實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容。 *系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不要對(duì)組成,實(shí)現(xiàn)有過(guò)多和不合理限制. *組成設(shè)計(jì)應(yīng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指導(dǎo)下,以目前可實(shí)現(xiàn)技術(shù)為基礎(chǔ). *實(shí)現(xiàn)應(yīng)在組成的邏輯結(jié)構(gòu)指導(dǎo)下,以目前器件技術(shù)為基礎(chǔ),以 性能價(jià)格比優(yōu)化為目標(biāo). 例1-2 l指令系統(tǒng)的確定屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的范疇； 指令的實(shí)現(xiàn)，如取指令、指令操作碼譯碼、計(jì)算操 作數(shù)地址、取數(shù)、運(yùn)算等的操

12、作安排和排序?qū)儆谟?jì) 算機(jī)組成研究的范疇；實(shí)現(xiàn)這些指令功能的具體電 路、器件的設(shè)計(jì)及裝配技術(shù)屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)研究的 范疇； l確定指令系統(tǒng)中是否要設(shè)乘法指令屬于計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的范疇；乘法指令是用專門的高速乘法 器實(shí)現(xiàn)，還是利用加法器和移位器經(jīng)一連串時(shí)序信 號(hào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)屬于計(jì)算機(jī)組成研究的范疇；乘法器、 加法器、移位器的物理實(shí)現(xiàn)，如器件的類型、集成 度、數(shù)量、價(jià)格以及微組裝技術(shù)的確定和選擇屬于 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)研究的范疇； l主存容量和編址方式（按位、按字節(jié)還是按字訪 問(wèn)）屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的范疇；為達(dá)到性能、 價(jià)格要求、主存速度要求、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于計(jì)算 機(jī)組成研究的范疇；主存器件的選定、邏輯

13、設(shè)計(jì)、 微組裝技術(shù)的使用屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)研究的范疇； 1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件取舍和性能評(píng)測(cè)及定 量設(shè)計(jì)原理 1.3.1軟、硬件取舍的基本原則 軟、硬件的功能分配是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要任務(wù) ，而軟件和硬件在邏輯功能上又是等效的。從原理上來(lái) 講軟件的功能可以用硬件或固件來(lái)完成，硬件的功能也 可以用軟件模擬完成，只是在性能、價(jià)格和實(shí)現(xiàn)的難易 上有所不同。 具有相同功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其軟、硬件功能分配比 例可以有很大的不同。 軟件 硬件 只有最必 需的硬件 目前的計(jì) 算機(jī)系統(tǒng) 程序不可 編 功能配比/% 采用何種方式實(shí)現(xiàn)，應(yīng)在滿足應(yīng)用的前提下，主要看 能否充分利用硬件、器件技術(shù)的進(jìn)展，使系統(tǒng)有高的性

14、能 價(jià)格比(對(duì)某種類型專用機(jī)除外)。 設(shè)計(jì)原則： 原則1：應(yīng)考慮在現(xiàn)有硬件、器件（主要是邏輯器件和存儲(chǔ) 器件）條件下，系統(tǒng)要有高的性價(jià)比，主要從實(shí)現(xiàn)費(fèi)用、 速度和其他性能要求來(lái)綜合考慮。 實(shí)現(xiàn)費(fèi)用主要包括設(shè)計(jì)費(fèi)用和重復(fù)生產(chǎn)費(fèi)用。 假設(shè)某功能的軟、硬件實(shí)現(xiàn)的每次設(shè)計(jì)費(fèi)用分別為Ds和Dh，由于硬件的 設(shè)計(jì)費(fèi)用遠(yuǎn)高于軟件的設(shè)計(jì)費(fèi)用。所以，不妨設(shè)Dh 100Ds 同理，設(shè)軟、硬件的單次重復(fù)生產(chǎn)費(fèi)用分別為Ms， Mh ，且不妨設(shè)Mh 100Ms， 硬件一般只需要設(shè)計(jì)1次，而軟件實(shí)現(xiàn)則需要重復(fù)多次，設(shè)C為重復(fù)次 數(shù)，則該功能軟件實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)費(fèi)用為C Ds，同一功能軟件在存儲(chǔ)介質(zhì) 上可能多次復(fù)制和存儲(chǔ)，設(shè)出現(xiàn)

15、了R次，則重復(fù)生產(chǎn)費(fèi)用為R Ms 假設(shè)某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)V臺(tái)，則每臺(tái)計(jì)算機(jī)用硬件實(shí)現(xiàn) 的費(fèi)用為Dh/V+ Mh,而用軟件實(shí)現(xiàn)則為C Ds/V+ R Ms 只有當(dāng) Dh/V+ MhC Ds/V+ R Ms 時(shí)用硬件實(shí)現(xiàn)才適宜。 將上述比值代入： 100Ds/V+ 100MsC Ds/V+ R Ms 只有在C和R的值越大時(shí)，這個(gè)不等式才能成立。 而且，目前軟件的設(shè)計(jì)費(fèi)用遠(yuǎn)比重復(fù)生產(chǎn)費(fèi)用高，不妨 設(shè)Ds 104 Ms，則有 106/V+ 100104C/V+ R 因?yàn)镃一般比100小，因此，從此不等式看來(lái)，只有當(dāng)V足 夠大時(shí)，這個(gè)不等式才能成立。 原則2：要考慮準(zhǔn)備采用和可能采用的組成技術(shù)，使之盡可

16、能不要過(guò)多或不合理的限制各種組成、實(shí)現(xiàn)技術(shù)的采用。 原則3：不能僅從“硬”的角度考慮如何便于應(yīng)用組成技術(shù) 的成果和便于發(fā)揮器件技術(shù)的進(jìn)展，還應(yīng)從“軟”的角度 把如何為編譯和操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及如何為高級(jí)語(yǔ)言程序 的設(shè)計(jì)提供更多、更好的硬件支持放在首位。 1.3.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)及定量設(shè)計(jì)原理 1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)測(cè) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，主要取決于計(jì)算機(jī)的本質(zhì)屬性， 即時(shí)空屬性。各項(xiàng)指標(biāo)都圍繞著它的本質(zhì)屬性來(lái)定義。其中， 在系統(tǒng)上程序?qū)嶋H運(yùn)行的時(shí)間是衡量計(jì)算機(jī)速度性能的最可 靠標(biāo)準(zhǔn)。 計(jì)算機(jī)的性能通常用峰值性能及持續(xù)性能來(lái)評(píng)價(jià)。峰值 性能是指在理想狀態(tài)下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可獲得的最高理論性能， 不能

17、反映出系統(tǒng)的實(shí)際性能。實(shí)際性能又稱持續(xù)性能，它往 往只是峰值性能的5%30%。 持續(xù)性能的表示有算術(shù)性能平均值、調(diào)和性能平均值和 幾何性能平均值等。 n i i n i im Tn R n A 11 111 n i i n i im Tn R n A 11 111 算術(shù)性能平均值A(chǔ)m是n道程序運(yùn)算速度或運(yùn)算時(shí)間的算 術(shù)平均值。以速率評(píng)價(jià) 其中，Ti是第i個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間,Ri是第i個(gè)程序的執(zhí)行速 率。以執(zhí)行時(shí)間評(píng)價(jià),則 調(diào)和性能平均值Hm 幾何性能平均值Gm n i i n i im Tn R n A 11 111 n i im T n A 1 1 n i i n i i m T n R n

18、H 11 1 n n i i n n i im T RG) 1 ()( 11 如果考慮到工作負(fù)荷中各個(gè)程序出現(xiàn)的比例不同，則 可以加各程序的執(zhí)行時(shí)間或速率加權(quán)。由此可求得加 權(quán)后的算術(shù)平均性能、調(diào)用平均性能和幾何平均性能 值。 (1)加權(quán)算術(shù)平均值 (2)加權(quán)調(diào)和平均平均值 (3)加權(quán)幾何平均值 n i im i RG 1 )( n i i i n i iim T RA 11 1 n i ii n i i i m T R H 11 1 1 1 性能因子CPI 實(shí)際上機(jī)器性能因負(fù)荷不同而改變，不可能任何時(shí)候都達(dá)到峰值，因 此，系統(tǒng)評(píng)測(cè)總是通過(guò)執(zhí)行一系列有代表性的程序來(lái)獲得。 系統(tǒng)評(píng)測(cè)通過(guò)一系列的

19、性能指標(biāo)來(lái)表述。 計(jì)算CPU的程序執(zhí)行執(zhí)行時(shí)間TCPU有3個(gè)因素，IC：程序執(zhí)行的總 指令條數(shù)、CPI:平均每條指令的時(shí)鐘周期數(shù)、fc:主時(shí)鐘頻率,Tc時(shí)鐘周 期，則: 假設(shè)系統(tǒng)共有指令n種，第i種指令的時(shí)鐘周期數(shù)為CPIi，第i種指令在 程序中出現(xiàn)Ii次，則： 平均CPI(或有效CPI)為 c c CPU TICCPI f ICCPIT 1 c n i i c n i iCPU TICPI f ICPIT )( 1 )( 11 n i i i n i i IC I CPI IC ICPI CPI 1 1 )( )( 在這里。我們用CPU時(shí)間時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)CPU性能， 明顯，要改善CPU性能，可以

20、通過(guò)改變某一些或某幾項(xiàng)因素來(lái)實(shí) 現(xiàn)。事實(shí)上，這三個(gè)因素是相互關(guān)聯(lián)的。CPU主頻fc由硬件技術(shù)和組 成技術(shù)決定，CPI與組成和指令集有關(guān)，而指令數(shù)IC則與指令集和編 譯技術(shù)有關(guān)。 c c TICCPIICCPI f CPU 1 性能 為了反映程序的運(yùn)行速度，通常引入一些定量指標(biāo): (1)MIPS(Million Instructions Per Second，百萬(wàn)條指令數(shù)每秒) 這樣程序的執(zhí)行時(shí)間為: (2)MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second，百萬(wàn)次浮 點(diǎn)運(yùn)算每秒) 假設(shè) 表示程序運(yùn)行中浮點(diǎn)運(yùn)算總次數(shù) 6 6 10 10 CPI

21、 f T IC MIPS c CPU 6 10 CPU FN T I MFLOPS FN I 6 10 MIPS Ic TCPU 性能評(píng)測(cè)方法 l 采用實(shí)際的應(yīng)用程序測(cè)試。 l 采用核心程序測(cè)試。 l 合成測(cè)試程序。 l 綜合基準(zhǔn)測(cè)試程序。 2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的定量設(shè)計(jì)原理 在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，一般應(yīng)遵循如下定量設(shè)計(jì)原理： n哈夫曼(Huffman)壓縮原理。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，即盡量加速高概率事件的處理 n阿姆達(dá)爾(Amdahl)定律。 系統(tǒng)加速比 其中性能可改進(jìn)比 為系統(tǒng)性能可改進(jìn)部分占用的時(shí)間與未改進(jìn)時(shí)系統(tǒng) 總執(zhí)行時(shí)間比。部件加速比 是系統(tǒng)性能可改進(jìn)部分在改進(jìn)后性能提高 的比值。 當(dāng) 為0時(shí)， =1；而

22、當(dāng)部件加速比 趨于無(wú)窮大時(shí)，有 即改進(jìn)效果好的高性能系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)各部分性能均衡提高的系統(tǒng)。 n程序訪問(wèn)的局部性定律。 )1 ( 1 new p f S new f newnewnewnew old p rffT T S /)1 ( 1 new f new r new r p S 1.3.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)和方法 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù) u要弄清其應(yīng)用領(lǐng)域是專用還是通用的 u要弄清軟件兼容是放在哪級(jí)層次 u要弄清對(duì)操作系統(tǒng)有何要求 u要如何保證有高的標(biāo)準(zhǔn)化程度 設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng) 在系統(tǒng)的功能確定以后，就要考慮如何優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 使之有高的性價(jià)比。 注意減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。 應(yīng)適應(yīng)硬

23、件技術(shù)、軟件技術(shù)、器件技術(shù)、應(yīng)用需求的變化。 硬件設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮有好的擴(kuò)展性和兼容性。 2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 （1）“由下往上”設(shè)計(jì) 即從器件水平、微程序機(jī)器級(jí)到傳統(tǒng)機(jī)器到操作系 統(tǒng) （2）“由上往下”設(shè)計(jì) 先確定虛擬機(jī)器的基本特 征，往硬件方向 （3）“由中間開(kāi)始”設(shè)計(jì) a傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)到微程序級(jí)、數(shù)字邏輯級(jí) b操作系統(tǒng)級(jí)到匯編、編譯、環(huán)境 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程圖示 方法1：由上向下（Top-Down） 方法2：由下向上（BottoM-Up) 方法3：中間開(kāi)始（Middle-Out) 應(yīng)用虛擬機(jī) 高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī) 匯編語(yǔ)言虛擬機(jī) 操作系統(tǒng)虛擬機(jī) 傳統(tǒng)機(jī)器級(jí) 微程序級(jí) 硬聯(lián)邏輯級(jí) 向 上 向 下 設(shè)計(jì)

24、步驟： 需求分析 概念設(shè)計(jì) 對(duì)系統(tǒng)反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化和性能評(píng)價(jià)，使系統(tǒng)盡可能獲得較高的性價(jià)比。 馮諾依曼(Van NenMann)結(jié)構(gòu) 基本思想于1936年1946年期間形成 由馮諾依曼等人于1946年提出 1. 特點(diǎn)：存儲(chǔ)程序 運(yùn)算器為中心 集中控制 存儲(chǔ)器是字長(zhǎng)固定的、順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)。 存儲(chǔ)器提供可按地址訪問(wèn)的一級(jí)地址空間，每個(gè) 地址是唯一定義的。 1. 4 軟件、應(yīng)用、器件的發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 影響 由指令形式的低級(jí)機(jī)器語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)。 指令順序執(zhí)行，即一般按照指令在存儲(chǔ)器中 存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí) 現(xiàn)。 運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間 的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運(yùn)算器。運(yùn)算器、存

25、儲(chǔ) 器、輸入輸出設(shè)備的操作以及它們之間的 聯(lián)系都由控制器集中控制。 2. 改進(jìn)：存儲(chǔ)程序，存儲(chǔ)器為中心，分散控制 從基于串行算法變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，出現(xiàn)了 向量計(jì)算機(jī)，并行計(jì)算機(jī)、多處理機(jī)等。 控制器 運(yùn)算器 ALU 存儲(chǔ)器 輸入設(shè)備輸出設(shè)備 高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)義距離縮小，出 現(xiàn)了面向高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器和直接執(zhí)行高級(jí) 語(yǔ)言機(jī)器。 硬件子系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 軟件相適應(yīng)，出現(xiàn)了面向操作系統(tǒng)機(jī)器 和數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算機(jī)等。 從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型和 需求驅(qū)動(dòng)型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機(jī)器和歸約 機(jī)。 為適應(yīng)特定應(yīng)用環(huán)境而出現(xiàn)了各種專用計(jì) 算機(jī)，如快速傅里葉變換機(jī)器、過(guò)程控 制計(jì)算機(jī)等。 為獲得高可

26、靠性而研制容錯(cuò)計(jì)算機(jī)。 功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種功能分 布計(jì)算機(jī)，包括外圍處理機(jī)、通信處理 機(jī)等。 出現(xiàn)了與大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路相適 應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 出現(xiàn)了處理非數(shù)值化信息的智能計(jì)算機(jī)， 例如自然語(yǔ)言、聲音、圖形和圖象處理 等。 3. 非馮計(jì)算機(jī)的發(fā)展 1.4.1 軟件的發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 由于軟件生產(chǎn)率不高，且資源的高度共享， 因此必須解決好軟件的移植問(wèn)題。 軟件的可移植性(Portability)指的是軟件不修 改或只經(jīng)過(guò)少量修改就可由一臺(tái)機(jī)器移到另一臺(tái) 機(jī)器上運(yùn)行，同一軟件可應(yīng)用于不同的環(huán)境。 實(shí)現(xiàn)軟件移植的技術(shù)主要有以下幾種： 1.統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言 至今還沒(méi)有一種對(duì)各種應(yīng)

27、用真正通用的高級(jí) 語(yǔ)言，主要是因?yàn)椋?l不同的用途要求語(yǔ)言的語(yǔ)法、語(yǔ)義結(jié)構(gòu)不同。 l人們對(duì)語(yǔ)言的基本結(jié)構(gòu)看法不一。 l即使同一種高級(jí)語(yǔ)言在不同廠家的機(jī)器上也不能 完全通用。 l習(xí)慣使然，人們不愿意拋棄慣用的語(yǔ)言。 2.采用系列機(jī) 在一定范圍內(nèi)不同型號(hào)的機(jī)器之間統(tǒng)一匯編語(yǔ) 言，就可以在一定程度上解決匯編語(yǔ)言軟件的移植。 系列機(jī)是在設(shè)定好一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（在系列機(jī)中 稱系列結(jié)構(gòu)），以中間向兩邊設(shè)計(jì)的方式，根據(jù)不 同的組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)研制而成不同檔次的機(jī)器。 系列機(jī)具有軟件兼容性(Software Compatibility)，是通過(guò)采用相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí) 現(xiàn)的。 系列內(nèi)各檔機(jī)之間軟件兼容從速度和性能上

28、有向上和向下兼容之分。向上(下)兼容指的是按某 檔機(jī)器編制的軟件，不加修改就能運(yùn)行于比它高 (低)檔的機(jī)器。 隨著器件等技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)機(jī)內(nèi)后續(xù)出現(xiàn) 的各檔機(jī)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許發(fā)展和變化，總體來(lái)說(shuō) 應(yīng)當(dāng)保證向后兼容，向上兼容。向前(后)兼容指的 是在按某個(gè)時(shí)期投入市場(chǎng)的該型號(hào)機(jī)上編制的軟件， 不加修改就能運(yùn)行于在其之前(后)投入市場(chǎng)的機(jī)器 上。 低檔中檔高檔 性能 價(jià)格 性價(jià)比 3模擬和仿真 1)模擬 (Simulation) A機(jī)器 B虛擬機(jī)器 高級(jí)語(yǔ)言 虛擬機(jī)器級(jí) 匯編語(yǔ)言 虛擬機(jī)器級(jí) 操作系統(tǒng) 虛擬機(jī)器級(jí) 傳統(tǒng)機(jī)器級(jí) (機(jī)器語(yǔ)言級(jí)) 微程序 機(jī)器級(jí) 應(yīng)用程序級(jí) 操作系統(tǒng) 虛擬機(jī)器級(jí) 機(jī)器語(yǔ)

29、言 (虛擬機(jī)器級(jí)) 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要方面指令系統(tǒng)來(lái)看，就是要在一 種機(jī)器上實(shí)現(xiàn)另一種機(jī)器的指令系統(tǒng)。 如要求原來(lái)在B上能運(yùn)行的應(yīng)用軟件，能移植到有不同 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的A機(jī)上。根據(jù)層次結(jié)構(gòu)概念，可把B的機(jī)器語(yǔ)言 看成是A機(jī)器的機(jī)器語(yǔ)言級(jí)之上的一個(gè)虛擬的機(jī)器語(yǔ)言，在 A機(jī)上有虛擬機(jī)概念來(lái)實(shí)現(xiàn)B機(jī)器上的指令系統(tǒng)。如上圖所 示，B的每條指令用A機(jī)的一條機(jī)器語(yǔ)言程序解釋。 進(jìn)行模擬的A機(jī)稱為宿主機(jī)，被模擬的B機(jī)稱為虛擬機(jī)。 不足之處： 模擬程序的編制是十分復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的，不僅要模擬虛擬 機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言，還要模擬其存儲(chǔ)體系、I/O系統(tǒng)、控制臺(tái)操 作等。 運(yùn)行速度低，實(shí)時(shí)性較差。 2）仿真 (Emulation)

30、高級(jí)語(yǔ)言 虛擬機(jī)器級(jí) 操作系統(tǒng) 虛擬機(jī)器級(jí) 傳統(tǒng)機(jī)器級(jí) (A機(jī)器語(yǔ)言) 微程序 機(jī)器級(jí) 應(yīng)用程序級(jí) 操作系統(tǒng) 虛擬機(jī)器級(jí) 傳統(tǒng)機(jī)器級(jí) (B機(jī)器語(yǔ)言) A機(jī)器 B虛擬機(jī)器 如上圖所示，用微程序直接解釋另一種機(jī)器指令系統(tǒng) 的方法稱為仿真。 進(jìn)行仿真的A機(jī)器稱為宿主機(jī)，被仿真的機(jī)器稱為目標(biāo) 機(jī)。 不足之處：與模擬一樣，要仿真目標(biāo)機(jī)的存儲(chǔ)體系、 I/O系統(tǒng)、控制臺(tái)操作等；當(dāng)兩種機(jī)器結(jié)構(gòu)差別大時(shí)，仿真 難度大； 兩者區(qū)別兩者區(qū)別 仿真與模擬的區(qū)別在于解釋用的語(yǔ)言：仿真是用微程 序解釋，其解釋程序存在于控制存儲(chǔ)器中；模擬是用機(jī)器 語(yǔ)言程序解釋，其解釋程序存在于主存中。 1. 兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì) 維持價(jià)格不變，利

31、用VLSI技術(shù)等，提高性能 普通PC微處理器芯片價(jià)格較穩(wěn)定，但性能提高很快 性能基本不變，價(jià)格迅速下降 一般先推出中間機(jī)型，然后分別向高端和低端兩個(gè)方 向發(fā)展；例如：PentiuMII，80486等 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)看，各型（檔）計(jì)算機(jī)性能隨時(shí)間 推移，其實(shí)就是在低檔（型）機(jī)上引用甚至照搬高 檔（型）機(jī)的結(jié)構(gòu)和組成。 1.4.2 應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響 t-3t-2t-1tt+1t+2 年代 大型機(jī) 中型機(jī) 小型機(jī) 微型機(jī) 亞微型機(jī) 微微型機(jī) 巨型機(jī)價(jià)格 (對(duì)數(shù)坐標(biāo)) 虛線為等性能線 2. 應(yīng)用需求 今后10年，需要專門為以下領(lǐng)域設(shè)計(jì)高效率的系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)： 高結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算：氣象模型、流體流

32、動(dòng)、有限 元分析。 非結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算：蒙特卡洛模擬、稀疏矩陣。 實(shí)時(shí)多因素問(wèn)題：語(yǔ)音識(shí)別、圖象處理、計(jì)算機(jī)視 覺(jué)。 大存儲(chǔ)器容量和輸入輸出密集的問(wèn)題： 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、事務(wù)處理系統(tǒng)。 圖形學(xué)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 人工智能：面向知識(shí)的系統(tǒng)、推理系統(tǒng)。 3. 三個(gè)時(shí)期 通用計(jì)算機(jī)：主要是通用科學(xué)計(jì)算 專用計(jì)算機(jī)：科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制 高性能通用機(jī)：滿足多種需求 4. 三種設(shè)計(jì)思想 最高性能價(jià)格比：商用機(jī)。主要發(fā)展方向 最高性能：國(guó)家安全需要，科技發(fā)展需要 銀河3 最低價(jià)格：家用學(xué)習(xí)機(jī)等 1.4.3 器件發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 第14代計(jì)算機(jī)以器件來(lái)劃分 在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，是提高計(jì)算機(jī)

33、速度的 主要途徑 1. 器件發(fā)展的特點(diǎn)：用4句話概括： 集成度迅速提高，速度已接近極限， 價(jià)格直線下降， 可靠性越來(lái)越高 集成度迅速提高 目前水平：每0.25平方英寸108個(gè)晶體管； 單芯片內(nèi)可以做256Mb存儲(chǔ)器，CPU部分 Cache 每5年左右提高一個(gè)數(shù)量級(jí)； 到2018年，單芯片內(nèi)可以做100個(gè)處理機(jī) 速度已接近極限 目前CPU主頻已經(jīng)到達(dá)1000MHz，門延遲 0.1ns； (默認(rèn)主頻最高還是3.8，是INTEL的CPU，超頻的話，最高8G+， 還是INTEL的。AMD新的推土機(jī)也有在液氮下超到8G+的。) 極限速度：30萬(wàn)公里/秒3cM/0.1ns MM/0.01ns 器件速度發(fā)展

34、的余地很小 根據(jù)摩爾定理，處理機(jī)速度每10年要提高 100倍 將來(lái)處理機(jī)速度提高主要靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成 和實(shí)現(xiàn)技術(shù) 價(jià)格直線下降 例如：CPU芯片剛推出時(shí)1000美元， 一年后降到200美元 可靠性越來(lái)越高 芯片可靠性到達(dá)108小時(shí)，即連續(xù)使用1 萬(wàn)年以上 失效率 時(shí)間t 使用期 2. 器件發(fā)展對(duì)組成技術(shù)的影響 器件速度與處理機(jī)工作主頻 1955年第一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)IBM704機(jī) 處理機(jī)主頻：12us，門延遲：0.5us 1976年巨型向量計(jì)算機(jī)CRAY，采用ECL 電路 處理機(jī)主頻：12.5ns，門延遲：0.5ns 目前: PentiuMIII 600MHz， Alpha 1000MHz 處理機(jī)

35、主頻：1.2ns，門延遲 0.1ns 器件速度與指令執(zhí)行時(shí)間 40多年來(lái)，器件速度提高小于104；指 令執(zhí)行加快108 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成技術(shù)的作用 器件速度的提高最慢，已經(jīng)沒(méi)有太大 潛力 處理機(jī)主頻提高的速度已經(jīng)減緩 指令執(zhí)行速度的提高基本保持不變 3. 器件發(fā)展對(duì)設(shè)計(jì)方法的影響 計(jì)算機(jī)組成技術(shù)下移 原來(lái)只有在巨型機(jī)、大型機(jī)中采用 的技術(shù)，已經(jīng)用到微型機(jī)中 先行(Lookahead)、超標(biāo)量、超流水 線、Cache、多體交叉 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法下移 第1代計(jì)算機(jī)，幾乎全部由硬件人員設(shè) 計(jì) 第2、3、4代，由應(yīng)用、軟件、硬件和器 件人員共同設(shè)計(jì) 將來(lái)：除器件設(shè)計(jì)之外，主要是軟件 設(shè)計(jì) 邏輯設(shè)計(jì)方法改變

36、 過(guò)去邏輯設(shè)計(jì)很重要，盡量節(jié)省每 一個(gè)芯片，每一個(gè)門 目前的設(shè)計(jì)主要考慮：了解市場(chǎng)， 盡量選擇通用芯片、標(biāo)準(zhǔn)芯片；結(jié)構(gòu) 化設(shè)計(jì)，規(guī)整、易讀、易診斷 1.5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性開(kāi)發(fā)及計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)的分類 1.5.1并行性的概念和開(kāi)發(fā) 1.并行性的含義與級(jí)別 把解題中具有可以同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算或操作的特性，稱 為并行性(Parallelism)。 并行性包含同時(shí)性和并發(fā)性二重含義。 同時(shí)性(Simultaneity)指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí) 刻發(fā)生； 并發(fā)性(Concurrency)指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí) 間間隔內(nèi)發(fā)生。 從不同的角度，并行性有不同的級(jí)別： (1)從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行程序的角度看 指令內(nèi)部 指

37、令之間 任務(wù)或進(jìn)程之間 作業(yè)或程序之間 (2)從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù)的角度來(lái)看 位串字串 位并字串 位片串字并 全并行 (3)從計(jì)算機(jī)信息加工的步驟和階段來(lái)看 存儲(chǔ)器操作并行 處理器操作步驟并行 處理器操作并行 指令、任務(wù)、作業(yè)并行 2.并行性開(kāi)發(fā)的途徑 （1）時(shí)間重疊 (Time Interleaving) 取指分析執(zhí)行 指令流水線 指令在流水線各部件中流過(guò)的時(shí)間關(guān)系 取指 分析 執(zhí)行 k k k K+1 K+1 K+1 K+2 K+2 K+2 t （2）資源重復(fù)(Resource Replication) 在并行概念中引入空間因素，通過(guò)重復(fù)設(shè)置硬件資源 來(lái)提高可行性或性能。 雙工系統(tǒng)等。

38、（3）資源共享(Resource Sharing) 指用軟件方法讓多個(gè)用戶按一定時(shí)間順序輪流使用同 一套資源來(lái)提高資源的利用率。 多道程序分時(shí)系統(tǒng)；共享主存、外設(shè)、通信線路的多 處理機(jī)；分布處理系統(tǒng)等。 CU PE0PE1PEN-1 3.3.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行性發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行性發(fā)展 19601960年以前，主要為算術(shù)運(yùn)算的位并行與年以前，主要為算術(shù)運(yùn)算的位并行與I/OI/O并行并行 1960-19701960-1970，多道程序分時(shí)系統(tǒng)、多功能部件、流水線單，多道程序分時(shí)系統(tǒng)、多功能部件、流水線單 處理機(jī)等處理機(jī)等 1970-19801970-1980，大型和巨型的向量機(jī)、陣列機(jī)、相聯(lián)處理

39、機(jī)，大型和巨型的向量機(jī)、陣列機(jī)、相聯(lián)處理機(jī) 等等 1980-19901980-1990，RISCRISC、超標(biāo)量處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)( (SuperscaleSuperscale) )、超流水、超流水 線處理機(jī)線處理機(jī)( (SuperpipelingSuperpipeling) )、超長(zhǎng)指令字計(jì)算機(jī)、超長(zhǎng)指令字計(jì)算機(jī)(VLIW)(VLIW)、多、多 微處理機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)、智能計(jì)算機(jī)微處理機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)、智能計(jì)算機(jī) 19901990至今，大規(guī)模并行處理。至今，大規(guī)模并行處理。 3.3.多機(jī)系統(tǒng)的耦合度多機(jī)系統(tǒng)的耦合度 l最低耦合最低耦合(Least Coupled System)(L

40、east Coupled System) 如獨(dú)立外圍計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。如獨(dú)立外圍計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 l松散耦合松散耦合(Loosely Coupled System)(Loosely Coupled System) 適合于分布處理。適合于分布處理。 l緊密耦合緊密耦合(Tightly Coupled System)(Tightly Coupled System) 可以是主輔機(jī)方式配合工作的非對(duì)稱系統(tǒng)，更多的是對(duì)稱型多處理機(jī)可以是主輔機(jī)方式配合工作的非對(duì)稱系統(tǒng)，更多的是對(duì)稱型多處理機(jī) 系統(tǒng)。系統(tǒng)。 1. 按大小劃分 種類：巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)等。 劃分原則：以性能為表征，按價(jià)格來(lái)劃分 存在

41、問(wèn)題：劃分的標(biāo)準(zhǔn)是隨時(shí)間而變化 2. 按用途劃分 種類：科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制、工作站、服務(wù) 器、家用計(jì)算機(jī)等。 劃分原則：科學(xué)計(jì)算：浮點(diǎn)計(jì)算速度；事務(wù)處理：字符 處理、十進(jìn)制運(yùn)算；實(shí)時(shí)控制：中斷響應(yīng)速度、I/0 能力；工作站：圖形處理能力 發(fā)展方向：具備上述所有功能的通用處理機(jī) 1.5.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類 3. 按數(shù)據(jù)類型劃分 種類：定點(diǎn)機(jī)、浮點(diǎn)機(jī)、向量機(jī)、堆棧機(jī)等 4. 按處理機(jī)個(gè)數(shù)和種類劃分 種類：?jiǎn)翁幚頇C(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)、分布處理機(jī)、 關(guān)聯(lián)處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、SMP （對(duì)稱多處理機(jī)）、MPP（大規(guī)模并行處理機(jī)）、機(jī) 群（Cluster）系統(tǒng)等 5. 佛林（

42、Flynn）分類法 1966年由 Michael.J.Flynn 提出 按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征對(duì)計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類 指令流：機(jī)器執(zhí)行的指令序列 數(shù)據(jù)流：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 多倍性（Multiplicity）：在系統(tǒng)性能瓶 頸部件上同時(shí)處于同一執(zhí)行階段的指令 或數(shù)據(jù)的最大可能個(gè)數(shù) 四種類型 單指令流單數(shù)據(jù)流SISD (Single Instruction Single DatastreaM); 單 指 令 流 多 數(shù) 據(jù) 流 S I M D ( S i n g l e Instruction Multiple DatastreaM); 多指令流單數(shù)據(jù)流MISD (Multiple Instruction Single DatastreaM); 多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD (Multiple Instruction Multiple DatastreaM) SISD 典型單處理機(jī)，包括： 單功能部件處理機(jī)：