計(jì)算機(jī)組成原理簡(jiǎn)明教程課件

計(jì)算機(jī)組成原理簡(jiǎn)明教程課件2023/3/311第一頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日教學(xué)目標(biāo)掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本概念了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展方向了解新一代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2023/3/312第二頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日教學(xué)重點(diǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本概念新一代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

2023/3/313第三頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日教學(xué)過(guò)程10.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本概念10.2超級(jí)標(biāo)量、超級(jí)流水線及處理機(jī)10.3新一代計(jì)算機(jī)2023/3/314第四頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本知識(shí)10.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義10.1.2計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn)10.1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類10.1.4如何提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算速度10.1.5開(kāi)放系統(tǒng)2023/3/315第五頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成。1964年Amdahl提出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念：程序設(shè)計(jì)者看到的一個(gè)計(jì)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(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)，不同程序設(shè)計(jì)者所看到的計(jì)算機(jī)有不同的屬性。使用高級(jí)語(yǔ)言的程序員所看到的計(jì)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(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。2023/3/316第六頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.1.2計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成的任務(wù)是在計(jì)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(jí)的各種功能和特性。這種相互聯(lián)系包括每個(gè)功能部件的配制、相互連接和相互作用。計(jì)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)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，信號(hào)傳輸，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接，專用器件的設(shè)計(jì)，電源、冷卻、裝配等技術(shù)以及有關(guān)的制造級(jí)數(shù)和工藝等。2023/3/317第七頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類（1/2）一般采用1966年弗林（Flynn）根據(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（InstructionStream）：是機(jī)器執(zhí)行的指令序列；數(shù)據(jù)流（DataStream）：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（Multiplicity）：在系統(tǒng)最受限制的元件上，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)。2023/3/318第八頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.1.3計(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)分成四類：?jiǎn)沃噶盍鲉螖?shù)據(jù)流（SISD）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最常用的串行計(jì)算機(jī)，通常由一個(gè)處理器和一個(gè)存儲(chǔ)器組成。每次執(zhí)行一條指令，每次從存儲(chǔ)器取（或存）一個(gè)數(shù)據(jù)。單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有多個(gè)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（MISD）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有N個(gè)處理單元，按N條不同指令的要求對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理。多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由多臺(tái)處理器和多個(gè)存儲(chǔ)器成，并有一個(gè)互連網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各處理器和各存儲(chǔ)器之間的通信。2023/3/319第九頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.1.4如何提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算速度從兩個(gè)方面考慮提高計(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展又為微電子技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)更好的機(jī)遇；（2）CPU速度提高后，應(yīng)注意內(nèi)存存取速度的提高，通道速度的提高，采用DMA技術(shù)等，這些部件都與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算速度密切相關(guān)。2023/3/3110第十頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日改進(jìn)單機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要方法（1）CPU和輸入輸出設(shè)備并行工作，以減少CPU等待和空閑時(shí)間；（2）采用多個(gè)通用寄存器來(lái)暫存運(yùn)算的中間結(jié)果，減少訪問(wèn)存儲(chǔ)器次數(shù)；（3）采用多體交叉存儲(chǔ)器和Cache，協(xié)調(diào)CPU和存儲(chǔ)器之間的速度匹配；（4）時(shí)間重疊的流水線方式。2023/3/3111第十一頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日并行性包含兩方面含義：（1）同時(shí)性（Simultaneity）：指兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)刻發(fā)生；（2）并發(fā)性（Concurrency）：指兩個(gè)或兩個(gè)以上事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。并行性主要表現(xiàn)為時(shí)間重疊、資源重復(fù)和資源共享。

（1）時(shí)間重疊多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得時(shí)間。（2）資源重復(fù)通過(guò)重復(fù)地設(shè)置硬件資源以大幅度提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，即以數(shù)量取勝的原則。（3）資源共享多個(gè)用戶按一定時(shí)間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。2023/3/3112第十二頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.1.5開(kāi)放系統(tǒng)遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口，使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間有“可移植性”和“互操作性”?？梢浦残允侵笇⒉僮飨到y(tǒng)或應(yīng)用軟件放在不同廠家的各種不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)上使用?；ゲ僮餍允侵覆煌瑥S家在不同平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的多種應(yīng)用軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享數(shù)據(jù)和協(xié)同工作的能力。2023/3/3113第十三頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.2超級(jí)標(biāo)量、超級(jí)流水線處理機(jī)10.5.1超級(jí)標(biāo)量處理機(jī)10.5.2超級(jí)流水線處理機(jī)10.5.3超長(zhǎng)指令字處理機(jī)2023/3/3114第十四頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.2.1超級(jí)標(biāo)量處理機(jī)超級(jí)標(biāo)量處理機(jī)（Superscalar）中配置了多個(gè)功能部件和指令譯碼電路，采取了多條流水線，還有多個(gè)寄存器端口和總線，因此可以同時(shí)從存儲(chǔ)器中取出幾條指令，以并行處理來(lái)提高機(jī)器的速度，對(duì)這幾條指令進(jìn)行譯碼，把能夠并行執(zhí)行的指令同時(shí)送入不同的功能部件。例如Intel80960A配置三條流水線，分別執(zhí)行整數(shù)運(yùn)算、轉(zhuǎn)移處理和訪存操作，能同時(shí)對(duì)四條指令進(jìn)行譯碼，但最多將3條能并行執(zhí)行的指令分別送入3條流水線。超級(jí)標(biāo)量機(jī)的硬件是不能重新安排指令的前后次序的，但可以在編譯程序時(shí)采取優(yōu)化的辦法對(duì)指令的執(zhí)行次序進(jìn)行精心安排，能并行執(zhí)行的指令搭配起來(lái)。例如，IBM公司推出的POWERR6000處理器，1992年Sun/TI（德州儀器公司）推出SuperSPARC芯片（Viking），以上這些芯片都采用了超級(jí)標(biāo)量技術(shù)。2023/3/3115第十五頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.2.2超級(jí)流水線處理機(jī)流水線技術(shù)的基本思想是時(shí)間重疊，將處理過(guò)程分解成各個(gè)專用的功能段，而不是要求每段在空間上重復(fù)，所使用的設(shè)備相對(duì)較少。流水線的各段是由時(shí)鐘脈沖來(lái)進(jìn)行同步的，各段的信息是順段流動(dòng)的，控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單。2023/3/3116第十六頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.2.3超長(zhǎng)指令字處理機(jī)超長(zhǎng)指令字的英文縮寫(xiě)是VLIW，是一種單指令流多操作碼多數(shù)據(jù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。編譯程序在編譯時(shí)，把多個(gè)能并行執(zhí)行的操作組合在一起，稱為一條有多個(gè)操作段的超長(zhǎng)指令。由這條超長(zhǎng)指令控制VLIW機(jī)中多個(gè)互相獨(dú)立工作的功能部件，每個(gè)操作段控制一個(gè)功能部件，相當(dāng)于同時(shí)執(zhí)行多條指令。Cydra5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)值處理機(jī)采用了超長(zhǎng)指令字。一條指令的字常為32個(gè)字節(jié)（256位），分成7個(gè)操作段，每段對(duì)應(yīng)1個(gè)操作。每個(gè)功能部件都是按流水線原理工作的。每個(gè)典型操作段中有1個(gè)操作碼、2個(gè)源寄存器描述碼、1個(gè)目的寄存器描述碼和1個(gè)判定寄存器描述碼。2023/3/3117第十七頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日多發(fā)射流水線01234567T正常流水線超標(biāo)量流水線0123456T0123456T超長(zhǎng)指令字流水線3個(gè)操作01234567T超級(jí)流水線2023/3/3118第十八頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.3新一代計(jì)算機(jī)10.7.1生物計(jì)算機(jī)10.7.2超導(dǎo)計(jì)算機(jī)10.7.3量子計(jì)算機(jī)10.7.4納米計(jì)算機(jī)10.7.5光子計(jì)算機(jī)2023/3/3119第十九頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.3.1生物計(jì)算機(jī)生物計(jì)算技術(shù)的研究主要包括生物分子器件和生物計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。利用有機(jī)或生物材料在分子尺度內(nèi)構(gòu)成有序體系，提供通過(guò)分子層次上的物理化學(xué)過(guò)程去完成信息檢測(cè)、傳輸、存儲(chǔ)和處理的基本單元，叫分子器件。2023/3/3120第二十頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.3.2超導(dǎo)計(jì)算機(jī)二十世紀(jì)六十年代來(lái)人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)約瑟夫遜結(jié)效應(yīng)后，一些計(jì)算機(jī)專家很快意識(shí)到超導(dǎo)器件在超導(dǎo)態(tài)和常態(tài)間的這種快速轉(zhuǎn)換特性在超高速計(jì)算機(jī)中有著十分誘人的應(yīng)用前景。二十世紀(jì)八十年代末，美國(guó)貝爾公司發(fā)明了具有實(shí)用價(jià)值的制成超導(dǎo)薄膜的方法，利用該方法生成的超導(dǎo)薄膜可靠性高，化學(xué)性能穩(wěn)定，這就使研制體積小、速度快的超導(dǎo)電路成為可能。目前己研制成的超導(dǎo)集成電路有超導(dǎo)處理器、超導(dǎo)存儲(chǔ)器、超導(dǎo)移位寄存器等。如美國(guó)于二十世紀(jì)九十年代初研制成的超導(dǎo)32位移位電路，工作頻率為120GHz，片上有64個(gè)約瑟夫遜結(jié)，稍加改進(jìn)，工作頻率可達(dá)1000GHz。2023/3/3121第二十一頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.3.3量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)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(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：１、量子計(jì)算機(jī)能夠解決一些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法處理的問(wèn)題；２、量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)⒅笖?shù)復(fù)雜性的問(wèn)題降為多項(xiàng)式復(fù)雜性的問(wèn)題。

2023/3/3122第二十二頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.3.4納米計(jì)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(wàn)分之一，是可見(jiàn)光最短波長(zhǎng)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)（Nano-Technology）。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。2023/3/3123第二十三頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日10.3.5光子計(jì)算機(jī)光子是宇宙中傳播速度最快的物質(zhì)，無(wú)需在導(dǎo)線中傳播，且在不滿足干涉條件的情況下，它們之間互不干擾。與電子技術(shù)相比，光技術(shù)有以下特點(diǎn)：①無(wú)物理觸點(diǎn)的互聯(lián)數(shù)大，互聯(lián)密度高、可靠性高；②傳播速度快；③高時(shí)空帶寬，光的載波空間帶寬可達(dá)100THz（電信號(hào)帶寬最多為100GHz），信息傳輸無(wú)失真；④無(wú)干擾，多道光波信息可匯聚在一起各自獨(dú)立傳輸；⑤功耗低。2023/3/3124第二十四頁(yè)，共二十五頁(yè)，2022年，8月28日

本章小結(jié)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟件、硬件功能分配和對(duì)軟件、硬件界面的確定。計(jì)算