第1章-計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)-課件

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)一、計(jì)算的歷史計(jì)算的重要性柏拉圖公元前4世紀(jì)在《腓利門(mén)書(shū)》(《圣約·新約》中的一卷)說(shuō)–最原始的知識(shí)是發(fā)現(xiàn)數(shù)字和數(shù)字計(jì)算中國(guó)算盤(pán)中國(guó)算盤(pán)

–公元13世紀(jì)，由一些桿組成，在下面的每個(gè)桿上串5個(gè)算珠，上面的每個(gè)桿上串2個(gè)算珠，中間被一個(gè)板條分開(kāi)。計(jì)算機(jī)器1614年，蘇格蘭人訥皮爾JohnNapier(1550-1617)發(fā)表了一篇論文，其中提到他發(fā)明了一種可以計(jì)算四則運(yùn)算和方根運(yùn)算的精巧裝置。契克卡德(WilhelmShickard)的計(jì)算時(shí)鐘是歷史上最早的計(jì)算機(jī)器。(1623年)

乘法和除法需要操作員多次干涉。原理是基于訥皮爾的骨骼原理計(jì)算機(jī)器

1623年，契克卡德教授為自己的摯友、天文學(xué)家克普勒（Kepler）制作了一種機(jī)械計(jì)算機(jī)。據(jù)說(shuō)，契克卡德只造了兩臺(tái)原型，現(xiàn)在是否還在何處保存著不得而知。人們是在他的一封信里發(fā)現(xiàn)了該機(jī)器的示意圖，才知道了這個(gè)事實(shí)。契克卡德計(jì)算機(jī)能做6位數(shù)加減法，或許設(shè)置了某種“溢出”響鈴裝置；機(jī)器上部附加一套圓柱型“納皮爾算籌”，因此也能進(jìn)行乘除運(yùn)算。1960年，契克卡德家鄉(xiāng)的人根據(jù)示意圖重新制作出契卡德計(jì)算機(jī)，驚訝地發(fā)現(xiàn)它確實(shí)可以工作。1993年5月，德國(guó)為契克卡德誕辰400周年舉辦展覽會(huì)，隆重紀(jì)念這位被一度埋沒(méi)的計(jì)算機(jī)先驅(qū)。

計(jì)算機(jī)器布萊斯.帕斯卡(BlaisePascal)通過(guò)計(jì)算機(jī)器“Pascaline”，說(shuō)明了機(jī)械化運(yùn)算的可能性(1642)。系列鋸齒狀的齒輪，每個(gè)用數(shù)字0-9標(biāo)示“Pascaline”是第一個(gè)商業(yè)化的計(jì)算機(jī)器。計(jì)數(shù)器(1822),鍵盤(pán)(1850),打印機(jī)(1885),電計(jì)數(shù)器(1913)可編程性所有這些機(jī)器的問(wèn)題是有限的執(zhí)行連續(xù)計(jì)算

–需要轉(zhuǎn)錄和輸入所有的中間結(jié)果！Vaucanson(沃康松)的可設(shè)計(jì)的機(jī)器人(1738)Vaucanson(1749)制造了第一個(gè)自動(dòng)織布機(jī)通過(guò)一個(gè)穿孔的金屬桶接受命令Jacquard(1804)改善了可編程織布機(jī)利用一系列打孔的卡片大家學(xué)習(xí)辛苦了，還是要堅(jiān)持繼續(xù)保持安靜查爾斯·巴比奇(1791-1871)微分機(jī)1823應(yīng)用？精確的表格—天文學(xué)航海的表格---海軍背景

–任何連續(xù)的函數(shù)都能被近似的表示為一個(gè)多項(xiàng)式---Weierstrass技術(shù)機(jī)械的—齒輪，Jacquard的織機(jī)，簡(jiǎn)單的計(jì)算器微分機(jī)是第一個(gè)數(shù)字計(jì)算器，它通過(guò)提前設(shè)置程序的控制機(jī)制，能自動(dòng)連續(xù)執(zhí)行計(jì)算操作。微分機(jī)1823–Babbage(查爾斯·巴比奇)的論文發(fā)表1834–瑞典的Scheutz兄弟讀到論文1842-Babbage放棄制造微分機(jī)的想法(他專(zhuān)注于分析機(jī))1855-Scheutz在巴黎世界展示會(huì)上展示他的機(jī)器

–可以計(jì)算6次多項(xiàng)式速度：33～44個(gè)32-進(jìn)制數(shù)字/分鐘現(xiàn)在這個(gè)機(jī)器在Smithsonian分析機(jī)1833-Babbage的論文發(fā)表

–構(gòu)思來(lái)源于發(fā)明微分機(jī)的過(guò)程中。

–靈感：Jacquard的織機(jī)

–一組固定的打孔卡規(guī)定了編織模式程序

–一樣的打孔卡可以通過(guò)不同顏色的線來(lái)使用數(shù)字1871-Babbage逝世-機(jī)器仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)即使在現(xiàn)代，只用機(jī)械技術(shù)能否造出分析機(jī)也是未知可否的。然而，在Babbage年老時(shí)變沮喪了?！叭绻夷軌蚨嗷顜啄?，分析機(jī)將會(huì)出現(xiàn)，遍布整個(gè)星球”。但是他也加了一句非常沮喪的話：“如果任何人他不拒絕我的模型，有一天他造出了包含數(shù)學(xué)分析原理的分析機(jī)，我不懼怕我的記憶，因?yàn)樗麜?huì)獨(dú)自欣賞我努力的天性和獲得成果的價(jià)值”第1個(gè)程序員--Ada

Byronaka,LadyLovelace

Babbage的思想有對(duì)后來(lái)有很多影響，主要由于米納布里(LuigiMenabrea),他在意大利發(fā)表了Babbage的演講筆記由于巴貝奇晚年因喉疾幾乎不能說(shuō)話，介紹分析機(jī)的文字主要由阿達(dá)(LadyLovelace)替他完成。她把Menabrea的筆記翻譯成英語(yǔ)，從而徹底推廣了他的思想阿達(dá)設(shè)計(jì)了巴貝奇分析機(jī)上解伯努利方程的一個(gè)程序，并證明分析器可以用于許多問(wèn)題的求解。她甚至還建立了循環(huán)和子程序的概念。20世紀(jì)以前,只有關(guān)于計(jì)算(算法)的直觀概念希爾伯特（Hilbert）第10問(wèn)題(1900巴黎):可否設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)有限次運(yùn)算就可以決定的過(guò)程來(lái)測(cè)試多項(xiàng)式是否有整數(shù)根.1936年邱奇（Church）和圖靈（Turing）分別定義了算法1970’s,Hilbert第10問(wèn)題被證明不存在算法.計(jì)算定義的產(chǎn)生IBM7011951年，IBM開(kāi)始決定開(kāi)發(fā)商用電腦，聘請(qǐng)馮·諾依曼擔(dān)任公司的科學(xué)顧問(wèn)，1952年12月研制出IBM第一臺(tái)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)，也是通常意義上的電腦，它叫IBM701。這是IT歷史上一個(gè)重要的里程碑。超級(jí)計(jì)算機(jī)1964年，控制數(shù)據(jù)公司（ControlDataCorporation）研制出了世界上首臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)“CDC6600”。該超級(jí)計(jì)算機(jī)也是超級(jí)計(jì)算數(shù)據(jù)中心的現(xiàn)代鼻祖，由西摩·克雷(SeymourCray）為倫斯輻射實(shí)驗(yàn)室而設(shè)計(jì)。劃時(shí)代的產(chǎn)品—3601964年4月7日，IBM推出了劃時(shí)代的System/360大型電腦，這一系列是世界上首個(gè)指令集可兼容計(jì)算機(jī)。從前，計(jì)算機(jī)廠商要針對(duì)每種主機(jī)量身定做操作系統(tǒng)，System/360的問(wèn)世則讓單一操作系統(tǒng)適用于整系列的計(jì)算機(jī)。這項(xiàng)計(jì)劃的投入規(guī)?？涨埃貫榇苏心剂?萬(wàn)名新員工，建立了5座新工廠，當(dāng)時(shí)的研發(fā)費(fèi)用超過(guò)了50億美元(相當(dāng)于現(xiàn)在的340億美元)。直到1965年首臺(tái)System/360才開(kāi)始出貨，但是到1966年，IBM每月售出超過(guò)千臺(tái)。每臺(tái)的價(jià)格在250到300萬(wàn)美元之間，約合現(xiàn)在的2000萬(wàn)美元。IBM360的副產(chǎn)品IBMSystem/360的開(kāi)發(fā)極為復(fù)雜，被譽(yù)為IBM360系統(tǒng)之父的FrederickP.Brooks在20年前著有《TheMythicalMan-Month(人月神話)》一書(shū)，這本書(shū)至今仍然是軟件領(lǐng)域的必讀經(jīng)典。APPLE-1喬布斯的黃金搭檔沃茲尼克在1976年做了一臺(tái)個(gè)人電腦，當(dāng)時(shí)他才26歲，但只是玩玩而已。而那年21歲的喬布斯卻從中看到了巨大的商機(jī)，他將這臺(tái)電腦命名為“蘋(píng)果一號(hào)”，并立即投入生產(chǎn)。雖然那只是一種沒(méi)有鍵盤(pán)、機(jī)箱、聲音和圖像的計(jì)算機(jī)電路板。PC時(shí)代的來(lái)臨1981年8月，IBM召集12位工程師推出了世界上第一款PCIBMPC5150，這是世界上首次明確了PC的開(kāi)放式業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，它允許任何人及廠商進(jìn)入PC市場(chǎng)，這對(duì)于整個(gè)PC未來(lái)的發(fā)展具有極其重要的意義。IBM5150配置有4.77MHz主頻的Intel8088處理器，搭載16KB內(nèi)存和DOS操作系統(tǒng)。另外，沿用至今的BIOS（基本輸入輸出系統(tǒng)）也是在當(dāng)時(shí)首度整合其中，堪稱(chēng)PC發(fā)展的里程碑。

摩爾定理摩爾定律是由英特爾（Intel）創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（GordonMoore）提出來(lái)的。其內(nèi)容為：集成電路（IC）上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔12個(gè)月（1975年摩爾將12個(gè)月更改為18個(gè)月）便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)；或者說(shuō)，每一美元所能買(mǎi)到的電腦性能，將每隔12個(gè)月翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。X86架構(gòu)1978年6月8日，Intel發(fā)布了新款16位微處理器“8086”，也同時(shí)開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新時(shí)代：x86架構(gòu)誕生了。8086在三年后為IBMPC所選用，之后x86便成為了個(gè)人電腦的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，成為了歷來(lái)最成功的CPU架構(gòu)。32位保護(hù)模式

Intel80386推出后，也許是到目前為止x86架構(gòu)的最大躍進(jìn)。除了需要值得注意的Intel80386SX是32位架構(gòu)但僅只有24位尋址（和16位數(shù)據(jù)總線）。除此之外其他架構(gòu)都是32位

-所有的暫存器、指令集、輸出輸入空間和存儲(chǔ)器尋址。為了能夠在后者所說(shuō)的功能工作，要使用32位擴(kuò)充的保護(hù)模式。然而不像286，386所有的區(qū)段可以使用32位的偏移量，即使存儲(chǔ)器空間有使用區(qū)段，但也允許應(yīng)用程序訪問(wèn)超過(guò)4GB空間而不需要區(qū)段的分隔。此外，32位保護(hù)模式提供標(biāo)簽頁(yè)的支持，是一種讓虛擬內(nèi)存得以實(shí)現(xiàn)的機(jī)制。64位計(jì)算機(jī)

1990年初，一些公司開(kāi)始釋出新的64位架構(gòu)芯片家族，最初是提供給超級(jí)電腦、頂級(jí)工作站和服務(wù)器機(jī)器。2003年，某些型號(hào)的蘋(píng)果公司

Macintosh產(chǎn)生線轉(zhuǎn)向PowerPC970處理器（蘋(píng)果公司稱(chēng)為“G5”），并在2006年，轉(zhuǎn)向EM64T處理器，且x86-64處理器在頂級(jí)的PC

中遂漸普及。IA64處理器I-tanium（安騰）是Intel自推出32位微處理器以來(lái)，在高性能計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的又一座里程碑?；贗A64處理器架構(gòu)的服務(wù)器具有64位運(yùn)算能力、64位尋址空間和64位數(shù)據(jù)通路，突破了傳統(tǒng)IA32架構(gòu)的許多限制，在數(shù)據(jù)的處理能力，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可用性、可管理性等方面獲得了突破性的提高。超級(jí)計(jì)算機(jī)的山寨時(shí)代

2002年，戴爾英特爾微軟康乃爾大學(xué)聯(lián)手制造超級(jí)計(jì)算機(jī)大多數(shù)智能手機(jī)和平板電腦都使用的是ARM處理器，而且ARM處理器對(duì)于服務(wù)器的吸引力也越來(lái)越大。戴爾已經(jīng)準(zhǔn)備為客戶(hù)們提供一款中低端ARM服務(wù)器原型機(jī)。人們對(duì)計(jì)算的追求永不止步2008年，一臺(tái)由IBM公司制造、安裝于新墨西哥州北部美國(guó)能源部洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、代號(hào)為“Roadrunner”的系統(tǒng)，以1.026petaflop/s（千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒）的成績(jī)成為首臺(tái)打破petaflop/s

Linpack門(mén)檻的超級(jí)計(jì)算機(jī)，從而宣告高性能計(jì)算領(lǐng)域邁入了每秒千萬(wàn)億次時(shí)代！當(dāng)今最強(qiáng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”是由國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以峰值計(jì)算速度每秒5.49億億次、持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居榜首，成為全球最快超級(jí)計(jì)算機(jī)。計(jì)算云時(shí)代Google公司有一套專(zhuān)屬的云計(jì)算平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)先是為Google最重要的搜索應(yīng)用提供服務(wù)，現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到其他應(yīng)用程序。Google的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)模式包括4個(gè)相互獨(dú)立又緊密結(jié)合在一起的系統(tǒng)：GoogleFileSystemt分布式文件系統(tǒng)，針對(duì)Google應(yīng)用程序的特點(diǎn)提出的MapReduce編程模式，分布式的鎖機(jī)制Chubby以及Google開(kāi)發(fā)的模型簡(jiǎn)化的大規(guī)模分布式數(shù)據(jù)庫(kù)BigTable。SoC（SystemonChip）從20世紀(jì)90年代至今，IC設(shè)計(jì)發(fā)生一次質(zhì)的飛躍，即由ASIC設(shè)計(jì)方法向SoC設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變。SystemonChip，片上系統(tǒng)，在單一芯片上實(shí)現(xiàn)的數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。SoC芯片示例草根的興起

ARM成立于1991年，是一家出售IP（技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)）的公司，所謂的技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，就有點(diǎn)像是賣(mài)房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，至于要怎修改，哪邊開(kāi)窗戶(hù)，以及要怎加蓋其它的花園，就看買(mǎi)了設(shè)計(jì)圖的廠商自己決定。ARM的優(yōu)勢(shì)

iPad得益于一顆被稱(chēng)為AppleA4，主頻高達(dá)1GHz處理芯片，這是一顆基于ARMCortexA9架構(gòu)的多核CPU，具有功耗低、體積小、成本低、性能高的特點(diǎn)，正因?yàn)橛辛诉@顆ARM架構(gòu)處理芯片的支持，蘋(píng)果的設(shè)計(jì)師才能設(shè)計(jì)出如此有著輕薄完美體型的ipad，從而世界平板電腦市場(chǎng)才被徹底引爆。

GPU編程的興起

CUDA?是一種由NVIDIA推出的通用并行計(jì)算架構(gòu)，該架構(gòu)使GPU能夠解決復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題。它包含了CUDA指令集架構(gòu)（ISA）以及GPU內(nèi)部的并行計(jì)算引擎。開(kāi)發(fā)人員現(xiàn)在可以使用C語(yǔ)言來(lái)為CUDA?架構(gòu)編寫(xiě)程序，C語(yǔ)言是應(yīng)用最廣泛的一種高級(jí)編程語(yǔ)言。所編寫(xiě)出的程序于是就可以在支持CUDA?的處理器上以超高性能運(yùn)行。CUDA3.0已經(jīng)開(kāi)始支持C++和FORTRAN。海思麒麟950

采用臺(tái)積電16nmFF+制程工藝，4×2.3GHz的A72核心和4×1.8GHzA53核心的整體架構(gòu)，配備全新的MaliT880圖形處理器，在數(shù)據(jù)性能和圖形性能提升的同時(shí)，功耗降低20%。

瑞芯微RK3288

2014年4月，國(guó)內(nèi)一線芯片廠商瑞芯微攜帶新款處理器RK3288在香港灣仔會(huì)議展覽中心1號(hào)館展出。跑分王、游戲王、超清王，RK3288集多種優(yōu)勢(shì)于一身，是全球首款A(yù)RM全新架構(gòu)內(nèi)核芯片，還是全球第一個(gè)最新Mali-T76x系列GPU的芯片，以及全球第一個(gè)4Kx2K硬解H.265視頻的芯片。計(jì)算已經(jīng)無(wú)處不在為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)？計(jì)算機(jī)性能提高的幾個(gè)階段20世紀(jì)70年代末之前，大型機(jī)和小型機(jī)計(jì)算機(jī)性能每年提高25%~30%。20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)微處理機(jī)，依靠集成電路技術(shù)，性能每年提高35%20世紀(jì)80年中期，出現(xiàn)RISC技術(shù)、高級(jí)語(yǔ)言和操作系統(tǒng)等，性能每年提高50%1995年，先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)微處理器性能的貢獻(xiàn)是單純技術(shù)進(jìn)步的5倍。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算性能的提升二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)課程instructionsetsoftwarehardware1.數(shù)字邏輯早在1847和1854年，英國(guó)數(shù)學(xué)家布爾發(fā)表了兩部重要著作《邏輯的數(shù)學(xué)分析》和《思維規(guī)律的研究》，創(chuàng)立了邏輯代數(shù)。邏輯代數(shù)系統(tǒng)采用二進(jìn)制，是現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)和邏輯基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FieldProgrammableGateArray，F(xiàn)PGA）起源于美國(guó)的Xillnx公司。從最初的1200個(gè)可用門(mén)，90年代時(shí)幾十萬(wàn)個(gè)可用門(mén)，發(fā)展到目前數(shù)百萬(wàn)門(mén)至上千萬(wàn)門(mén)的單片F(xiàn)PGA芯片。目前生產(chǎn)FPGA的公司主要有Xilinx、Altera、Actel、Lattice、QuickLogic等。盡管這些FPGA的具體結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)各有特色，但它們都有一個(gè)共同之處，即由邏輯功能塊排成陣列，并由可編程的互連資源連接這些邏輯功能塊，從而實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)。FPGAmodule flop(data,clock,clear,q,qb);input data,clock,clear;output q,qb;nand #10 nd1(a,data,clock,clear),nd2(b,ndata,clock),nd4(d,c,b,clear),nd5(e,c,nclock),nd6(f,d,nclock),nd8(qb,q,f,clear);nand #9 nd3(c,a,d),nd7(q,e,qb);not #10 iv1(ndata,data),iv2(nclock,clock);endmoduleVerilogHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)示例邏輯電路CPU設(shè)計(jì)討論計(jì)算機(jī)單機(jī)系統(tǒng)的硬件組成即計(jì)算機(jī)5大功能部件的工作原理、邏輯實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)方法以及這些部件相互連接構(gòu)成整機(jī)的方法2.計(jì)算機(jī)組成原理操作系統(tǒng)（OperatingSystem）是所有軟件中最基礎(chǔ)、最核心的部分，是計(jì)算機(jī)用戶(hù)和計(jì)算機(jī)硬件之間的中介程序，它為用戶(hù)執(zhí)行程序提供更方便、更有效的環(huán)境。四、操作系統(tǒng)二戰(zhàn)對(duì)武器設(shè)計(jì)的需要美國(guó)、英國(guó)和德國(guó)等國(guó)家開(kāi)始了電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的研究工作哈佛大學(xué)的HowardAiken普林斯頓高等研究院的JohnNeumann（馮·諾依曼）賓夕法尼亞大學(xué)的J.PresperEckert和WilliamMauchley德國(guó)電話公司的KonraadZuse以及其他一些人都使用真空管成功地建造了運(yùn)算機(jī)器真空管計(jì)算機(jī)（1945年-1955年）時(shí)期50年代早期出現(xiàn)了穿孔卡片程序?qū)懺诳ㄆ先缓笞x入計(jì)算機(jī)但計(jì)算過(guò)程則依然如舊卡片早期批處理系統(tǒng)IBM1401IBM7094IBM1401輸入磁帶磁帶機(jī)卡片閱讀機(jī)輸出磁帶打印機(jī)分時(shí)系統(tǒng)的出現(xiàn)分時(shí)系統(tǒng)的思想于1959年在MIT提出(IBM7090，32kRAM，0.35MIPS，350萬(wàn)美元)第一個(gè)分時(shí)系統(tǒng)由MIT的FernandoCorbato等1961年在一改裝的IBM7090/94機(jī)上開(kāi)發(fā)成功當(dāng)時(shí)有32個(gè)交互式用戶(hù)1962年Manchester大學(xué)的Atlas計(jì)算機(jī)投入運(yùn)行運(yùn)行速度200kFLOPS主機(jī)終端MULTICS的災(zāi)難1965年在ARPA的支持下MIT、AT&T（貝爾實(shí)驗(yàn)室）和通用電氣公司決定開(kāi)發(fā)一種“公用計(jì)算服務(wù)系統(tǒng)”，希望能夠同時(shí)支持整個(gè)波士頓所有的分時(shí)用戶(hù)。該系統(tǒng)稱(chēng)作MULTICS。

(MULTiplexedInformationandComputingService)MULTICS設(shè)計(jì)目標(biāo)是：便利的遠(yuǎn)程終端使用，大量終端通過(guò)電話線接入計(jì)算機(jī)主機(jī)；高可靠的大型文件系統(tǒng)；大容量的用戶(hù)信息共享；存儲(chǔ)和構(gòu)造層次化信息結(jié)構(gòu)的能力；……MULTICS研制難度超出了所有人預(yù)料長(zhǎng)期研制工作達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，1969年4月貝爾實(shí)驗(yàn)室退出，通用電氣公司也退出了但最終，經(jīng)過(guò)多年的努力，MULTICS成功地應(yīng)用運(yùn)行MULTICS的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在九十年代中陸續(xù)被關(guān)閉MULTICS引入了許多現(xiàn)代操作系統(tǒng)領(lǐng)域概念雛形，對(duì)隨后操作系統(tǒng)特別是UNIX的成功有著巨大的影響小型計(jì)算機(jī)，電子游戲和UNIX的成功1969年，在貝爾退出MULTICS研制項(xiàng)目后，KenThompson和DennisM.Ritchie想申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)買(mǎi)計(jì)算機(jī)從事操作系統(tǒng)研究，但多次申請(qǐng)得不到批準(zhǔn)項(xiàng)目無(wú)著落，他們?cè)谝慌_(tái)無(wú)人用的PDP-7上，重新擺弄原先在MULTICS項(xiàng)目上設(shè)計(jì)的“空間旅行”游戲?yàn)榱耸褂螒蚰軌蛟赑DP-7上順利運(yùn)行，他們陸續(xù)開(kāi)發(fā)了浮點(diǎn)運(yùn)算軟件包、顯示驅(qū)動(dòng)軟件，設(shè)計(jì)了文件系統(tǒng)、實(shí)用程序、shell和匯編程序到了1970年，在一切完成后，給新系統(tǒng)起了個(gè)同MULTICS發(fā)音相近的名字UNIX隨后，UNIX用C語(yǔ)言全部重寫(xiě)，自此，UNIX誕生了微軟MSDOS個(gè)人計(jì)算機(jī)的成功，逼得IBM采取緊急戰(zhàn)略行動(dòng),決定要在1980年盡快生產(chǎn)出微型計(jì)算機(jī)，以應(yīng)付挑戰(zhàn)但沒(méi)有操作系統(tǒng)不行。要想快就是找現(xiàn)成系統(tǒng)配套，IBM公司洽談CP/M操作系統(tǒng)不順利，機(jī)遇落到了微軟公司在關(guān)鍵時(shí)刻，開(kāi)發(fā)新操作系統(tǒng)時(shí)間和人手上已經(jīng)不可能，微軟找到西雅圖計(jì)算機(jī)產(chǎn)品公司，達(dá)成由微軟經(jīng)銷(xiāo)西雅圖計(jì)算機(jī)產(chǎn)品公司的QDOS操作系統(tǒng)的協(xié)議拯救蘋(píng)果公司的Macintosh(MACOS)在推出IBMPC機(jī)后，市場(chǎng)卷起一股龍卷風(fēng)IBM自己也沒(méi)有料到產(chǎn)品會(huì)有如此巨大的成功IBM的成功說(shuō)明必有其他公司失敗。甚至連蘋(píng)果公司也遇到了問(wèn)題，銷(xiāo)售數(shù)量落到了蘭色巨人的后面蘋(píng)果公司推出Lisa機(jī)遭到失敗，AppleIII型也遭到失敗分析家們：微機(jī)市場(chǎng)上的戰(zhàn)斗似乎蘭色巨人要嬴了MACOS、鼠標(biāo)的新型個(gè)人計(jì)算機(jī)1984年，人們看到一則廣告：“Whatwasthat?”和對(duì)Macintosh的介紹,這是配有圖形界面操作系統(tǒng)MACOS和鼠標(biāo)的新型個(gè)人計(jì)算機(jī)MAC機(jī)一上市立即在市場(chǎng)上獲得極大的成功當(dāng)年比爾.蓋茨都說(shuō)，這是一臺(tái)他的媽媽也能使用的計(jì)算機(jī)Macintosh把蘋(píng)果公司從連續(xù)的失敗中拯救出來(lái)蘋(píng)果公司又開(kāi)始向前發(fā)展正是Mac先進(jìn)圖形界面操作系統(tǒng)技術(shù)，超前PC機(jī)若干年，造就了一批蘋(píng)果的忠實(shí)追隨者1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)

1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展

第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)誕生于1946年計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展受益于兩個(gè)方面計(jì)算機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展過(guò)程1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念

大功耗問(wèn)題；可以進(jìn)一步有效地開(kāi)發(fā)的指令級(jí)并行性已經(jīng)很少；存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度的提高緩慢。1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重大轉(zhuǎn)折：從單純依靠指令級(jí)并行轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)線程級(jí)并行和數(shù)據(jù)級(jí)并行。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)的發(fā)展中有著極其重要的作用。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)＝硬件/固件＋軟件計(jì)算機(jī)語(yǔ)言從低級(jí)向高級(jí)發(fā)展

高一級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)句相對(duì)于低一級(jí)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)功能更強(qiáng)，更便于應(yīng)用，但又都以低級(jí)語(yǔ)言為基礎(chǔ)。從計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的角度，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)。每一層以一種語(yǔ)言為特征1.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念虛擬機(jī)物理機(jī)1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念物理機(jī):用硬件/固件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器

(最下面的兩級(jí)機(jī)器)虛擬機(jī)：由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器虛擬機(jī)中有些操作可以由硬件或固件實(shí)現(xiàn)。固件：具有軟件功能的硬件。各機(jī)器級(jí)的實(shí)現(xiàn)主要靠翻譯或解釋?zhuān)騼烧叩慕Y(jié)合。翻譯：先用轉(zhuǎn)換程序把高一級(jí)機(jī)器上的程序轉(zhuǎn)換為低一級(jí)機(jī)器上等效的程序，然后再在這低一級(jí)機(jī)器上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)程序的功能。解釋?zhuān)簩?duì)于高一級(jí)機(jī)器上的程序中的每一條語(yǔ)句或指令，都是轉(zhuǎn)去執(zhí)行低一級(jí)機(jī)器上的一段等效程序。執(zhí)行1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念完后，再去高一級(jí)機(jī)器取下一條語(yǔ)句或指令，再進(jìn)行解釋執(zhí)行，如此反復(fù)，直到解釋執(zhí)行完整個(gè)程序。解釋執(zhí)行比編譯后再執(zhí)行所花的時(shí)間多，但占用的存儲(chǔ)空間較少。1.1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的經(jīng)典定義傳統(tǒng)機(jī)器程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。（1964年Amdahl在介紹IBM360系統(tǒng)時(shí)提出的）1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，不同級(jí)程序員所看到的計(jì)算機(jī)具有不同的屬性。透明性在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，把這種本來(lái)存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看又好像不存在的概念稱(chēng)為透明性。廣義的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義：指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、硬件（計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的3個(gè)方面）1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)：確定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟硬件的界面，界面之上是軟件實(shí)現(xiàn)的功能，界面之下是硬件和固件實(shí)現(xiàn)的功能。1.1.3計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件的界面即機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)所具有的屬性。計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念包含物理機(jī)器級(jí)中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。著眼于：物理機(jī)器級(jí)內(nèi)各事件的排序方式與控制方式、各部件的功能以及各部件之間的聯(lián)系。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：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，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號(hào)傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。著眼于：器件技術(shù)（起主導(dǎo)作用）、微組裝技術(shù)。1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)可以采用不同的計(jì)算機(jī)組成。同一種計(jì)算機(jī)組成又可以采用多種不同的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。

舉例：乘法指令、主存容量與編址方式系列機(jī)由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器。例如IBM公司的IBM370系列，Intel公司的x86系列等。1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類(lèi)法有3種：

Flynn分類(lèi)法、馮氏分類(lèi)法和Handler分類(lèi)法Flynn分類(lèi)法按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類(lèi)。指令流：計(jì)算機(jī)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)序列多倍性：在系統(tǒng)最受限的部件上，同時(shí)處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大數(shù)目。1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為4類(lèi)單指令流單數(shù)據(jù)流SISD（SingleInstructionstreamSingleDatastream）單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD（SingleInstructionstreamMultipleDatastream）多指令流單數(shù)據(jù)流MISD（MultipleInstructionstreamSingleDatastream）多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD（MultipleInstructionstreamMultipleDatastream）

1.1

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念4類(lèi)計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)IS：指令流DS：數(shù)據(jù)流CS：控制流CU：控制部件PU：處理部件MM和SM：存儲(chǔ)器1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念馮氏分類(lèi)法用系統(tǒng)的最大并行度對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類(lèi)。最大并行度：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能夠處理的最大的二進(jìn)制位數(shù)。

用平面直角坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其橫坐標(biāo)表示字寬（n位），縱坐標(biāo)表示一次能同時(shí)處理的字?jǐn)?shù)（m字）。m×n就表示了其最大并行度。

1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念4類(lèi)不同最大并行度的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)字串位串：n＝1，m＝1。

(第一代計(jì)算機(jī)發(fā)展初期的純串行計(jì)算機(jī))字串位并：n＞1，m＝1。這是傳統(tǒng)的單處理機(jī)，同時(shí)處理單個(gè)字的多個(gè)位，如16位、32位等。字并位串：n＝1，m＞1。同時(shí)處理多個(gè)字的同一位（位片）。字并位并：n＞1，m＞1。同時(shí)處理多個(gè)字的多個(gè)位。平均并行度與最大并行度密切相關(guān)的一個(gè)指標(biāo)。取決于系統(tǒng)的運(yùn)用程度，與應(yīng)用程序有關(guān)。

1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念

假設(shè)每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能同時(shí)處理的二進(jìn)制位數(shù)為Pi，則T個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的平均并行度為：系統(tǒng)在T個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的平均利用率定義為：1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念Handler分類(lèi)法根據(jù)并行度和流水線對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類(lèi)。把計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)分成3個(gè)層次程序控制部件（PCU）的個(gè)數(shù)k算術(shù)邏輯部件（ALU）或處理部件（PE）的個(gè)數(shù)d每個(gè)算術(shù)邏輯部件包含基本邏輯線路(ELC)的套數(shù)w用公式表示

t（系統(tǒng)型號(hào)）＝（k，d，w）進(jìn)一步改進(jìn)

t（系統(tǒng)型號(hào)）＝（k×k’，d×d’，w×w’）1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念k’：宏流水線中程序控制部件的個(gè)數(shù)d’：指令流水線中算術(shù)邏輯部件的個(gè)數(shù)w’：操作流水線中基本邏輯線路的套數(shù)例如：Cray-1有1個(gè)CPU，12個(gè)相當(dāng)于ALU或PE的處理部件，可以最多實(shí)現(xiàn)8級(jí)流水線。字長(zhǎng)為64位，可以實(shí)現(xiàn)1～14位流水線處理。所以Cray-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可表示為：

t（Cray-1）＝(1，12×8，64×（1～14）)幾個(gè)例子：

t（PDP-11）＝(1，1，16)t（IlliacⅣ）＝(1，64，64)t（STARAN）＝(1，8192，1)t（Cmmp）＝(16，1，16)t（PEPE）＝(1×3，288，32)t（TI-ASC）＝(1，4，64×8)4個(gè)定量原理：以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)對(duì)經(jīng)常發(fā)生的情況采用優(yōu)化方法的原則進(jìn)行選擇，以得到更多的總體上的改進(jìn)。優(yōu)化是指分配更多的資源、達(dá)到更高的性能或者分配更多的電能等。1.2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Amdahl定律加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占系統(tǒng)中總執(zhí)行時(shí)間的百分比。系統(tǒng)性能加速比：加速比＝系統(tǒng)性能改進(jìn)后系統(tǒng)性能改進(jìn)前總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)前總執(zhí)行時(shí)間改進(jìn)后＝1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加速比依賴(lài)于兩個(gè)因素可改進(jìn)比例（Fe）：在改進(jìn)前的系統(tǒng)中，可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總的執(zhí)行時(shí)間中所占的比例。它總是小于等于1。例如：一個(gè)需運(yùn)行60秒的程序中有20秒的運(yùn)算可以加速，那么這個(gè)比例就是20/60。部件加速比（Se）：可改進(jìn)部分改進(jìn)以后性能提高的倍數(shù)。它是改進(jìn)前所需的執(zhí)行時(shí)間與改進(jìn)后執(zhí)行時(shí)間的比。一般情況下部件加速比是大于1的。例如：若系統(tǒng)改進(jìn)后，可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間是2秒，而改進(jìn)前其執(zhí)行時(shí)間為5秒，則部件加速比為5/2。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)后程序的總執(zhí)行時(shí)間TnT0：改進(jìn)前整個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間1－Fe：不可改進(jìn)比例系統(tǒng)加速比Sn為改進(jìn)前與改進(jìn)后總執(zhí)行時(shí)間之比:1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

例1.1將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快15倍，但該功能的處理時(shí)間僅占整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？解由題可知：Fe=40%=0.4Se=15

根據(jù)Amdahl定律可知：

采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高到原來(lái)的1.6倍。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

例1.2某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用浮點(diǎn)運(yùn)算部件后，使浮點(diǎn)運(yùn)算速度提高到原來(lái)的25倍，而系統(tǒng)運(yùn)行某一程序的整體性能提高到原來(lái)的4倍，試計(jì)算該程序中浮點(diǎn)操作所占的比例。解由題可知：Se=25Sn=4

根據(jù)Amdahl定律可知：

由此可得：Fe

=78.1%

即程序中浮點(diǎn)操作所占的比例為78.1%。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Amdahl定律：一種性能改進(jìn)的遞減規(guī)則如果僅僅對(duì)計(jì)算任務(wù)中的一部分做性能改進(jìn)，則改進(jìn)得越多，所得到的總體性能的提升就越有限。重要推論：如果只針對(duì)整個(gè)任務(wù)的一部分進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，那么所獲得的加速比不超過(guò)：

1/（1－可改進(jìn)比例）1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)CPU性能公式執(zhí)行一個(gè)程序所需的CPU時(shí)間CPU時(shí)間=執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)×?xí)r鐘周期時(shí)間其中：時(shí)鐘周期時(shí)間是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的倒數(shù)。每條指令執(zhí)行的平均時(shí)鐘周期數(shù)CPI

（CyclesPerInstruction）

CPI=執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)／IC

IC：所執(zhí)行的指令條數(shù)程序執(zhí)行的CPU時(shí)間可以寫(xiě)成

CPU時(shí)間=IC×CPI×?xí)r鐘周期時(shí)間1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)CPU的性能取決于三個(gè)參數(shù)時(shí)鐘周期時(shí)間：取決于硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)組成；CPI：取決于計(jì)算機(jī)組成和指令系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；IC：取決于指令系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和編譯技術(shù)。對(duì)CPU性能公式進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化假設(shè)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有n種指令；

CPIi

：第i種指令的處理時(shí)間；

ICi

：在程序中第i種指令出現(xiàn)的次數(shù)；則：

CPU時(shí)鐘周期數(shù)=(CPIi

ICi)ni=11.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)CPU時(shí)間=執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)×?xí)r鐘周期時(shí)間

=

（CPIi×ICi）×?xí)r鐘周期時(shí)間CPI可以表示為：CPI===

其中：(ICi/IC)反映了第i種指令在程序中所占的比例。i=1n時(shí)鐘周期數(shù)IC（CPIi×ICi）i=1nIC（CPIi×）i=1nICiIC1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

例1.3

假設(shè)FP指令的比例為25%，其中，F(xiàn)PSQR占全部指令的比例為2%，F(xiàn)P操作的CPI為4，F(xiàn)PSQR操作的CPI為20，其他指令的平均CPI為1.33?，F(xiàn)有兩種改進(jìn)方案，第一種是把FPSQR操作的CPI減至2，第二種是把所有的FP操作的CPI減至2，試比較兩種方案對(duì)系統(tǒng)性能的提高程度。解

沒(méi)有改進(jìn)之前，每條指令的平均時(shí)鐘周期CPI為：

1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）采用第一種方案

FPSQR操作的CPI由CPIFPSQR＝20減至CPI’FPSQR＝2，則整個(gè)系統(tǒng)的指令平均時(shí)鐘周期數(shù)為：

CPI1＝CPI―（CPIFPSQR―CPI’FPSQR）×2%

＝2―(20―2)×2%＝1.64

（2）采用第二種方案所有FP操作的CPI由CPIFP＝4減至CPI’FP＝2，則整個(gè)系統(tǒng)的指令平均時(shí)鐘周期數(shù)為：

CPI2＝CPI―（CPIFP―CPI’FP）×25%

＝2―(4―2)×25%＝1.5

從降低整個(gè)系統(tǒng)的指令平均時(shí)鐘周期數(shù)的程度來(lái)看，第二種方案優(yōu)于第一種方案。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

例1.4考慮條件分支指令的兩種不同設(shè)計(jì)方法：（1）CPU1：通過(guò)比較指令設(shè)置條件碼，然后測(cè)試條件碼進(jìn)行分支。（2）CPU2：在分支指令中包括比較過(guò)程。在這兩種CPU中，條件分支指令都占用2個(gè)時(shí)鐘周期，而所有其它指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期。對(duì)于CPU1，執(zhí)行的指令中分支指令占30%；由于每條分支指令之前都需要有比較指令，因此比較指令也占30%。由于CPU1在分支時(shí)不需要比較，因此CPU2的時(shí)鐘周期時(shí)間是CPU1的1.35倍。問(wèn)：哪一個(gè)CPU更快？如果CPU2的時(shí)鐘周期時(shí)間只是CPU1的1.15倍，哪一個(gè)CPU更快呢？1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

解我們不考慮所有系統(tǒng)問(wèn)題，所以可用CPU性能公式。占用2個(gè)時(shí)鐘周期的分支指令占總指令的30%，剩下的指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期。所以

CPI1=0.3×2+0.70×1=1.3則CPU1性能為：總CPU時(shí)間1=IC1

×1.3×?xí)r鐘周期1根據(jù)假設(shè)，有：時(shí)鐘周期2=1.35×

時(shí)鐘周期1

在CPU2中沒(méi)有獨(dú)立的比較指令，所以CPU2的程序量為CPU1的70%，分支指令的比例為：1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

30%/70%=42.8%

這些分支指令占用2個(gè)時(shí)鐘周期，而剩下的57.2%的指令占用1個(gè)時(shí)鐘周期，因此：

CPI2=0.428×2+0.572×1=1.428因?yàn)镃PU2不執(zhí)行比較，故：

IC2=0.8×IC1因此CPU2性能為：總CPU時(shí)間2=IC2

×CPI2

×

時(shí)鐘周期2=0.7×IC1

×1.428×（1.35×?xí)r鐘周期1）

=1.349×IC1

×?xí)r鐘周期11.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在這些假設(shè)之下，盡管CPU2執(zhí)行指令條數(shù)較少，CPU1因?yàn)橛兄痰臅r(shí)鐘周期，所以比CPU2快。如果CPU2的時(shí)鐘周期時(shí)間僅僅是CPU1的1.15倍，則時(shí)鐘周期2=1.15×?xí)r鐘周期1CPU2的性能為：總CPU時(shí)間2=IC2×CPI2

×?xí)r鐘周期2

=0.7×IC1

×1.428×（1.15×?xí)r鐘周期1）

=1.15×IC1

×?xí)r鐘周期1

因此CPU2由于執(zhí)行更少指令條數(shù)，比CPU1運(yùn)行更快。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程序的局部性原理程序執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)的存儲(chǔ)器地址分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚。常用的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則程序執(zhí)行時(shí)間的90%都是在執(zhí)行程序中10%的代碼。程序的時(shí)間局部性程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。程序的空間局部性程序即將用到的信息很可能與目前正在使用的信息在空間上相鄰或者臨近。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的任務(wù)包括：指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)表示的設(shè)計(jì)、功能的組織、邏輯設(shè)計(jì)以及其物理實(shí)現(xiàn)等。設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)大致要完成3個(gè)方面的工作。確定用戶(hù)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能、價(jià)格和性能的要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的目標(biāo)設(shè)計(jì)出能滿(mǎn)足用戶(hù)的功能需求、有較長(zhǎng)的生命周期、且又具有很高的性能價(jià)格比的系統(tǒng)。功能需求：根據(jù)市場(chǎng)的需要以及所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)確定1.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ｓ眠€是通用？面向科學(xué)計(jì)算還是面向商用處理？軟件兼容軟件兼容是指一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的程序不加修改就可以搬到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上正常運(yùn)行。操作系統(tǒng)需求包括地址空間大小、存儲(chǔ)管理、保護(hù)等。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上對(duì)操作系統(tǒng)的需求提供支持，是很重要的一點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)確定系統(tǒng)中哪些方面要采用標(biāo)準(zhǔn)以及采用什么標(biāo)準(zhǔn)。如：浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、I/O總線標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)等。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟硬件功能分配考慮如何優(yōu)化設(shè)計(jì)？必須考慮軟硬件功能的合理分配。軟件和硬件在實(shí)現(xiàn)功能上是等價(jià)的用軟件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)容易、修改簡(jiǎn)單，而且可以減少硬件成本。但是所實(shí)現(xiàn)的功能的速度較慢。用硬件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)：速度快、性能高，但它修改困難，靈活性差。在軟硬件之間進(jìn)行折中和取舍。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)出生命周期長(zhǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特別注意計(jì)算機(jī)應(yīng)用和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)設(shè)計(jì)出具有一定前瞻性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以使得它具有較長(zhǎng)的生命周期。1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法“由上往下”（top-down）設(shè)計(jì)從層次結(jié)構(gòu)中的最上面一級(jí)開(kāi)始，逐層往下設(shè)計(jì)各層的機(jī)器。1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先確定面對(duì)使用者的那級(jí)機(jī)器的基本特征、數(shù)據(jù)類(lèi)型和格式、基本命令等。然后再逐級(jí)往下設(shè)計(jì)，每級(jí)都考慮如何優(yōu)化上一級(jí)的實(shí)現(xiàn)。適合于專(zhuān)用機(jī)的設(shè)計(jì)，而不適合通用機(jī)的設(shè)計(jì)?！坝上峦稀保╞ottom-up）設(shè)計(jì)

從層次結(jié)構(gòu)的最下面一級(jí)開(kāi)始，逐層往上設(shè)計(jì)各層的機(jī)器。采用這種方法時(shí)，軟件技術(shù)完全處于被動(dòng)狀態(tài)，這會(huì)造成軟件和硬件的脫節(jié)，使整個(gè)系統(tǒng)的效率降低。（在早期被采用得比較多，現(xiàn)在已經(jīng)很少被采用了）1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)“從中間開(kāi)始”（middle-out）設(shè)計(jì)

“由上往下”和“由下往上”設(shè)計(jì)方法的主要缺點(diǎn)軟、硬件設(shè)計(jì)分離和脫節(jié)解決方法：綜合考慮軟、硬件的分工，從中間開(kāi)始設(shè)計(jì)?！爸虚g”：層次結(jié)構(gòu)中的軟硬件的交界面，目前一般是在傳統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器級(jí)與操作系統(tǒng)機(jī)器級(jí)之間。從中間開(kāi)始設(shè)計(jì)首先要進(jìn)行軟、硬件功能分配，確定好這個(gè)界面。然后從這個(gè)界面開(kāi)始，軟件設(shè)計(jì)者開(kāi)始往上設(shè)計(jì)1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)、匯編、編譯系統(tǒng)等，硬件設(shè)計(jì)者開(kāi)始往下設(shè)計(jì)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)、微程序機(jī)器級(jí)等。執(zhí)行時(shí)間和吞吐率如何評(píng)測(cè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能，與測(cè)試者看問(wèn)題的角度有關(guān)。用戶(hù)關(guān)心的是：?jiǎn)蝹€(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間（執(zhí)行單個(gè)程序所花的時(shí)間很少）數(shù)據(jù)處理中心的管理員關(guān)心的是：吞吐率（在單位時(shí)間里能夠完成的任務(wù)很多）1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)假設(shè)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)為X和Y，X比Y快的意思是：對(duì)于給定任務(wù)，X的執(zhí)行時(shí)間比Y的執(zhí)行時(shí)間少。X的性能是Y的n倍：執(zhí)行時(shí)間與性能成反比：執(zhí)行時(shí)間Y執(zhí)行時(shí)間X=nn===執(zhí)行時(shí)間Y執(zhí)行時(shí)間X性能Y1性能X1性能X性能Y1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)執(zhí)行時(shí)間可以有多種定義：計(jì)算機(jī)完成某一任務(wù)所花費(fèi)的全部時(shí)間，包括磁盤(pán)訪問(wèn)、存儲(chǔ)器訪問(wèn)、輸入/輸出、操作系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)等。CPU時(shí)間：CPU執(zhí)行所給定的程序所花費(fèi)的時(shí)間，不包含I/O等待時(shí)間以及運(yùn)行其它程序的時(shí)間。用戶(hù)CPU時(shí)間：用戶(hù)程序所耗費(fèi)的CPU時(shí)間。系統(tǒng)CPU時(shí)間：用戶(hù)程序運(yùn)行期間操作系統(tǒng)耗費(fèi)的

CPU時(shí)間。1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)基準(zhǔn)測(cè)試程序用于測(cè)試和比較性能的基準(zhǔn)測(cè)試程序的最佳選擇是真實(shí)應(yīng)用程序。（例如編譯器）以前常采用簡(jiǎn)化了的程序，例如：核心測(cè)試程序：從真實(shí)程序中選出的關(guān)鍵代碼段構(gòu)成的小程序。小測(cè)試程序：簡(jiǎn)單的只有幾十行的小程序。合成的測(cè)試程序：人工合成出來(lái)的程序。Whetstone與Dhrystone是最流行的合成測(cè)試程序。

從測(cè)試性能的角度來(lái)看，上述測(cè)試程序不可信了。1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)原因：這些程序比較小，具有片面性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者和編譯器的設(shè)計(jì)者可以“合謀”把他們的機(jī)器面向這些測(cè)試程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得該機(jī)器顯得性能更高。性能測(cè)試的結(jié)果除了和采用什么測(cè)試程序有關(guān)以外，還和在什么條件下進(jìn)行測(cè)試有關(guān)?；鶞?zhǔn)測(cè)試程序設(shè)計(jì)者對(duì)制造商的要求采用同一種編譯器；對(duì)同一種語(yǔ)言的程序都采用相同的一組編譯標(biāo)志。1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)一個(gè)問(wèn)題：是否允許修改測(cè)試程序的源程序三種不同的處理方法：不允許修改；允許修改，但因測(cè)試程序很復(fù)雜或者很大，幾乎是無(wú)法修改。允許修改，只要保證最后輸出的結(jié)果相同?；鶞?zhǔn)測(cè)試程序套件：由各種不同的真實(shí)應(yīng)用程序構(gòu)成。（能比較全面地反映計(jì)算機(jī)在各個(gè)方面的處理性能）SPEC系列：最成功和最常見(jiàn)的測(cè)試程序套件（美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)性能測(cè)試公司創(chuàng)建）1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)桌面計(jì)算機(jī)的基準(zhǔn)測(cè)試程序套件可以分為兩大類(lèi)：處理器性能測(cè)試程序，圖形性能測(cè)試程序SPEC89：用于測(cè)試處理器性能。10個(gè)程序（4個(gè)整數(shù)程序，6個(gè)浮點(diǎn)程序）演化出了4個(gè)版本

SPEC92：20個(gè)程序

SPEC95：18個(gè)程序

SPEC2000：26個(gè)程序

SPECCPU2006：29個(gè)程序SPECCPU20061.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)整數(shù)程序12個(gè)（CINT2006）

9個(gè)是用C寫(xiě)的，3個(gè)是用C++寫(xiě)的浮點(diǎn)程序17個(gè)（CFP2006）

6個(gè)是用FORTRAN寫(xiě)的，4個(gè)是用C++寫(xiě)的，3個(gè)是用C寫(xiě)的，4個(gè)是用C和FORTRAN混合編寫(xiě)的。SPEC測(cè)試程序套件中的其它一系列測(cè)試程序組件SPECSFS：用于NFS（網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)）文件服務(wù)器的測(cè)試程序。它不僅測(cè)試處理器的性能，而且測(cè)試I/O系統(tǒng)的性能。它重點(diǎn)測(cè)試吞吐率。SPECWeb：Web服務(wù)器測(cè)試程序。1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)SPECviewperf：用于測(cè)試圖形系統(tǒng)支持OpenGL庫(kù)的性能。SPECapc：用于測(cè)試圖形密集型應(yīng)用的性能。性能比較兩個(gè)程序在A、B、C三臺(tái)機(jī)器上的執(zhí)行時(shí)間1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)如何比較這三臺(tái)機(jī)器的性能呢？從該表可以得出：執(zhí)行程序1:A機(jī)的速度是B機(jī)的10倍A機(jī)的速度是C機(jī)的20倍B機(jī)的速度是C機(jī)的2倍執(zhí)行程序2:B機(jī)的速度是A機(jī)的100倍C機(jī)的速度是A機(jī)的50倍B機(jī)的速度是C機(jī)的2倍1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)總執(zhí)行時(shí)間：機(jī)器執(zhí)行所有測(cè)試程序的總時(shí)間B機(jī)執(zhí)行程序1和程序2的速度是A機(jī)的50.05倍C機(jī)執(zhí)行程序1和程序2的速度是A機(jī)的24.02倍B機(jī)執(zhí)行程序1和程序2的速度是C機(jī)的2倍平均執(zhí)行時(shí)間：各測(cè)試程序執(zhí)行時(shí)間的算術(shù)平均值其中：Ti：第i個(gè)測(cè)試程序的執(zhí)行時(shí)間

n：測(cè)試程序組中程序的個(gè)數(shù)1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)加權(quán)執(zhí)行時(shí)間：各測(cè)試程序執(zhí)行時(shí)間的加權(quán)平均值其中，Wi：第i個(gè)測(cè)試程序在測(cè)試程序組中所占的比重

Ti：該程序的執(zhí)行時(shí)間1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)調(diào)和平均值法其中，Ri：由n個(gè)程序組成的工作負(fù)荷中執(zhí)行第i個(gè)程序的速度

Ri＝1/TiTi：第i個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間加權(quán)調(diào)和平均值公式1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)幾何平均值法：以某臺(tái)計(jì)算機(jī)的性能作為參考標(biāo)準(zhǔn)，其他計(jì)算機(jī)性能則除以該參考標(biāo)準(zhǔn)而獲得一個(gè)比值。

Ri：由n個(gè)程序組成的工作負(fù)荷中執(zhí)行第i個(gè)程序的速度

Ri＝1/Ti∏：連乘1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)加權(quán)幾何平均值Gm表示法有一個(gè)很好的特性幾何平均值的比等于比的幾何平均值1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展存儲(chǔ)程序原理的基本點(diǎn)：指令驅(qū)動(dòng)程序預(yù)先存放在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，機(jī)器一旦啟動(dòng)，就能按照程序指定的邏輯順序執(zhí)行這些程序，自動(dòng)完成由程序所描述的處理工作。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)計(jì)算機(jī)以運(yùn)算器為中心。在存儲(chǔ)器中，指令和數(shù)據(jù)同等對(duì)待。指令和數(shù)據(jù)一樣可以進(jìn)行運(yùn)算，即由指令組成的程序是可以修改的。存儲(chǔ)器是按地址訪問(wèn)、按順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元的位數(shù)是固定的。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展指令的執(zhí)行是順序的。一般是按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行。程序的分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。由指令計(jì)數(shù)器PC指明當(dāng)前正在執(zhí)行的指令在存儲(chǔ)器中的地址。指令由操作碼和地址碼組成。指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制編碼表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn)輸入/輸出方式的改進(jìn)采用并行處理技術(shù)如何挖掘傳統(tǒng)機(jī)器中的并行性？在不同的級(jí)別采用并行技術(shù)。例如：微操作級(jí)、指令級(jí)、線程級(jí)、進(jìn)程級(jí)、任務(wù)級(jí)等。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展相聯(lián)存儲(chǔ)器與相聯(lián)處理機(jī)通用寄存器組高速緩沖存儲(chǔ)器Cache指令系統(tǒng)的發(fā)展兩個(gè)發(fā)展方向：復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC精減指令集計(jì)算機(jī)RISC1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展軟件的可移植性：一個(gè)軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺(tái)機(jī)器移植到另一臺(tái)機(jī)器上正確地運(yùn)行。差別只是執(zhí)行時(shí)間的不同。我們稱(chēng)這兩臺(tái)機(jī)器是軟件兼容的。實(shí)現(xiàn)可移植性的常用方法采用系列機(jī)，模擬與仿真，統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言。1.4.2軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)軟件移植的一種理想的方法較難實(shí)現(xiàn)系列機(jī)

由同一廠家生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的機(jī)器。較好地解決軟件開(kāi)發(fā)要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定與器件、硬件技術(shù)迅速發(fā)展的矛盾。軟件兼容`向上（下）兼容：按某檔機(jī)器編制的程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔的機(jī)器。向前（后）兼容：按某個(gè)時(shí)期投入市場(chǎng)的某種型號(hào)機(jī)器編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之前（后）投入市場(chǎng)的機(jī)器。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展向后兼容是系列機(jī)的根本特征。兼容機(jī)：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。模擬和仿真使軟件能在具有不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)器之間相互移植。在一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)另一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從指令集的角度來(lái)看，就是要在一種機(jī)器上實(shí)現(xiàn)另一種機(jī)器的指令集。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展模擬：用軟件的方法在一臺(tái)現(xiàn)有的機(jī)器（稱(chēng)為宿主機(jī)）上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)機(jī)器（稱(chēng)為虛擬機(jī)）的指令集。通常用解釋的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行速度較慢，性能較差。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展仿真：用一臺(tái)現(xiàn)有機(jī)器（宿主機(jī)）上的微程序去解釋實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)機(jī)器（目標(biāo)機(jī)）的指令集。運(yùn)行速度比模擬方法的快仿真只能在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差距不大的機(jī)器之間使用1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展推動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的最活躍的因素摩爾定律集成電路芯片上所集成的晶體管數(shù)目每隔18個(gè)月就翻一番。計(jì)算機(jī)的分代主要以器件作為劃分標(biāo)準(zhǔn)。它們?cè)谄骷?、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)等方面都有各自的特征。SMP：對(duì)稱(chēng)式共享存儲(chǔ)器多處理機(jī)

MPP：大規(guī)模并行處理機(jī)MP：多處理機(jī)1.4.3器件發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展不同的應(yīng)用對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了不同的要求。應(yīng)用需求是促使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的最根本的動(dòng)力。一些特殊領(lǐng)域：需要高性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算氣象模型、流體動(dòng)力學(xué)、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)1.4.4應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展大存儲(chǔ)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)問(wèn)題計(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)等并行性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻或者同一時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多種運(yùn)算或操作。只要在時(shí)間上相互重疊，就存在并行性。同時(shí)性：兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件在同一時(shí)刻發(fā)生。并發(fā)性：兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展1.5.1并行性的概念1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展從處理數(shù)據(jù)的角度來(lái)看，并行性等級(jí)從低到高可分為：字串位串：每次只對(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)行處理。最基本的串行處理方式，不存在并行性。字串位并：同時(shí)對(duì)一個(gè)字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。開(kāi)始出現(xiàn)并行性。字并位串：同時(shí)對(duì)許多字的同一位（稱(chēng)為位片）進(jìn)行處理。具有較高的并行性。全并行：同時(shí)對(duì)許多字的全部位或部分位進(jìn)行處理。最高一級(jí)的并行。1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展從執(zhí)行程序的角度來(lái)看，并行性等級(jí)從低到高可分為：指令內(nèi)部并行：?jiǎn)螚l指令中各微操作之間的并行。指令級(jí)并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。線程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程。通常是以一個(gè)進(jìn)程內(nèi)派生的多個(gè)線程為調(diào)度單位。任務(wù)級(jí)或過(guò)程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的過(guò)程或任務(wù)（程序段）以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元。作業(yè)或程序級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的作業(yè)或程序。1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展三種途徑：時(shí)間重疊引入時(shí)間因素，讓多個(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)而贏得速度。資源重復(fù)引入空間因素，以數(shù)量取勝。通過(guò)重復(fù)設(shè)置硬件資源，大幅度地提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。1.5.2提高并行性的技術(shù)途徑1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展資源共享這是一種軟件方法，它使多個(gè)任務(wù)按一定時(shí)間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展在發(fā)展高性能單處理機(jī)過(guò)程中，起主導(dǎo)作用的是時(shí)間重疊原理。實(shí)現(xiàn)時(shí)間重疊的基礎(chǔ)：部件功能專(zhuān)用化把一件工作按功能分割為若干相