《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》課件第1章

第1章緒論1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史1.2計(jì)算機(jī)的基本組成1.3計(jì)算機(jī)的層次概念1.4計(jì)算機(jī)的分類及性能描述

1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史

1.1.1發(fā)展歷史

1.第0代:機(jī)械計(jì)算器

2.第1代:電子管計(jì)算機(jī)(1945-1955年)

3.第2代:晶體管計(jì)算機(jī)(1955-1965年)

4.第3代:集成電路計(jì)算機(jī)(1965-1980年)

5.第4代:超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)(1980年-)

6.第5代:高性能智能計(jì)算機(jī)1.1.2摩爾定律

1.摩爾定律的由來

2.摩爾定律的未來

1.2計(jì)算機(jī)的基本組成

1.2.1硬件系統(tǒng)

1.硬件組成

圖1.1所示的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)是在1946年由馮·諾依曼提出的。在此硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了計(jì)算機(jī)是依據(jù)存儲(chǔ)程序、執(zhí)行程序并實(shí)現(xiàn)控制的方式工作的，這就是馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想。圖1.1早期計(jì)算機(jī)(硬件)的組成

2.馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

馮·諾依曼計(jì)算機(jī)工作的基本思想，就是將計(jì)算機(jī)要處理的問題用指令編成程序，并將程序存放在存儲(chǔ)器中，在控制器的控制下，從存儲(chǔ)器中逐條取出指令并執(zhí)行，通過執(zhí)行程序最終解決計(jì)算機(jī)所要處理的問題。盡管經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，也出現(xiàn)了新的設(shè)計(jì)思想，但馮·諾依曼的這種設(shè)計(jì)思想直到今天仍然還在廣泛地應(yīng)用。1.2.2軟件系統(tǒng)

1.系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是一系列保障計(jì)算機(jī)很好運(yùn)行的程序集合。它們的功能是對(duì)系統(tǒng)的各種資源(硬件和軟件)進(jìn)行管理和調(diào)度，使計(jì)算機(jī)能有條不紊地工作，為用戶提供有效的服務(wù)，充分發(fā)揮其效能。系統(tǒng)軟件包括:

(1)操作系統(tǒng)。

(2)語言處理程序。

(3)通用程序。

(4)各種服務(wù)支持軟件。

2.應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是指用戶在各自的應(yīng)用中，為解決自己的任務(wù)而編寫的程序。這是一類直接以用戶的需求為目標(biāo)的程序。由于用戶的多樣性(各行各業(yè)、各種部門)和用戶需求的多樣

性，使得這類軟件也具有多樣性。例如，用于科學(xué)計(jì)算、信息管理、過程控制、武器裝備等方面的應(yīng)用軟件。

1.3計(jì)算機(jī)的層次概念

1.3.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)可用圖1.2來表示。圖1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)

1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

今天的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所指的計(jì)算機(jī)的屬性主要包括:

·數(shù)據(jù)的表示形式;

·尋址方式;

·內(nèi)部寄存器組;

·指令集;

·中斷系統(tǒng);

·處理器工作狀態(tài)及其切換;

·存儲(chǔ)系統(tǒng);

·輸入/輸出結(jié)構(gòu);

·信息保護(hù)及特權(quán);

·高性能設(shè)計(jì)等。

2.計(jì)算機(jī)組成

計(jì)算機(jī)組成的設(shè)計(jì)主要包括:

·數(shù)據(jù)通路的寬度;

·專用部件的設(shè)置(如乘除法專用部件、浮點(diǎn)運(yùn)算專用部件等);

·各功能部件的并行程度;

·各種操作的相容性與互斥性;

·控制機(jī)構(gòu)的組成方式;

·緩沖與排隊(duì)技術(shù)的應(yīng)用;

·預(yù)估、預(yù)判方法;

·高可靠性技術(shù)等。

3.計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)就是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。

在上面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及計(jì)算機(jī)組成的基礎(chǔ)上，利用具體的集成電路芯片、電子元器件、部件、插頭、插座等，根據(jù)計(jì)算機(jī)組成的邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)物理計(jì)算機(jī)。

1.4計(jì)算機(jī)的分類及性能描述

1.4.1計(jì)算機(jī)的分類

1.早期的計(jì)算機(jī)分類方法

在20世紀(jì)80年代前，人們根據(jù)計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)、規(guī)模、價(jià)格等指標(biāo)，將計(jì)算機(jī)分為微型機(jī)、小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)和巨型機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，現(xiàn)在它們之間的界限已十分模糊。

2.按用途分類

1)通用計(jì)算機(jī)

(1)個(gè)人計(jì)算機(jī)。

(2)服務(wù)器。

2)嵌入式計(jì)算機(jī)

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的定義可表述為:以應(yīng)用為目標(biāo)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，對(duì)功能、實(shí)時(shí)性、可靠性、安全、體積、重量、成本、功耗、環(huán)境、安裝方式等方面有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

3.Flynn分類法

Flynn將計(jì)算機(jī)分為四類，如圖1.3所示。

1)單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD)計(jì)算機(jī)

2)單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)計(jì)算機(jī)

3)多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD)計(jì)算機(jī)

4)多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)計(jì)算機(jī)圖1.3

Flynn分類法各類計(jì)算機(jī)示意圖1.4.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能描述

1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置

1)個(gè)人計(jì)算機(jī)的配置

個(gè)人計(jì)算機(jī)最常見的是臺(tái)式(桌面)計(jì)算機(jī)和筆記本(便攜式)計(jì)算機(jī)，它們包括多個(gè)廠家和多種型號(hào)。這里列出一種臺(tái)式機(jī)的配置，從中可以了解該機(jī)的大致性能。

·處理器:英特爾酷睿TM2雙核處理器E6300(處理器主頻1.86GHz，2MB二級(jí)高速緩存，1.066GHz前端總線，硬件防病毒，65nm，節(jié)能技術(shù));

·WindowsVistaHomePremium簡(jiǎn)體中文版;

·支持英特爾64位內(nèi)存擴(kuò)展技術(shù);·采用英特爾LGA775封裝技術(shù);

·內(nèi)存:2GBDDRⅡ533;

·硬盤:SATA250GB(7200轉(zhuǎn));

·顯卡:NV7950256MBPCI-E高性能顯卡;

·19英寸寬屏液晶顯示器;

·SATADVDRW光驅(qū);

·集成100M網(wǎng)卡;

·集成5.1聲卡;

·防水抗菌鍵盤;

·光電鼠標(biāo);

·MTBF6萬小時(shí)。

2)服務(wù)器的配置

不同用途服務(wù)器的性能相差非常多，最簡(jiǎn)單的服務(wù)器用一臺(tái)一般的PC配上相應(yīng)的應(yīng)用軟件就可以實(shí)現(xiàn)，功能強(qiáng)的服務(wù)器可能需要成百上千個(gè)處理器構(gòu)成集群系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。表1.1列出的是某服務(wù)器的配置，從中可以了解該服務(wù)器的大致性能。

3)高性能計(jì)算機(jī)

不同時(shí)期，對(duì)高性能計(jì)算機(jī)有不同的解釋。目前，一般認(rèn)為性能達(dá)到或超過萬億次/秒的計(jì)算機(jī)為高性能計(jì)算機(jī)。

2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能計(jì)算

在許多實(shí)際的計(jì)算機(jī)中，減少執(zhí)行時(shí)間通常會(huì)改善吞吐量。對(duì)多處理機(jī)系統(tǒng)而言，雖然每個(gè)任務(wù)的完成并沒有加快，但增加了吞吐量。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用更快的CPU，可以改善執(zhí)行時(shí)間和吞吐量。

如果用時(shí)間來定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，則有

(1-1)

這意味著，如果計(jì)算機(jī)X的性能好于計(jì)算機(jī)Y，則有

PX＞PY或TY＞TX也即如果計(jì)算機(jī)X比計(jì)算機(jī)Y速度快，則在Y上的執(zhí)行時(shí)間比X的長(zhǎng)。從上述定義也可得到：

也即計(jì)算機(jī)的性能與其吞吐率成正比。在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)經(jīng)常要進(jìn)行計(jì)算機(jī)性能比較，相對(duì)性能(RelativePerformance)或性能比(PerformanceRatio)被定義為

(1-2)

這意味著，計(jì)算機(jī)X比計(jì)算機(jī)Y快n倍，或在Y上的執(zhí)行時(shí)間比X的長(zhǎng)n倍。

例1.1計(jì)算機(jī)A的性能比計(jì)算機(jī)B的性能好4倍，B完成一個(gè)指定的任務(wù)用時(shí)20s，那么A完成該任務(wù)用時(shí)多長(zhǎng)？

解因?yàn)?/p>

所以

TA=5s

即A完成該任務(wù)用時(shí)5s。

3.用測(cè)試程序來測(cè)評(píng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能

1)基準(zhǔn)測(cè)試程序

以往對(duì)計(jì)算機(jī)的測(cè)試采用過如下幾種程序:

①實(shí)際應(yīng)用程序，即計(jì)算機(jī)工作的真實(shí)程序。

②修正的實(shí)際應(yīng)用程序，即對(duì)真實(shí)程序進(jìn)行其些修改構(gòu)成測(cè)試程序。

③核心程序，即提取真實(shí)程序中的核心部分構(gòu)成測(cè)試程序。

④小測(cè)試程序，即具有特定目的的、100行以內(nèi)的測(cè)試程序。⑤合成測(cè)試程序，即選擇具有各種代表性的一系列測(cè)試程序，將它們組合在一起。這種測(cè)試程序的集合稱為測(cè)試程序組件，或者稱為合成測(cè)試程序或基準(zhǔn)測(cè)試程序。利用基準(zhǔn)測(cè)試程序的優(yōu)點(diǎn)是可以避免單個(gè)測(cè)試程序的片面性，更加全面地測(cè)試計(jì)算機(jī)的性能。因此，目前利用合成測(cè)試程序進(jìn)行計(jì)算機(jī)性能評(píng)估已被廣泛采用。目前常見的基準(zhǔn)測(cè)試程序有:

①TPC-C:對(duì)系統(tǒng)在線處理事務(wù)的能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。以每分鐘處理新訂單個(gè)數(shù)為單位。

②TPC-H:對(duì)系統(tǒng)在線數(shù)據(jù)庫資料的查詢能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。以每小時(shí)完成查詢的數(shù)量為單位。

③SPECWeb2005:用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)同時(shí)響應(yīng)http連接的最大數(shù)量。

④SPECjAppServer2004:用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)基于Java平臺(tái)每秒所完成的Java操作的最大數(shù)量。

⑤SPECCPU2000:用于對(duì)特定程序包執(zhí)行時(shí)的評(píng)估。⑥Linpack:在每秒內(nèi)，利用高斯消元法求解一元n次線性方程組的次數(shù)來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能。

⑦HPCC:利用雙精度矩陣乘法、傅立葉變換、并行矩陣轉(zhuǎn)置等七個(gè)子項(xiàng)全面評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能。

⑧SAPSD:測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間及每小時(shí)完成的訂單數(shù)，用以衡量系統(tǒng)同時(shí)執(zhí)行應(yīng)用程序及數(shù)據(jù)庫的能力。

2)SPECCPU2000基準(zhǔn)測(cè)試程序

SPEC成立于1988年，其全稱最初是SystemPerformanceEvaluationCooperative(系統(tǒng)性能評(píng)估合作社)，現(xiàn)在已經(jīng)更名為StandardPerformanceEvaluationCorporation(系統(tǒng)性能評(píng)估

公司),先后開發(fā)出一系列的測(cè)試程序，其主要版本有SPECCPU89、SPECCPU92、SPECCPU95、SPECCPU2000等。

3)PC性能測(cè)試

(1)CPU基本性能測(cè)試。對(duì)CPU基本性能測(cè)試采用如下兩種程序:

①PCMark2002:整機(jī)綜合性能測(cè)試軟件，其中包含對(duì)CPU、內(nèi)存、硬盤等子系統(tǒng)的性能測(cè)試。

②Superpi:將圓周率計(jì)算到104萬位,要求較高時(shí)可以選擇419萬位的運(yùn)算，最高可設(shè)3355萬位。這一科學(xué)計(jì)算軟件不但對(duì)CPU處理能力要求很高，而且測(cè)試結(jié)果受內(nèi)存帶寬和處理速度的影響很大，是檢驗(yàn)CPU、內(nèi)存和主板北橋芯片內(nèi)存控制器的常用基準(zhǔn)測(cè)試工具。

(2)基準(zhǔn)測(cè)試軟件測(cè)試。

①辦公應(yīng)用:BusinessWinstone2001。

②網(wǎng)絡(luò)/多媒體創(chuàng)作:CCWinstone2002。

③3D游戲處理性能:

·3DMark2001SE(330版)。

·Quake31.17版。

·SeriousSam-secondEncounter。

④3D圖形性能:Cinema4DXLV6.103。

(3)實(shí)際應(yīng)用軟件測(cè)試。

①M(fèi)PEG4編碼:FlasKMPEG0.594+DivX5.0.2。

②MP3編碼:Lame3.89alpha。

③文件壓縮:Winzip8.1。

4.Amdahl定律

Amdahl定律是20世紀(jì)60年代由IBM360系列計(jì)算機(jī)的主要設(shè)計(jì)者Amdahl提出的。其內(nèi)容為:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后，整個(gè)系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時(shí)間的比例有關(guān)。Amdahl定律給出了加速比的定義如下:

(1-3)從Amdahl定律所描述的內(nèi)容可以看到，通過對(duì)計(jì)算機(jī)某一部分的改進(jìn)，計(jì)算機(jī)總執(zhí)行時(shí)間比改進(jìn)前快出的倍數(shù)即為加速比。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的加速比取決于下面兩個(gè)因素:

(1)可改進(jìn)部分在原系統(tǒng)總執(zhí)行時(shí)間中所占的比例，稱為可改進(jìn)比例，用fe表示。例如，程序的總執(zhí)行時(shí)間為100s，可改進(jìn)的部分是其中的20s，則fe＝0.2。可見，fe總是小于或等于1的。

(2)可改進(jìn)部分改進(jìn)后性能提高的程度，通常用部件加速比re來表示某部件改進(jìn)后性能提高的比例。例如，某部件改進(jìn)后，執(zhí)行時(shí)間由原來的20s減少到5s，則部件加速比re＝20/5