计算机组成原理课件（第三版）第十章计算机系统及发展

计算机组成原理 主编： 石磊 教授 郑州大学信息工程学院计算机系 2 第一章 概述 第二章 计算机中的数据表示 第三章 运算方法和运算器 第四章 存储器及存储系统 第五章 指令系统 第六章 中央处理器 第七章 系统总线 第八章 输入输出系统 第九章 计算机外部设备 第十章 计算机系统及发展 目录 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 3页 第 10章 计算机系统及发展 计算机组成原理 清华大学出版社教学目标 教学重点 教学过程 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 4页 教学目标 掌握计算机系统基本概念 了解计算机系统的发展方向 了解新一代的计算机系统 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 5页 教学重点 计算机系统基本概念 计算机系统的分类 精简指令系统计算机 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 6页 教学过程 算机系统基本概念 行计算机系统 一代计算机 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 7页 计算机系统基本知识 算机系统结构的定义 算机组成与实现 算机系统的分类 何提高计算机系统的运算速度 放系统 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 8页 算机系统结构的定义 计算机系统由硬件和软件组成。 1964年 序设计者看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。 按照计算机层次结构，不同程序设计者所看到的计算机有不同的属性。使用高级语言的程序员所看到的计算机属性主要是软件子系统和固件子系统的属性，包括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、网络软件等用户界面。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 9页 算机组成与实现 计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究各种组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。这种相互联系包括每个功能部件的配制、相互连接和相互作用。 计算机实现是指计算机组成的物理实现。包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，信号传输，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术以及有关的制造级数和工艺等。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 10页 算机系统的分类 （ 1/2） 一般采用 1966 年弗林（ 据指令流和数据流数量进行分类的方法。定义如下： 指令流（ 是机器执行的指令序列； 数据流（ 是由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果； 多重性（ 在系统最受限制的元件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 11页 算机系统的分类 （ 2/2） 按照指令流和数据流的不同组织方式、多重性，将计算机系统分成四类： 单指令流单数据流（ 算机系统 最常用的串行计算机，通常由一个处理器和一个存储器组成。每次执行一条指令，每次从存储器取（或存）一个数据。 单指令流多数据流（ 算机系统 具有多个处理单元，所有处理单元执行同一条指令。 多指令流单数据流（ 算机系统 有 多指令流多数据流（ 算机系统 由多台处理器和多个存储器成，并有一个互连网络实现各处理器和各存储器之间的通信。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 12页 何提高计算机系统的运算速度 从两个方面考虑提高计算机系统的运算速度： （ 1）微电子技术的发展和器件工艺的改进是提高集成度、提高工作频率的基础。计算机系统的发展又为微电子技术的发展带来更好的机遇； （ 2） 注意内存存取速度的提高，通道速度的提高，采用 些部件都与计算机系统的运算速度密切相关。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 13页 改进单机系统的系统结构的主要方法 （ 1） 减少 （ 2）采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果，减少访问存储器次数； （ 3）采用多体交叉存储器和 调 （ 4）时间重叠的流水线方式。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 14页 放系统 遵循国际标准接口，使得计算机系统之间有“可移植性”和“互操作性”。 可移植性是指将操作系统或应用软件放在不同厂家的各种不同型号的计算机上使用。 互操作性是指不同厂家在不同平台上开发的多种应用软件通过网络共享数据和协同工作的能力。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 15页 并行计算机系统 为了使计算机能够处理越来越复杂的问题，计算机体系结构设计者把注意力转向了并行计算机体系结构。可以在计算机体系结构的不同层次引入并行机制。 然而，如果想要将性能提高百倍、千倍甚至数万倍，就必须使用多个 它们一起高效地工作，这种思想造就了大规模多处理器和多计算机系统。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 16页 内并行 在最底层实现并行的一种方法就是在一个时钟周期内发射多条指令。多发射 标量处理器和超长指令字 理器。 超标量 际发射的指令数取决于处理器的设计和当前的环境。硬件决定了可以发射的指令的最大数量，通常是26条指令。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 17页 所有现代指令流水线的 如果内存引用在第一级和第二级 会导致长时间的等待 ， 直到需要的字节 （ 和它关联的 被加载到 这会造成流水线暂停 。 有一种方法可以解决这种情况 ， 称为片内多线程 ， 就是允许 简而言之 ， 如果线程 1被阻塞 ， ，这样能够保证硬件被充分利用 。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 18页 多线程技术付出适当的代价就能使性能显著提高 ， 但一些应用却需要更大幅度的提高性能 ， 这就无法利用多线程来提供 。 为了满足更高的性能要求 ， 人们开发了多处理器芯片 。 随着 现在已经能够将两个或更多个强大的 这些 它们组成了一个多处理器 。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 19页 流水线 c a c h e 存储器 流水线 c a c h e 存储器 ( a ) 双流水线芯片 ( b ) 双内核芯片 图 10芯片多处理器 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 20页 处理器 从物理的角度看 ， 协处理器可以是单独的机柜（ 60的 I/ ， 也可以是主板上的插接板 （ 网络处理器 ） ， 甚至可以是主芯片上的一部分区域 （ 浮点运算部件 ） 。 区分是否是协处理器的标准 ， 就是看是否存在其他处理器作为主处理器 ， 而协处理器只是协助主处理器工作 。 协处理器可以在很多领域发挥重要的作用 ， 例如网络分组处理 、 多媒体处理和数据安全处理等 。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 21页 多计算机系统为并行计算机系统的一种 。 在多计算机系统上运行的程序通过使用类似于 因为多计算机系统中的 可以使用多种不同的拓扑结构 、 交换策略和路由算法 。 所有多计算机系统的一个共同特点是 ， 当应用程序执行 系统就会通知通信处理器把一块用户数据传送到目的计算机中 （ 可能首先要发出请求并获得许可 ） 。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 22页 本地互联网络 磁盘和输入输出 通信处理器 内存 本地互联网络 磁盘和输入输出 通信处理器 内存 高性能互联网络 图 多计算机体系的通用结构 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 23页 1. 大规模并行处理器 第一类多计算机系统是大规模并行处理系统 ， 这是一种价值数百万美元的超级计算机系统 。 它被用于科学计算 、工程计算和其他需要大量计算的工业部门 ， 每秒可以处理大量事务 ， 还可以用于数据仓库 。 在 即如何进行容错 。 在使用数千个 每星期有若干个 因此大规模的 检测错误 ， 并从错误中平滑地恢复 。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 24页 2. 集群运算 集群计算机系统是由数百台 大型机和 内存 、 磁盘 、 操作系统等 。 只不过大型机的组件速度快一些 （ 操作系统除外 ） ， 但是他们的质量不同 ， 使用和管理也不同 。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 25页 格计算 网格 网格可以被想象为一种非常大 、 松散耦合 、 异构的集群 。 网格的目标是提供一种技术上的基础设施 ， 从而使一些有着共同目标的组织形成一个虚拟组织 （ 。 网格中对等的参与者众多 ， 具有多边特性 。 它和现有的客户 服务器 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 26页 新一代计算机 子计算机 米计算机 于第六代计算机 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 27页 子计算机 量子计算机。以量子力学理论为信息处理理论基础并以量子器件构成的计算机。 量子计算机与传统计算机相比，有以下两个优点： 、量子计算机能够解决一些传统计算机无法处理的问题； 、量子计算机能够将指数复杂性的问题降为多项式复杂性的问题。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 28页 米计算机 1 纳米等于十亿分之一米 ，是人类毛发直径的一万分之一，是可见光最短波长的四百分之一。 1974 年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术（ 利用纳米材料的一系列奇异特性，可以制造出一些奇特的纳米电子器件。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 29页 2011年 ， 可以模拟 大 脑 认 知 和 活 动 等 能 力 。 一 代 神 经 突 触(算机芯片完全不同于计算机设计与制造的传统理念 ， 它们通过先进算法和硅电路 ， 再现了发生于大脑等生物系统中神经细胞和突触之间的现象 。 用这种芯片造出来的系统被称为 “ 认知计算机 ” ， 它们无法像传统计算机一样进行编程 ， 但可以通过积累经验进行学习 ， 发现事物之间的相互联系 ， 模拟大脑结构和突触可塑性 。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 30页 于第六代计算机 一些科学家敏感地意识到 ， 目前作为计算机核心元件的集成电路的制造工艺很快将达到极限 。因此 ， 许多发达国家的科学家已着手探讨第六代计算机 ， 即作为计算机的核心核心元件不是传统的电子元件 ， 而是更新的光电子元件 、 超导电子元件或生物电子元件 。 计算机组成原理 第十章计算机系统结构 2015年 12月 17日 第 31页 本章小结 计算机系统由硬件和软件组成 。 计算机系统结构主要研究软件 、 硬件功能分配和对软件 、 硬件界面的确定 。 计算机系统结构 、 计算机组成和计算机实现是三个不同的概念 。 系统结构是计算机系统的软 、 硬件的界面 ，计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现 ， 计算机实现是计算机组成的物理实现 。 并行性包含两方面意思：同时性和并行性 。 主要表现为时间重叠 、 资源重复和资源共享 。 为了使计算机能够处理越来越复杂的问题 ， 计算机体系结构设计者把注