计算机系统结构-1-计算机体系结构的基本概念.ppt

1.1简介1.2计算机体系结构的概念1.3计算机体系结构的发展1.4影响计算机体系结构的成本和价格因素1.5定量分析技术为基础的1.6计算机体系结构中并行性的开发，第一章计算机体系结构的基本概念，1.1简介，1 .计算机性能快速增长2 .体系结构的重要性3。基于微处理器的系统，电路技术的发展体系结构技术的发展，第一章计算机体系结构的基本概念，第一. 2.1计算机系统的层次概念1。计算机系统=软件硬件/固件2。计算机语言从低级发展到高级语言的语句比低级语言功能更强、更易于使用，但基于低级语言。3.从计算机语言的角度，将计算机系统按功能分为多层次。1.2计算机体系结构的概念，第1章计算机体系结构的基本概念，软件、硬件或固件，(1)虚拟机：由软件实现的系统。(2)语言实现的两种基本技术：翻译：将n级1程序转换为n级程序，然后运行新创建的n级程序。运行中，n级1程序不再访问。解释：每次n级1命令解码时，直接执行相同的n级命令序列，然后删除n级1命令重复执行。解释比翻译需要更长的时间，但占用的存储空间更少。1.2计算机体系结构的概念，1.2.2计算机体系结构1。计算机体系结构的定义：程序员看到的计算机的特性，即概念结构和功能特性。2.根据计算机系统的多层次结构，不同级别的程序员看到的计算机具有不同的特性。3.透明性对于计算机技术中本来存在的这种事物或属性，但从任何角度看似乎都不存在。1.2计算机体系结构的概念，4。Amdahl建议的体系结构：现有系统级体系结构。通常是机器语言程序员看到的传统机器级别的属性。5 .对于通用寄存器机器，这些属性主要包括：(1)数据表示(硬件可以直接识别和处理的数据类型)(2)寻址规则(包括最小寻址单位、寻址方法及其表示)(3)寄存器定义(包括各种寄存器的定义、数量和使用方法)，1.2计算机命令之间的排序和控制机构等)(5)系统中断(中断类型和中断响应硬件功能等)(6)定义和切换系统运行状态(例如管道类型和类型等)(7)存储系统(主内存容量、程序员可用的最大存储容量等)，1.2计算机体系结构概念经典计算机体系结构概念的本质：确定计算机系统的硬件和软件接口，上面有软件功能，下面有硬件和固件功能的接口。1.2计算机体系结构的概念，1.2.3计算机配置和计算机实现技术1。计算机配置：计算机体系结构的逻辑实现。计算机实施：计算机配置的物理实施。一个体系结构可以由多个部分组成。配置可以有多种物理实现。3.系列(1)系列机器是在一家制造商内部制造相同体系结构，但配置和实施不同的一系列其他机器。1.2计算机体系结构的概念，(2)IBMPC系列机器(处理器、处理器字符宽度、主要I/O总线、存储空间、主要操作系统和计算机结构)，例如IBM370系列为370/115、125、135，1.2计算机体系结构的概念，1.2计算机体系结构的概念，1.2计算机体系结构的概念，1.2计算机体系结构的概念，1.2计算机体系结构的概念，1.2计算机体系结构的概念，计算机PC和pcx tpat 80386 PC 80486 pcpentiumpcpentiumiipcpentium 存储空间20位24位32位32位32位32位32位32位32位；主要操作系统DOSDOS、XENIXDOS、Windows3.0DOS、Windows3.1DOS、Windows3.1Windows95Windows98、 软件与：兼容。但是，它可以在具有相同体系结构的单个文件系统上运行，无需修改。1.2计算机体系结构概念，与上(下)兼容：可以在较高(较低)的文件系统上运行，而无需修改任何特定于机器的进程。未来(稍后)兼容性：在特定时间内投入市场的特定类型机器制作的程序，在此之前(稍后)投入市场的机器上无需修改即可运行。向后兼容性是软件兼容性的基本功能，也是产品系列的基本特征。5 .具有不同制造商制造的相同体系结构的计算机。1.2计算机体系结构的概念，1.3计算机体系结构的发展，1.3.1存储程序计算机体系结构和开发，第1章计算机体系结构的基本概念，1 .存储程序计算机的主要特性，(1)机器以操作符为中心，(2)存储程序原理的使用；(3)内存是按地址访问的线性寻址空间。(4)控制流由命令流生成。(5)说明由操作码和地址代码组成。(6)数据用使用二进制运算的二进制编码表示。1.3开发计算机体系结构，2 .改进体系结构；(1)在以分布式I/O处理能力计算设备为中心的较慢输入/输出操作中安装高速计算设备的问题。为了解决这个问题，人们提出了各种输入/输出方法。1.3计算机体系结构发展，1.3计算机体系结构发展，(2)是否将受保护的存储空间、命令和数据放在同一阵列中？优点：无需事先区分指令和数据，易于实现存储管理软件：程序和命令可以在执行过程中修改，因此可以编写灵活的可修改程序。访问命令和数据所需的读/写和寻址电路具有简单的硬件。数据可以分配到任何可用空间，从而更有效地利用存储空间等。1.3开发计算机体系结构，缺点：不利于程序调试诊断；不利于实现程序的可重新进入性和程序的递归调用。不利于叠加和流动方法的操作。大多数计算机规定在运行过程中不能修改程序。1.3计算机体系结构开发，(3)内存组织结构开发，连接内存和连接处理器公共寄存器高速缓冲内存和多级存储组织结构，(4)并行处理技术如何在现有系统中挖掘并行性？改进CPU配置、预控制重叠方式、开发1.3计算机体系结构、针对某些计算问题的体系结构并行计算。矢量计算多机并行处理系统将一个任务(程序)分为多个可并行执行的任务(程序段)，将每个任务分配给一个处理器。多工作部件流方法、1.3计算机体系结构开发、复杂指令集计算器(CISC)精简指令集计算机(RISC)、(5)指令集结构开发指令集功能、指令地址空间和寻址方法多种灵活的寻址方法。1.3计算机体系结构的发展，1.3.2计算机的代和子1。计算机迄今为止，第五代计算机各有明显的设备、体系结构技术和软件技术的特点。2.计算机可以根据价格分为5个等级：巨型、大型机、中型、小型、小型、小型、1.3计算机体系结构的发展、3。计算机系统性能随时间变化，“下移”，1.3计算机体系结构的发展，1.3计算机体系结构的发展，4 .根据当前计算机应用领域市场的现状和价格特征，一般可以将计算机分为服务器、台式机系统和嵌入式计算三个主要领域。5 .新体系结构的设计(1)合理提高计算机系统的硬件功能比例，从而为操作系统、高级语言甚至应用程序软件提供更好的支持；(2)通过提高并行度水平，使计算机体系结构能够以多种方式并行处理和处理所有可并行处理的问题，该体系结构和配置为算法提供了更好的支持。1.3开发计算机体系结构，1.3.3开发应用程序要求1。计算机设计受两个因素的影响。2 .软件技术最重要的发展趋势(1)计划和数据使用的存储容量持续增长；(2)编译器的重要性日益突出，逐渐成为用户和计算机的主要接口。计算机当前和未来的使用方法子实现技术，1.3计算机体系结构的发展，3 .计算机技术与市场的区别已成为桌面计算、服务器和嵌入式计算三个部分，这三个不同领域应用要求的特点对计算机系统设计有很大影响。桌面计算市场是销量最高的市场，性能性价比要求最高、最敏感的市场。服务器市场的计算机要求是可用性、高容量和可扩展性。嵌入式计算与正在解决的应用程序问题密切相关，要求很大。1.3计算机体系结构发展，表1.3桌面计算、服务器和嵌入式计算三类应用，系统价格(美元)每个处理器的价格(美元)2000年芯片销售(芯片)主要指标，1000-100000100-100000000、特性、桌面计算、服务器、1.3.4计算机实现技术开发、1。现代计算机实现技术的基本核心是基于晶体管的平面集成电路2。摩尔定律集成电路密度大约每两年增加一倍。3.内存芯片和英特尔微处理器的发展变化、1.3计算机体系结构的发展、图1.7内存芯片密度和英特尔微处理器的集成开发、1.3计算机体系结构的发展、4 .4种实现技术对现代计算机的发展起着至关重要的作用，逻辑电路半导体动态随机访问存储器(DRAM)磁盘网络，1.3计算机体系结构的发展，1.3.5技术的挑战和体系结构的生命周期，1 .包括对计算机系统设计师的技术挑战体系结构、设计工具、制造工艺、软件和应用等多个方面，甚至经济问题。2.集成电路制造的重要技术指标之一：特征大小、1.3计算机体系结构开发、型号40048008080808886/8088028680386 dx 80486 dxpentiumpentiumpropentiumiipentiumentium 4、发布日期1996随着特性大小的减少，首先挑战功耗。原因：1.3计算机体系结构的发展，(1)集成电路连接的相对长度增加，单位长度阻抗增加，更高的电路工作时钟速度需要更大的电流来驱动水平翻转和信号变化传递；(2)随着电路密度的增加，芯片单位面积的功率(功率密度)增加。(3)集成电路在减小特征大小的同时，降低电路各层的厚度，从而降低工作电压。(4)随着特性大小的减小，晶体管各个电极之间的绝缘层性能急剧下降，电极之间的泄漏电流问题日益突出；(5)由于最新微处理器的数千个部件不能同时工作，因此需要在设计中适当分配功耗，对于无法工作的部件，需要暂时降低性能或暂停工作以降低系统功耗。1.3计算机体系结构的发展，图1.8微处理器的运行和泄漏电流，1.3计算机体系结构的发展，4 .设计上的问题：微处理器芯片准确性验证复杂性增加了一倍。5.从经济角度看问题和从技术角度看问题往往是不同的6。从生成到消亡大约需要15-20年的计算机体系结构。1.3计算机体系结构的发展，图1.9体系结构的生命周期，影响1.4计算机体系结构的成本和价格因素，1.4.1计算机系统的成本和价格装配更高级的配置PC的硬件部件的价格分布总体上价格变化趋势在下降。电脑的价格与成本密切相关。第1章计算机体系结构的基本概念，附件处理器板(带基本I/O)内存硬盘图形显示光驱键盘和鼠标扬声器其他附件总计：型号奔腾42.6 cghz微明星865 PE-neo 2-PFS Kingston 256 mddr 400(2个)三星sp 80g价格和成本是不同概念商品的标价(价格)由以下因素组成：(1)原材料成本一个产品中所有部件的采购成本总和。(二)直接成本与产品生产直接相关的成本。(3)毛利主要影响公司的研发成本，影响1.4计算机体系结构的成本和价格因素，市场设置成本生产设备维护成本租赁费用租赁贷款利息税后利润和所得税，(4