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1、计算机组成原理与系统结构,第1章 计算机组成与系统结构概述,本章主要内容：,本章将讲述计算机发展、计算机系统构成、计算机组成、计算机实现和计算机系统结构等概念；同时介绍计算机系统结构的分类、计算机系统的性能评价等内容。重点掌握计算机系统结构的层次结构、计算机系统结构的分类和计算机系统的性能评价标准等。,1.1 计算机系统概念1.2 计算机系统的层次结构 1.3 计算机系统组成1.4 计算机系统结构的分类1.5 计算机系统结构的评价1.6 计算机系统结构的发展,1.1 计算机系统概念,1.1.1 计算机的产生与发展 世界上第一台电子计算机诞生于1946年， 是由美国宾西法尼亚大学摩尔学院机电系莫
2、 克利（J.Mauchly）教授及其同事们共同研制 成功的，称为电子数字积分器和计算机 （Electronic Numerical Integrator And Computer，ENIAC）。,1机械计算时代（16421945年）机械 式 2第一代电子计算机（1946年至20世纪 50年代末期）电子管 3第二代计算机（20世纪50年代末期至 60年代中期）晶体管 4第三代计算机（20世纪60年代中期至 70年代初期）和 5第三代以后的计算机（20世纪70年代 初开始）和,1.1.2 计算机的应用,1科学计算 2数据处理 3实时控制 4计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造 (CAM)/计算
3、机集成制造系统 5计算机信息管理,1.1.3计算机系统结构、计算机组成和计算机实现,1计算机系统结构 计算机体系结构，其英文为“Compuer Architecture”主要研究计算机系统的设计。,2计算机组成 计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实 现。 3计算机实现 计算机实现是指计算机组成的物理实现。,1.2 计算机系统的层次结构,计算机系统由硬件和 软件构成，如果以硬件 为核心，计算机系统可 以用图1-1表示。,图1-1 计算机硬件、软件和用户,图1-2计算机系统的层次结构,图1-2描述了计算机的层次结构。,1.3 计算机系统组成,CPU内部也由相对独立的几个部分组成， 如图1-3所示。
4、,图1-3 一台简单的计算机硬件组成图,1.4 计算机系统结构的分类,1.4.1弗林分类法 按照指令流和数据流的多寡，Flynn将计算机体 系结构分成4种类型。 （1）单指令流单数据流（Single Instruction stream Single Data stream，SISD）计算机。 （2）单指令流多数据流（Single Instruction stream Multiple Data stream，SIMD）计算机。 （3）多指令流单数据流（Multiple Instruction stream Single Data stream，MISD）计算机。 （4）多指令流多数据流（Mu
5、ltiple Instruction stream Multiple Data stream，MIMD）计算机。,表1-2计算机系统Flynn分类法,下表列出了Flynn分类法以及每种计算机的实例。,1.4.2 冯氏分类法,图1-5所示为冯氏分类法对计算机系统的划分情况， 其中的点为一些典型的计算机系统。,图1-5冯氏分类法及典型计算机系统,按照最大并行度的不同，冯氏分类法将计算机系 统分为以下4种。 （1）字串位串型（Word Serial Bit Serial， WSBS）：n=1，m=1 （2）字串位并型（Word Serial Bit Parallel， WSBP）：n=1，m1 （3
6、）字并位串型（Word Parallel Bit Serial， WPBS）：n1，m=1 （4）字并位并型（Word Parallel Bit Parallel， WPBP）：n1，m1,1.4.3 海德勒分类法,Hndler分类法实际上也可以称作Hndler表示 法，它是对计算机的整体并行度进行的一种表示 法。 Hndler表示法用如下形式表示计算机的结构特 征，即t（系统型号）=（k，d，w）。 其中，程序控制部件的个数为k，算术逻辑部件 或处理部件的个数为d，每个算术逻辑部件包含的基 本逻辑线路套数为w。,1.5 计算机系统结构的评价,1.5.1 系统运行速度 1MIPS 指计算机系统
7、每秒钟能执行百万条指令的 数量。 MIPS=指令条数/执行时间 2MFLOPS MFLOPS是指每秒钟百万次浮点运算数。 MFLOPS=程序中的浮点运算次数/运行时间,3标准程序测试法 （1）基准测试程序 System Performance Evaluation Corporation （2）整数测试程序：Dhrystone （3）浮点测试程序：Linpack （4）Whetstone基准测试程序 （5）TPC基准程序 Transaction Processing Council（事务处理委员会）,加速比是系统性能指标评价的另一个指标，系 统加速比有时也称为Amdahl定律。Amdahl是这
8、样 对系统加速比定义的： Sn=T0/Tn T0是指系统没有改进以前运行程序所用的时间； Tn是系统采用了改进措施以后运行程序所用的时 间。也可以将加速比描述为系统改进后运行程序 的速度与未采用改进措施前运行程序速度的比值。,1.5.2 加速比,Amdahl在考察系统加速比时引入两个重 要的指标，即可改进比Fe和部件加速比Se。 可改进比Fe是指在系统中可改进部分占系统 整体的百分数，因此0Fe1；部件加速比 Se是指改进部分采用改进措施以后比没有采 用改进措施以前性能提高的倍数，可见 Se1。,这样Tn=(1Fe)T0+Fe/SeT0=(1Fe+Fe / Se)T0 将上式代入加速比的定义中
9、，可得：,=,Sn=,可见，加速比Sn的大小只与Fe和Se有关，只要 Fe不为0且Se大于1，得到的Sn一定大于1，也就是说，只要对系统中某部件进行了改进，总会对全系统的性能提升有好处。,从上式可以看出，当Fe1时，SnSe。即，当 可改进比接近于1时，也就是说整个系统可以像一个 部件一样改进，则系统加速比就等于部件加速比。 当系统中有多个部件可以改进时，Amdahl定律 可以扩展为如下形式： Sn= (i=1,2m),其中m为系统中可改进的部件数量。 利用Amdahl定律可以知道，某一部件的改 进，使整个系统的性能能提高多少。同时也 可以由此得出系统的最佳配置，以保证系统 设计时部件的改进在
10、某种应用中获得更好的 性能价格比。,例1.1设系统中某部件采用改进措施后运行速度 是原来的10倍，而该部件的原运行时间占整个系 统运行时间的40%，那么，采用改进措施后会对 整个系统的性能提高多少？ 解：由题意可知，Fe=40%=0.4，Se=10 依据Amdahl定律， 得Sn= = =1.5625 即，采用改进措施后，系统可以提升速度为原来的1.5625倍。,1.5.3 CPU性能,表征CPU性能的主要标志：一是CPU的能 力；二是CPU的速度。 CPU的能力是通过硬件连接能力和系统管 理能力来体现的。 CPU的速度主要通过主时钟、指令时钟数 来衡量。,1主时钟 2CPU性能公式 程序的执
11、行时间称为CPU时间，即： CPU时间=时钟周期数/时钟频率 程序执行过程中所使用的指令数，记为IC，则： CPI=总时钟周期数/IC 程序执行的CPU时间就可以表示为： CPU时间=CPIIC/时钟频率=CPIIC时钟周期数 这个公式就是通常所称的CPU性能公式。,作为衡量CPU运行速度的指标CPI，通常是一种概率 统计的结果。 设通过对许多程序的统计，得知第i类指令的使用 频率是Pi，而执行该类指令所需的时钟周期为CPIi， 而全部指令的类别数为n，则该处理机的统计平均CPI 就为 CPI= = 其中的ICi为第i类指令的指令条数。,1.5.4 系统的性能价格比,为了更好地降低系统的生产成
12、本，系统设计者应 该考虑如下的问题： （1）对于生产批量不大的系统，应尽量采用成熟的 通用元器件，譬如使用市场上最常见的微处理器、 存储器芯片。 （2）充分利用成熟的技术，采用标准化设计。 （3）考虑系统的继承性和合理的体系结构。,1.6 计算机系统结构的发展,1.6.1 冯诺依曼机系统结构的演变 1.6.2 软件、应用和器件对系统结构的影响 1软件对系统结构的影响 2应用对系统结构的影响 3VLSI对系统结构的影响,1.6.3 系统结构中并行性的发展,并行性的实现方法有以下3种: （1）时间重叠从时间上体现并行性，同一时间 段内执行多个任务。 （2）资源重复从空间上体现并行性，几个任务 同时使用同一空间。 （3）资源共享从并发性上体现并行性。,并行性的发展从单机和多机两个方面考虑问题。 从单机的角度讲，考虑使用流水线技术、多道程 序、分时操作系统等技术实现系统并行性；从多机 系统来讲，可以使用松耦合系统、专用外围处理 机、专用语言处理机、异构型多处理机系统等形式 构成多计算机系统。,
