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1、1,徐 洁 13688171515,计算机系统结构 Computer Architecture,2,Computer Architecture - A quantitative approach (第4版, Chinese Version) 白跃彬等译 , 电子工业出版社, 教材,3,第1章 计算机设计基础 第2章 指令级并行及其开发 第3章 指令级并行性的限制 第4章 多处理器和线程级并行 第5章 存储器层次结构设计 第6章 外存系统（ Storage Systems） 附录A 流水线：基础和中级概念 附录B 指令系统原理与实例 附录C 存储层次结构回顾,教材内容,4,课程内容,第1章 计算
2、机设计基础 第2章 附录B 指令系统原理与实例 第3章 附录A 流水线：基础和中级概念 第4章 指令级并行及其开发（教材第2章） 第5章 附录C 存储层次结构回顾 存储器层次结构设计 第6章 多处理器和线程级并行（教材第4章）,5,目标：,学习计算机性能评价、量化分析与设计的基本方法 掌握现代单CPU微处理器设计采用的主要方法和技术： 流水线CPU的设计与实现 指令级并行技术：乱序执行、分支预测、推测执行 cache与虚拟存储器 了解多处理器、多核、多计算机系统结构,6, 参考教材与成绩构成,1李亚民 .计算机组成与系统结构 .清华大学出版社 2徐洁等 . 计算机系统结构 . 中国铁道出版社
3、3 郑纬民、汤志忠. 计算机系统结构（第2版）. 清华大学出版社. 2007年 4张晨曦等 .计算机体系结构 .高等教育出版社,期末笔试（80%）平时作业（10%）半期考试（10）,7,第1章 计算机设计基础,1.1 引言 1.2 计算机的分类 1.3 计算机系统结构定义和计算机的设计任务 1.4 实现技术的趋势 1.5 集成电路功耗的趋势 1.6 成本的趋势 1.7 可靠性 1.8 测量、报告和总结计算机性能 1.9 计算机设计的量化原则 1.10 综合：性能和性价比,8,1.1 引言,计算机的历史,生活中食物链: 大鱼吃小鱼,9,PC,Work- Station 1980s-2000s,M
4、ini- Computer 1970s,Mainframe 1960s,Mini- Supercomputer 1970s,Supercomputer 1970s,Massively Parallel Processors 1980s,Server 2000s,计算机的食物链,10,计算机食物链,微处理器,11,惊人的性能改进,2006年，500$计算机（更高性能、更多内存和磁盘） | 1985年 1,000,000 $ 计算机,25% /year,52%/year,20%/year,12,结论,25%（1978-1986）: 性能增长主要依赖实现技术的进步 52%（1986-2002）: R
5、ISC 出现, 性能增长依赖两方面：系统结构革新；实现技术的进步 20%（2004-2006）: 功耗、指令级并行 ILP开发的限制、存储器时延，因此其后性能提升手段出现了以下趋势： 更快的单核处理器= 单芯片多处理器 ILP = TLP and DLP 隐含在编译器和硬件的硬件级并行处理 = 显示的程序级并行,13,处理能力 新的应用,14,为什么60年计算机有如此的改进？,两个原因: 构建计算机的实现技术发展 集成电路IC 存储部件(包括RAM 和 DISK) 外部设备 计算机结构设计的改进 Simplecomplexmost complex simplecomplexmost compl
6、ex 时快时慢 很多技术被淘汰 实现技术提供了结构改进的基础,15,微处理器的4代（4个十年）,1970年代的十年 “Microprocessors” - 可编程控制器（Programmable Controller） - 单片微处理器（Single-Chip Microprocessors） 个人计算机，Personal Computers (PC) 1980年代的十年 “Quantitative Architecture” - 指令流水线（Instruction Pipelining） - 高速Cache存储器（Fast Cache Memories） - 编译器的考虑（Compiler
7、Considerations） 工作站，Workstations 1990年代的十年 “Instruction-Level Parallelism” - 超标量处理器，Superscalar Processors - 推测执行微结构，Speculative Microarchitectures - 静态/动态指令调度（乱序执行），Aggressive Code Scheduling 低成本桌面超级计算，Low-Cost Desktop Supercomputing 2000年代的十年 “Thread-level/Data-level parallelism”,16,out-of-order e
8、xecution，简称：OOO，也称乱序执行,8086,286,386,486,17,影响计算机系统结构的因素,17,实现技术,编程语言,操作系统,历史,应用程序,接口设计 (ISA),性能测量与评估,并行性,计算机系统结构： 指令系统（集）设计 组成 硬件实现,编译器,计算机系统结构已经是这些技术发展的核心，而且将来也仍然是。,18,第1章 计算机设计基础,1.1 引言 1.2 计算机的分类 1.3 计算机系统结构定义和计算机的设计任务 1.4 实现技术的趋势 1.5 集成电路功耗的趋势 1.6 成本的趋势 1.7 可靠性 1.8 测量、报告和总结计算机性能 1.9 计算机设计的量化原则 1
9、.10 综合：性能和性价比,19,1.2 计算机分类,一、Flynns 分类：基于指令流和数据流数量的计算机结构分类,20,SISD,串行（非并行）计算机 Single instruction:在任一时钟周期只有单个指令流在CPU执行 Single data:在任一时钟周期只有单个数据流用作输入 确定执行 （程序在给定的输入条件下多次运行，执行流程和结果是一致的。） 最老的、最普遍的计算机类型 例子：曾经的多数 PCs, 单CPU的工作站和大型机,控制部件,处理部件,存储器部件,指令流,数据流,21,SISD,22,SIMD,一种并行计算机 Single instruction: 在任一时钟周
10、期，所有处理单元 执行相同指令 Multiple data: 每个处理单元能对不同数据元素进行操作,I/O,IS,23,SIMD,24,SIMD,适用于处理高度规整操作的问题，如图像处理 同步和确定性执行 有两种类型: 处理器阵列（Processor Arrays）: Connection Machine CM-2, Maspar MP-1, MP-2 向量流水线（Vector Pipelines）: IBM 9000, Cray C90, Fujitsu VP, NEC SX-2, Hitachi S820,25,MISD,单个数据流进入多个处理单元。 每个处理单元用单个指令流对数据进行独立
11、操作。,I/O,CUn,26,MISD,27,MISD,很少有这类必须计算机的实例。一个实验室例子：Carnegie-Mellon C.mmp computer (1971). 某些可能想到的应用： 多频滤波器对单信号流进行操作 多重加密算法试图加密单个编码信息,28,MIMD,目前，最常用类型的并行计算机。多数现代计算机都属于这种类型。 Multiple Instruction: 每个处理器可以执行不同的指令流 Multiple Data: 每个处理器可以对不同数据流进行操作,I/O,I/O,CUn,29,MIMD,30,MIMD,各处理器执行可以是同步的或异步的，确定性的或非确定性的 例子
12、: * 大多数当前的超级计算机 * 服务器、PCs * 多核芯片,31,二、市场分类,PC,Work- Station 1980s-2000s,Mini- Computer 1970s,Mainframe 1960s,Mini- Supercomputer 1970s,Supercomputer 1970s,Massively Parallel Processors 1980s,Server 2000s,32,性能增长的效果,适应各种计算机用户的能力大大增强 设计的各种计算机：基于微处理器 Minicomputer = 使用微处理器的服务器 Mainframe = 由微处理器组成的多处理器系统
13、 Supercomputer = 多处理器系统的集合,33,3类计算机市场,34,桌面计算机,首个最大的计算机市场是-桌面计算机市场 需求： 优化性价比 新的挑战: 以Web为中心, 交互应用 怎样评估性能？,35,桌面计算机，包括个人计算机和工作站 个人计算机主要为一个用户提供良好的计算性能和较低成本的工作环境。最早出现的个人计算机是1977年Apple公司的Apple II 微型计算机。 20世纪80年代IBM PC、IBM PC/XT、IBM PC/AT系列机的推出和迅速普及，带动了为其生产Intel 80 x86微处理器芯片的Intel公司和Windows操作系统的Microsoft公
14、司的巨大发展。 后来，由于IBM公司转为生产使用OS/2操作系统的个人机PS/2，因此其他厂商开始生产PC兼容机，继续采用Intel公司生产的80386、80486、Pentium、Pentium Pro、Pentium /等一系列32位微处理器芯片或其他公司生产的兼容芯片。,36,工作站是指具有完整人机交互界面、图形处理性能和较高计算性能，可配置大容量的内存和硬盘，I/O和网络功能完善，使用多任务多用户操作系统的小型通用个人化计算机系统。1983年美国Apollo公司推出了首台适合计算机辅助设计（CAD）的工作站。 Apollo公司于1989年被HP公司兼并，目前工作站厂商主要有SUN、HP
15、、DELL、SGI等公司。工作站推出时采用32位结构，现在已有64位结构，并普遍采用RISC处理器芯片，如SUN采用的是SPARC系列芯片，HP是PA-RICS，SGI是MIPS，IBM是Power PC。工作站主要采用UNIX操作系统，应用于多媒体设计和制作领域。,37,桌面计算机典型的系统结构是，以总线形式将CPU模块、存储器模块、各种I/O模块互连在一起，构成计算机系统。曾经多数桌面机使用单一处理器，属于SISD结构计算机。 目前工作站采用多个处理器或多核芯片，共享集中式存储器，是对称式多处理机SMP，属于MIMD结构计算机。 由于多核处理器芯片的出现，使用这样芯片的个人机也属于MIMD
16、结构计算机。,38,服务器,作用（取代大型机）: 提供更大规模、更可靠文件、计算服务。 其特征： 可靠性（Dependability） 可扩展性（Scalability） 吞吐量（efficient throughput）,39,服务器是网络中的核心设备，其可靠性是关键。 例如：运行Google、处理Cisco业务、淘宝服务器，必须确保每周7天、每天24小时连续运转。如果出现故障，其后果比桌面机的故障损失更具灾难性。 服务器采用容错技术，如ECC（Error Checking and Correcting）内存、RAID（Redundant Array of Independent Disks）技术、热插拔技术、冗余电源、冗余风扇、机箱锁、口令保护等。,40,服务器应具有可扩展性：计算能力、存储系统、IO带宽等。 例如：采用Intel处理器的服
