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1、计算机组成原理任课教师：石磊 郑州大学信息工程学院计算机系 Email: Tel: 136769868632018/6/301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 计算机系统结构目录2计算机组成原理 第十章计算机系统结构第10章 计算机系统结构计算机组成原理 清华大学出版社教学目标教学重点教学过程Date3计算机组成原理 第十章计算机系统结构教学目标l掌握计算机系统基本概念l了解计算机系统的发展方向l了解新一代的计算机系统Date4计算机组
2、成原理 第十章计算机系统结构教学重点l计算机系统基本概念l阵列处理机和多处理机系统l精简指令系统计算机 Date5计算机组成原理 第十章计算机系统结构教学过程l10.1 计算机系统基本概念l10.2 向量处理机l10.3 阵列处理机和多处理机系统l10.4 精简指令系统计算机（RISC）l10.5 超级标量、超级流水线及处理机l10.6 微型计算机l10.7 新一代计算机Date6计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.1 计算机系统基本知识 l10.1.1 计算机系统结构的定义l10.1.2 计算机组成与实现 l10.1.3 计算机系统的分类l10.1.4 如何提高计算机系统的运算速度l1
3、0.1.5 开放系统Date7计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.1.1 计算机系统结构的定义l计算机系统由硬件和软件组成。l1964年Amdahl提出计算机系统结构概念：程序设计者看 到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。l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。Date8计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.1.2 计算机组成与实现l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
4、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。 l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。 Date9计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.1.3 计算机系统的分类 （1/2）l一般采用1966 年弗林（Flynn）根据指令流和数 据流数量进行分类的方法。定义如下： 指令流（Instruction Stream）：是机器执行的指
5、令序列； 数据流（Data Stream）：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（Multiplicity）：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。Date10计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.1.3 计算机系统的分类 （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：l单指令流单数据流（SISD）计算机系统 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l单指令流多数据流（SIMD）计算机系统 具有多个处理单元，所有处理单元执行同一条指令，
6、l多指令流单数据流（MISD）计算机系统 有N个处理单元，按N条不同指令的要求对同一个数据进 行不同的处理，l多指令流多数据流（MIMD）计算机系统 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。Date11计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.1.4 如何提高计算机系统的运算速度l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）CPU速度提高后，应注意内存存取速度的提 高，通道速度的提高，采用DMA技术等，这些部件 都与计算机
7、系统的运算速度密切相关。Date12计算机组成原理 第十章计算机系统结构改进单机系统的系统结构的主要方法（1）CPU和输入输出设备并行工作，以减少 CPU等待和空闲时间； （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Cache，协调 CPU和存储器之间的速度匹配； （4）操作重叠的流水线方式。Date13计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.1.5 开放系统l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”。l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。l互操作性是指不同厂家在不同平台上开
8、发的多种 应用软件通过网络共享数据和协同工作的能力。Date14计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.2 向量处理机 l向量处理机有巨型计算机和向量协处理机 两种类型。l巨型计算机能对巨大的数组进行浮点运算 ，同时它还是一种可以进行标量计算和一般 数据处理的通用计算机。l向量协处理机专门用于向量计算，它不是 一立的计算机，需要与通用计算机配合 使用。Date15计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.3 阵列处理机和多处理机系统 l10.3.1 并行性概念l10.3.2 阵列处理机系统l10.3.3 多处理机系统Date16计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.3.1 并行性l包含两
9、方面含义： （1）同时性（Simultaneity）：指两个或两个以 上事件在同一时刻发生； （2）并发性（Concurrency）：指两个或两个以 上事件在同一时间间隔内发生。l并行性主要表现为时间重叠、资源重复和资源共享。 （1）时间重叠 多个处理过程在时间上相互错开，轮流重 叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢 得时间。（2）资源重复 通过重复地设置硬件资源以大幅度提高计 算机系统的性能，即以数量取胜的原则。（3）资源共享 多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套 硬件设备。Date17计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.3.2 阵列处理机系统l阵列处理机是通过资源重复
10、的技术途径实 现并行处理，是以大量相同的处理单元按规 则的几何形状排列成阵列而得名的。l根据存储器的不同组成形式，有分布存储 器与共享存储器两种阵列处理机结构。 Date18计算机组成原理 第十章计算机系统结构分布存储器阵列处理机图10-3 阵列处理机结构ICNPEM0PEM1PEMNPENPE1PE0CU键盘I/O接口I/O设备SC（a）分布存储器系统Date19计算机组成原理 第十章计算机系统结构共享存储器阵列处理机（b）共享存储器系统ICNM0M1MNPENPE1PE0CU键盘I/O接口I/O设备SCDate20计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.3.3 多处理机系统l多处理机系统
11、是由多台处理机组成的系统，每台处理机都 有自己的控制部件，可以执行独立的程序，共享一个公共的 存储器和所有外部设备。属于多指令流多数据流（MIMD） 计算机，l特点： （1）结构灵活 ； （2）程序并行性 （3）并行任务的派生 （4）进程同步 （5）资源分配和进程调度 Date21计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.4 精简指令系统计算机l10.4.1 RISC的发展背景l10.4.2 RISC的特点l10.4.3 RISC的组织结构Date22计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.4.1 RISC的发展背景l精简指令系统计算机(Reduced Instruction Set Com
12、puter)l1982年美国加州大学伯克莱分校研制成功RISC和 RISC，与斯坦福大学的MIPS机一起拉开RISC技术的序幕 。lVLSI技术的发展，使得计算机系统中的硬件成本不断下降 ，软件成本不断上升，人们开始在指令系统中增加更多的指 令和复杂的指令，以适应不同应用领域的需要，并考虑尽量 缩短指令系统与高级语言的语义差异，以便于高级语言程序 的编译和降低软件成本。 Date23计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.4.2 精简指令系统计算机的特点 （1/3）l精简指令系统计算机通过简化指令使计算机的结构更加简 单合理，从而提高运算速度，也称为RICC（Reduced Instruct
13、ion Count Computer）。 l大部分RISC机具有以下特点： （1）流水线结构使RISC正常指令在一个机器周期内完成 （2）多级Cache存储器结构，RISC仅在存/取数指令才访问 内存，通过Cache 与CPU的寄存器进行高速运算。 （3）对称处理技术，把几个RISC处理器集中在一个芯片上 ，增强多处理功能。 （4）指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。 （5）指令系统设计时选择一些使用频率较高的简单指令和 一些有用但不复杂的指令。指令的条数不超过150条。Date24计算机组成原理 第十章计算机系统结构10.4.2 精简指令系统计算机的特点 （2/3）（6）只有取数/存数指令访问存储器， 其余 指令的操作都在寄存
