《计算机组成与结构课程讲义-华东师范大学计算机科学技术系》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成与结构课程讲义-华东师范大学计算机科学技术系（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2009,1,华东师范大学计算机科学技术系,计算机组成与结构课程讲义,华东师范大学计算机科学技术系,2009,2,华东师范大学计算机科学技术系,本课程学习内容,计算机组成、结构、操作及性能的基本概念 计算机系统结构 计算机组成 计算机实现,2009,3,华东师范大学计算机科学技术系,本课程学习目标, 掌握计算机各部件的基本组成及整机 的结构原理； 掌握计算机软硬件工作原理； 学会分析的方法，能对计算机工作原 理进行分析，并得出结论； 掌握设计的基本方法，能根据要求进 行一般设计； 研究提高计算机性能的方法。,2009,4,华东师范大学计算机科学技术系,参考书目, David A.Patters
2、on,John L.Hennessy:Computer Organization and Design The Hardware/ Software Interface,Third Edition 唐朔飞：计算机组成原理，高等教育出版 ，2008年版。 William Stallings著，张昆藏等译：计算机组织与体系结构 性能设计（第7版），清华大学出版社， 2006年版。 白中英主编: 计算机组成原理（第三版.网络版） ，科学出版社，2005年版。 John L.Hennessy、David A.Patterson著，白跃彬译：计算机系统结构量化研究方法（第四版) ，电子工业出版社，200
3、7年版。,2009,5,华东师范大学计算机科学技术系,1 计算机概念和技术,2009,6,华东师范大学计算机科学技术系,1 计算机概念和技术,1.1 概述1.2 计算机系统的层次结构1.3 计算机的基本结构1.4 冯.诺依曼计算机结构特点,2009,7,华东师范大学计算机科学技术系,1 计算机概念和技术,1.1 概述,2009,8,华东师范大学计算机科学技术系,1.1 概述,一、计算应用的类型及特征应用不同，使用的核心硬件技术有所不同，典型的有三类应用 P3图1-1、P4图1-2 桌面电脑以个人电脑为代表，台式计算是最大的计算机市场之一，计算技术的很多革新由此推出,2009,9,华东师范大学计
4、算机科学技术系,一、计算应用的类型及特征,服务器制造服务器的基本技术同台式机，但需要： 扩展性好 计算能力强 输入输出方便快捷 高可靠性低端服务器：文件存储、小型商务应用、 简单的Web服务等高端服务器（超级计算机）：天气预报、石油勘察、蛋白质结构判定等,2009,10,华东师范大学计算机科学技术系,一、计算应用的类型及特征, 超级计算机功能极其强大，最高速度达上千万亿次国产典型产品有：Cray-1、Cray-2、Cray-3、国产银河I、银河II、银河III、曙光4000A、曙光5000等全球高性能计算机500强排行榜： http:/www.top500.org/中国高性能计算机100强排行
5、榜： http:/,共有28个国家和地区榜上有名 美国：257台 英国：53台 德国：46台 法国：34台 日本：22台 中国：12台,2009,11,华东师范大学计算机科学技术系,一、计算应用的类型及特征,全球最快的计算机“走娟” 2008年IBM研发了世界上速度最快的超级计算机，其运算性能可达每秒1026万亿次 造价1.33亿美元 由278部服务器机柜组成 采用6562个双核处理器和12240个多核处理器 一天完成的工作量，相当于全球60亿人口每 天24小时使用笔记本电脑耗时46年才能完成 的工作,2009,12,华东师范大学计算机科学技术系, 超级计算机,曙光5000超级计算机上海超级计
6、算中心 每秒230万亿次运算能力 运算性能是曙光4000A的20倍，体积减小三分之一 中科院上海天文台：“天体磁流体动力学”和“宇宙大尺度结构”两个大型数值模拟项目，平均每天占用3000个“CPU小时”相当于3000台高配置个人计算机同时不间断 工作一小时单台计算机工作4个月继续研发“高性能可信计算机”，曙光千万亿次计算机有望在2010年问世,2009,13,华东师范大学计算机科学技术系,一、计算应用的类型及特征,嵌入式计算机嵌入式计算系统被设计用来完成单一的或一组相关的应用，通常被集成在硬件中，作为一个整体系统使用特点：功耗、成本低，可靠性高，体积 小，实现最低限度的性能要求广泛用于家用电器
7、和各种智能仪表中,2009,14,华东师范大学计算机科学技术系,1.1 概述,二、计算机发展历程 P20图1-17 历史 第一代：1946年开始，电子管计算机 第二代：1958年开始，晶体管计算机 IBM公司成为主要计算机制造商 第三代：1965年开始，中小规模集成电路计算机 微程序、并行性、流水线技术、OS、Cache、 虚拟存储技术 IBM: 360主机； 数字设备公司：PDP系列小型机 第四代：1971年开始，大规模和超大规模集成电路 计算机 PC、笔记本电脑、工作站、网络,2009,15,华东师范大学计算机科学技术系, CPU发展Intel产品系列, Pentium：引入了超标量（Su
8、perscalar）技术，允 许更多指令并行执行 Pentium Pro：引入了包括寄存器重命名、转移预测、 数据流分析、推测执行等技术 Pentium ：融入了专门用于有效处理视频、音频和 图形数据的Intel MMX技术 Pentium ：融入了新的浮点指令，以支持三维图形 软件 Pentium ：使用64位组织结构的新一代Intel处理 器,第一个采用超标量结构的微处理器IBM公司的“美国”是RS/6000系列微处理器的前身,2009,16,华东师范大学计算机科学技术系,二、计算机发展历程, 技术发展 改进性：基本保留冯.诺依曼计算机结构模 式，但进行不断改进以提高计算 机系统的性能 革
9、命性：采用冯.诺依曼型计算机完全不同 的计算模型和系统结构 数据流计算机 推理机 神经网络计算机系统,2009,17,华东师范大学计算机科学技术系, 发展, 并行性研究 超标量流水线计算机 向量流水计算机 阵列机 多处理机系统 等等继续关注指令级并行（ILP）所带来的高性能表现之外，还对线程级并行（TLP）和数据级并行（DLP）给予同样的关注,2009,18,华东师范大学计算机科学技术系, 发展, 并行性分类方法 Flynn教授1966年提出： 按指令流和数据流的多倍性概念进行 分类, SISD（单指令流单数据流） 传统的单CPU计算机属SISD结构 特点：每次仅对一个指令序列进行 译码，每条
10、指令只对一个操 作部件分配数据,2009,19,华东师范大学计算机科学技术系, 并行性分类方法,SIMD（单指令流多数据流） 阵列机、流水式向量机属SIMD结构,一个运算控制器和多个运算单元,一个处理器顺序对许多数据元素进行操作, MIMD（多指令流多数据流） 多处理机系统属MIMD结构 特点：各处理机在各自程序控制下，独 立地对数据进行协作运算,MISD（多指令流单数据流） 现有的程序结构无法影射到MISD结构,2009,20,华东师范大学计算机科学技术系,1.1 概述,三、程序性能制约因素：20世纪60-70年代：内存容量目前： 存储器的层次化特性 处理器的并行性特性取决因素：算法程序设计
11、语言、编译器和体系结构处理器和存储器系统I/O系统（硬件和操作系统）,2009,21,华东师范大学计算机科学技术系,三、程序性能,通过相关章节学习 P5表掌握： 软硬件的工作原理及性能影响 软硬件接口 提高性能的方法 在现代计算机设计中所采用的技术,2009,22,华东师范大学计算机科学技术系,1 计算机概念和技术,1.1 概述1.2 计算机系统的层次结构,2009,23,华东师范大学计算机科学技术系,1.2 计算机系统的层次结构,计算机系统是一个由硬件、软件组成的多级层次结构, 应用程序功能相当复杂，而计算机硬件只能执行极其简 单的低级指令 所以从一个复杂的应用到简单的指令，其间需要多层软
12、件，逐级将高层操作解释或翻译成底层的计算机指令 P6图1-3, 阶于应用软件和硬件之间的是系统软件 核心系统软件：操作系统、编译器 操作系统： 处理基本输入输出操作 分配存储空间及内存 为多个程序同时使用计算机提供支持 编译器：将用高级语言编写的程序翻译成硬件能够执行 的指令,2009,24,华东师范大学计算机科学技术系,操作系统：,用户程序和OS共享处理器例1)系统仅有一个处理器、一个磁盘和一台打印机。 设：应用程序已编译完成并存放在磁盘中。 将文件传送到内存中，传送结束，程序开 始执行； 程序执行时需到磁盘中读取数据文件； 对数据进行运算，打印结果。 由OS负责磁盘和打印机操作，其执行控制
13、权转 换示意图如下：,用户程序和OS共享处理器,OS将应用程序从磁盘装载到内存，传送结束将控制权交给应用程序,OS将数据文件从磁盘装载到内存，传送结束将控制权交给应用程序,OS打印结果，打印结束将控制权交给应用程序,多任务方式（多道程序）： 磁盘和处理机在t4和t5段中大部分时间空闲， 可安排装载下一个程序； 同样，可在t0至t1段安排打印前一程序的结果,2009,26,华东师范大学计算机科学技术系,1.2 计算机系统的层次结构,微程序级 硬件级 执行一系列微指令，解释执行机器指令 物理机器级 硬件级 执行机器指令，完成相应的功能 操作系统级 虚拟机 为系统的操作和程序设计提供平台 汇编语言级 虚拟机 为程序员提供一种符号形式语言 高级语言级 虚拟机 提供与计算机结构无关的程序设计语言,
