计算机系统课件

1、第第11章章 计算机系统计算机系统11.1 计算机系统概述计算机系统概述计算机系统的分类计算机系统的分类 : 目前常用的计算机分类方法是目前常用的计算机分类方法是1966年弗林年弗林根据指令流根据指令流和数据流数量进行分类和数据流数量进行分类的方法。其中的方法。其中指令流指令流是是机器执行的机器执行的指令序列指令序列，数据流数据流是由是由指令流调用的数据序列指令流调用的数据序列。可将计算。可将计算机系统分成下列机系统分成下列4类：类：1. 单指令流单数据流单指令流单数据流(SISD)计算机系统计算机系统2. 单指令流多数据流单指令流多数据流(SIMD)计算机系统计算机系统3. 多指令流单数据流

2、多指令流单数据流(MISD)计算机系统计算机系统4. 多指令流多数据流多指令流多数据流(MIMD)计算机系统计算机系统计算机系统的分类计算机系统的分类 IIv1. 单指令流单数据流单指令流单数据流(SISD)计算机系统计算机系统 通常由一个处理器和一个存储器组成。典型的通常由一个处理器和一个存储器组成。典型的SISD计计算机每次执行一条指令，每次从存储器取算机每次执行一条指令，每次从存储器取(或存或存)一个数据。一个数据。v2. 单指令流多数据流单指令流多数据流(SIMD)计算机系统计算机系统 通常由一个指令控制部件、多个处理器和多个存储器通常由一个指令控制部件、多个处理器和多个存储器组成。各

3、处理器和各存储器之间通过互联网络进行通信。在组成。各处理器和各存储器之间通过互联网络进行通信。在程序运行时由指令控制部件向各个处理器程序运行时由指令控制部件向各个处理器“播送播送”同一条指同一条指令，所有活动的处理器在同一时刻执行同样的指令，所需的令，所有活动的处理器在同一时刻执行同样的指令，所需的数据是从它本身专用的存储器中取的。数据是从它本身专用的存储器中取的。计算机系统的分类计算机系统的分类 IIIv3. 多指令流单数据流多指令流单数据流(MISD)计算机系统计算机系统MISD计算机系统在同一时刻执行多条指令，但处理同一个计算机系统在同一时刻执行多条指令，但处理同一个数据。大多数人认为能

4、列在这一个系统中的计算机很少或根数据。大多数人认为能列在这一个系统中的计算机很少或根本不存在本不存在v4. 多指令流多数据流多指令流多数据流(MIMD)计算机系统计算机系统典型的典型的MIMD计算机系统由多台处理器计算机系统由多台处理器(包括指令控制部件包括指令控制部件和处理器和处理器)和多个存储器组成，并有一个互联网络实现各处理和多个存储器组成，并有一个互联网络实现各处理器和各存储器之间的通信。每台处理器执行各自的指令，存器和各存储器之间的通信。每台处理器执行各自的指令，存取各自的数据。取各自的数据。提高计算机系统运算速度的方法提高计算机系统运算速度的方法 I提高计算机系统运算速度的方法有很

5、多，可归纳提高计算机系统运算速度的方法有很多，可归纳为两类：为两类：v(1) 改进器件工艺，减少芯片带宽，提高集成度改进器件工艺，减少芯片带宽，提高集成度与工作频率。与工作频率。v(2) 改进计算机系统结构，并使各部件之间的速改进计算机系统结构，并使各部件之间的速度匹配。度匹配。提高计算机系统运算速度的方法提高计算机系统运算速度的方法 II针对单机系统已介绍过改进系统结构的方法有：针对单机系统已介绍过改进系统结构的方法有：v(1) 采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果，以减少采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果，以减少访问存储器次数。访问存储器次数。v(2) 采用多体交叉存储器和采用多体交

6、叉存储器和cache，以协调，以协调CPU和存储器和存储器之间的速度匹配。之间的速度匹配。v(3) CPU和输入输出设备并行工作，以减少和输入输出设备并行工作，以减少CPU等待和空等待和空闲时间。闲时间。v(4) 操作重叠的流水线工作方式。操作重叠的流水线工作方式。开放系统开放系统 I专有系统与开放系统专有系统与开放系统 (1) 专有系统专有系统：硬件和软件都由一家公司提供，：硬件和软件都由一家公司提供，并不向外提供技术。历史上大计算机公司，如并不向外提供技术。历史上大计算机公司，如IBM，DEC都是靠独家专利的计算机发迹的都是靠独家专利的计算机发迹的 (2) 开放系统开放系统：硬件和软件可由

7、多家公司提供，：硬件和软件可由多家公司提供，目前计算机系统的所有部分都是开放的，符合与制目前计算机系统的所有部分都是开放的，符合与制造商无关的国际标准。造商无关的国际标准。开放系统开放系统 II开放系统的特点：开放系统的特点：遵循标准接口，使得计算机系统之间有遵循标准接口，使得计算机系统之间有“可移植性可移植性”和和“互操作性互操作性”。开放系统可由制造商、增值转销或最终用户从不同公开放系统可由制造商、增值转销或最终用户从不同公司购买设备进行扩充或升级，并能保护他们在软件上司购买设备进行扩充或升级，并能保护他们在软件上的投资的投资(即原有软件仍能运行即原有软件仍能运行)有大量第三方软件公司或用

8、户的软件产品可在开放系有大量第三方软件公司或用户的软件产品可在开放系统上运行。统上运行。(1)开放接口应有一个公开的技术规格说明，即标准，有开放接口应有一个公开的技术规格说明，即标准，有国际标准，国家标准及事实上的标准国际标准，国家标准及事实上的标准(工业标准工业标准)。计算机系统的性能评测计算机系统的性能评测 I评测性能的几种方法：评测性能的几种方法：1)计算机的时钟频率计算机的时钟频率2)PDR值：是指令操作数的平均位数和指令平均速度的值：是指令操作数的平均位数和指令平均速度的比值比值(加权加权)，其计算公式如下：，其计算公式如下：PDR=L/RL=0.85G+0.15H+0.4J+0.1

9、5KR=0.85M+0.09N+0.06PG是每条定点指令的位数；是每条定点指令的位数；M是定点加法平均时间；是定点加法平均时间；H是每条浮点指令的位数；是每条浮点指令的位数；N是浮点加法平均时间；是浮点加法平均时间；J是定点操作数的位数；是定点操作数的位数； P是浮点乘法平均时间；是浮点乘法平均时间；K是浮点操作数的位数；是浮点操作数的位数；计算机系统的性能评测计算机系统的性能评测 IIv3) 等效乘法速率，曾是美国政府确定计算机出口许等效乘法速率，曾是美国政府确定计算机出口许可证浮点性能的限制性指标。可证浮点性能的限制性指标。v4) 核心程序法：把程序中应用得最频繁的那部分核核心程序法：把

10、程序中应用得最频繁的那部分核心程序作为评价计算机性能的标准程序。心程序作为评价计算机性能的标准程序。v5)基准程序法基准程序法：整数性能用：整数性能用MIPS(百万次整数运算百万次整数运算指令指令/秒秒)、浮点性能用、浮点性能用MFLOPS(百万次浮点运算指百万次浮点运算指令令/秒秒)等表示。通常将等表示。通常将VAX11/780的运算速度定为的运算速度定为1MIPS。基准测试程序基准测试程序v(1) 整数测试程序：整数测试程序：Dhrystonev(2) 浮点测试程序：浮点测试程序：Linpack, Whetstonev(3) 计算机综合测试程序：计算机综合测试程序：SPECv(4) 事务处

11、理测试程序：事务处理测试程序：TPC(Transaction Process performance Council)标准标准v(5)行业基准测试：如美国国家宇航局行业基准测试：如美国国家宇航局(NASA)开发开发的并行基准测试的并行基准测试(Nas Parallel Benchmark)基准测试程序的公正性和准确性基准测试程序的公正性和准确性v所有基准测试组织都是中立的，一般是非赢利的。所有基准测试组织都是中立的，一般是非赢利的。测试结果一般来说是公正的，但是外界的干扰可能测试结果一般来说是公正的，但是外界的干扰可能会冲击基准测试的公正性。会冲击基准测试的公正性。v测试结果是否能够准确反映计

12、算机实际使用的效果，测试结果是否能够准确反映计算机实际使用的效果，这就是准确性问题。这就是准确性问题。v基准测试所获得的局部结论是基本可信的，但不足基准测试所获得的局部结论是基本可信的，但不足以准确反映实际使用效果。以准确反映实际使用效果。11.2 微机系统微机系统(自学自学)v1. 了解了解Intel微处理器及个人计算机微处理器及个人计算机v2. 了解了解PC的分类和家用的分类和家用PCv3. 了解嵌入式计算机和智能卡了解嵌入式计算机和智能卡v4. 了解绿色计算机了解绿色计算机11.3 工作站和服务器工作站和服务器(自学自学)v1. 了解工作站的组成了解工作站的组成v2. 了解服务器的基本概

13、念了解服务器的基本概念11.4 多媒体计算机多媒体计算机(自学自学)v1. 了解多媒体计算机系统的组成了解多媒体计算机系统的组成v2. 了解多媒体计算机系统的关键技术了解多媒体计算机系统的关键技术v3. 了解视频和音频信息的获取和回放了解视频和音频信息的获取和回放v4. 了解多媒体计算机的用途与实例了解多媒体计算机的用途与实例11.5 超级标量处理机、超级流水线超级标量处理机、超级流水线处理机和超长指令字处理机处理机和超长指令字处理机长期以来，计算机设计人员在提高单处理机并行操作长期以来，计算机设计人员在提高单处理机并行操作方面做了大量工作，方面做了大量工作，20世纪世纪70年代的向量处理机、

14、年代的向量处理机、20世纪世纪80年代的年代的RISC机反映了这方面的成就。但机反映了这方面的成就。但是还不能突破是还不能突破一个时钟周期完成一条指令一个时钟周期完成一条指令的框框。的框框。而本节要介绍的超级标量计算机和超长指令字计算而本节要介绍的超级标量计算机和超长指令字计算机机在一个周期内可流出多条指令在一个周期内可流出多条指令。超级标量超级标量(superscalar)处理机处理机v在超级标量处理机中，配置了在超级标量处理机中，配置了多个功能部件多个功能部件和和指令指令译码电路译码电路，采取了，采取了多条流水线多条流水线，还有，还有多个寄存器端多个寄存器端口和总线口和总线，因此可以同时执

15、行多个操作，以并行处，因此可以同时执行多个操作，以并行处理来提高机器速度。它可以同时从存储器中取出几理来提高机器速度。它可以同时从存储器中取出几条指令，并对这几条指令进行译码，把能够并行执条指令，并对这几条指令进行译码，把能够并行执行的指令同时送入不同的功能部件。行的指令同时送入不同的功能部件。v例如：例如：1992年年Sun和和TI公司推出公司推出Super SPARC芯片芯片超级标量处理机超级标量处理机-SPARC系统系统v如图所示，在片上有如图所示，在片上有8个功能部件，其中个功能部件，其中3个个ALU。如果没有数据相关或其他因素，在一个周期内可完如果没有数据相关或其他因素，在一个周期内

16、可完成成3条指令功能。条指令功能。超级流水线超级流水线(super pipeline)处理机处理机v超级流水线处理机的超级流水线处理机的周期比其他机器短周期比其他机器短。周期缩短。周期缩短到到1/3。执行一个操作需要。执行一个操作需要3个周期，每个周期对一个周期，每个周期对一条指令进行译码。与超级标量计算机一样，硬件不条指令进行译码。与超级标量计算机一样，硬件不能调整指令的执行顺序，而由编译程序解决优化问能调整指令的执行顺序，而由编译程序解决优化问题，因此这类机器可与同一系列的原有机器的指令题，因此这类机器可与同一系列的原有机器的指令系统保持兼容。超级流水线结构的系统保持兼容。超级流水线结构的

17、CPU很少。很少。超长指令字超长指令字(VLIW)处理机处理机vVLIW是一种单指令流多操作码多数据的系统结构，是一种单指令流多操作码多数据的系统结构，由编译程序在编译时，把多个能并行执行的操作组由编译程序在编译时，把多个能并行执行的操作组合在一起，成为一条有多个操作段的超长指令，由合在一起，成为一条有多个操作段的超长指令，由这条超长指令控制这条超长指令控制VLIW机中多个互相独立工作的机中多个互相独立工作的功能部件，每个操作段控制一个功能部件，相当于功能部件，每个操作段控制一个功能部件，相当于同时执行多条指令。同时执行多条指令。Cydra5 计算机系统中的数值计算机系统中的数值处理机采用了超

18、长指令字。处理机采用了超长指令字。超长指令字处理机超长指令字处理机-Cydra5v如图，一条指令的字长为如图，一条指令的字长为32个字节，分成个字节，分成7个操作段，每段个操作段，每段对应对应1个操作，在每个机器周期可同时向个操作，在每个机器周期可同时向6个功能部件发出个功能部件发出6种操作码，并向种操作码，并向1个指令部件发出个指令部件发出1个指令部件操作码或杂操个指令部件操作码或杂操作码。作码。11.6 向量处理机向量处理机v向量数据是一个含有向量数据是一个含有N个元素的有序数组，个元素的有序数组，N称为称为“向量的长度向量的长度”，向量中的每一个元素是一个标量。，向量中的每一个元素是一个

19、标量。因此，向量处理机是一种具有向量数据表示，并设因此，向量处理机是一种具有向量数据表示，并设置相应的硬件能对向量的各个元素进行并行处理的置相应的硬件能对向量的各个元素进行并行处理的处理机。处理机。v向量处理机有巨型计算机和向量协处理机两种类型。向量处理机有巨型计算机和向量协处理机两种类型。巨型计算机巨型计算机 Iv现在的向量处理机即是指采用运算流水线的处理机，当它处现在的向量处理机即是指采用运算流水线的处理机，当它处理一个数组时，对向量中的每个元素执行相同的操作，而且各理一个数组时，对向量中的每个元素执行相同的操作，而且各元素间是互相无关的，因此流水线就能以每个时钟送出一个结元素间是互相无关的，因此流水线就能以每个时钟送出一个结果的速度运行。果的速度运行。v对向量的处理，要设法避免流水线功能的频繁切换以及操作对向量的处理，要设法避免流水线功能的频繁切换以及操作数元素间的相关。例如：数元素间的相关。例如： D=A*(B+C)式中，式中，A,B,C,D都是长度为都是长度为N的向量，如按以下顺序处理，的向量，如按以下顺序处理，流水线不能畅通：流水线不能畅通：巨型计算机巨型计算机 IID1=A1*(B1+C1)D2=A2*(B2+C2)D