课件intellect系统结构第1章

1.1计算机系统结构简介1.2计算机系统的设计技术1.3计算机系统的评价标准1.4计算机系统结构的发展第1章基本概念1.1计算机系统结构简介1.1.1计算机系统的层次1.1.2计算机系统结构的定义1.1.3计算机组成与实现技术1.1.4计算机系统结构的分类1.1.1如何认识计算机系统（分层）通过将计算分层的方法来更清晰的认识计算机系统问题：什么是计算机的层次？如何分层？1.层次的定义定义：不同的使用者所看到的计算机系统的不同的属性。主要使用者包括：

一般用户、应用程序员、系统程序员、系统结构设计人员、硬件设计人员。09五月2023计算机系统结构第一章基本概念4裸机了解硬件结构和指令系统指令系统了解相应的硬件结构和汇编语言操作系统编译程序系统程序员汇编程序员高级语言程序员一般用户了解应用程序的使用方法了解高级语言编程规则，算法应用程序虚拟计算机系统

广义语言

虚拟计算机

解释或编译

作用对象

观察者

2.计算机系统的层次结构计算机系统可分为7个层次

第3级至第6级由软件实现,称为虚拟机从学科领域来划分：第0级和第1级属于计算机组成原理

第2级属于计算机系统结构

第3至第5级属于系统软件

第6级属于应用软件它们之间有交叉例如：第3级必须依赖第4级和第5级来实现计算机系统的层次结构一般用户编译程序、汇编语言程序员应用程序员操作系统程序员硬件设计人员计算机系统结构人员设计指令系统：既要懂硬件又要考虑程序员编程的方便3.透明性概念定义：本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在例如：CPU类型、型号、主存储器容量等对应用程序员

透明对系统程序员、硬件设计人员等不透明例如：浮点数表示、乘法指令 对高级语言程序员、应用程序员透明 对汇编语言程序员、机器语言程序员

不透明例如：数据总线宽度、微程序 对汇编语言程序员、机器语言程序员

透明 对硬件设计人员、计算机维修人员

不透明1.1.2计算机系统结构的定义计算机系统结构定义一

Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出：程序员所看到的计算机系统的属性,即概念性结构和功能特性程序员：系统程序员（包括：汇编语言、机器语言、编译程序、操作系统）看到的：编写出能在机器上正确运行的程序所必须了解到的09五月2023计算机系统结构第一章基本概念10

计算机系统结构的经典定义

一个程序员编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解的计算机的属性，就是“计算机系统结构”研究的内容高级语言程序员（VC，JAVA，VB等）

底层程序员：汇编语言、编译程序、操作系统

CPU价格，主频、集成技术、厂商、焊接工艺等

寄存器组织、寻址技术、指令系统等（概念性结构

和功能特性）程序员计算机属性09五月2023计算机系统结构第一章基本概念11主存储器主存控制器CPUIOP打印机卡片机终端IOP磁盘机……磁带机概念性结构程序员所必须了解的机器的硬件组织包括：CPU、内存、外设之间的组织结构内存、外设地址空间的大小等09五月2023计算机系统结构第一章基本概念12数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式；寻址方式：最小寻址单位、寻址方式的种类和地址运算等；寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等；指令系统：机器指令的操作类型、格式，指令间的排序和控制机制等；中断系统：中断源组织、中断请求的屏蔽、中断优先权的排定、中断响应方式等；处理机工作状态：如管态和目态、空闲、关中断等的定义和切换方式；输入输出系统：数据交换方式、数据交换过程的控制等；功能特性：指令系统及其执行模式09五月2023计算机系统结构第一章基本概念13结论：计算机系统结构研究人员就是：设计或改进计算机结构的人。研究人员要考虑：

“目前硬件的制造水平”“机器的用途”“性价比”“复杂性”“可靠性”可编程性

给出的一种性能高、造价低、易于编程的计算机系统结构。“概念性结构”和“功能特性”的合理设计2.计算机系统结构定义二研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功能上是同等的。同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。例如：乘法的实现、声音解压、文件压缩。1.1.3计算机组成与实现技术1.课程名称

ComputerOrganization

计算机组成，计算机组织，计算机原理，计算机组成原理2.研究方法从内部研究计算机系统计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现。3.主要研究内容确定数据通路的宽度；确定各种操作对功能部件的共享程度；确定专用的功能部件；确定功能部件的并行度；设计缓冲和排队策略；设计控制机构；确定采用何种可靠性技术。

计算机实现技术

计算机实现是指计算机组成的物理实现主要包括：

处理机、主存储器等部件的物理结构；

器件的集成度和速度；

专用器件的设计；

器件、模块、插件、底版的划分与连接；

信号传输技术；

电源、冷却及装配技术，制造工艺及技术等。随着技术、器件和应用的发展，三者之间的界限越来越模糊。09五月2023计算机系统结构第一章基本概念181.2计算机系统的设计技术1.2.1计算机系统设计的定量原理1.2.2计算机设计者的任务1.2.3计算机系统设计方法

09五月2023计算机系统结构第一章基本概念191.2.1计算机设计的定量原理

1、加快经常性事件的速度（注重大概率事件）

2、Amdahl定律

（加快经常性事件的速度，对整体性能的影响）

3、CPU性能公式

4、访问的局部性原理（空间局部性和时间局部性）09五月2023计算机系统结构第一章基本概念20暂存器EU控制电路126…AHALBHBLCHCLBPSISPDHDLDI数据寄存器地址寄存器AXBXCXDXALU地址加法器CSDSSS内部寄存器IPES总线控制逻辑标志寄存器指令队列ALU数据总线

/16总线接口单元BIU执行单元EU数据总线

/16地址总线/20队列总线/8加快经常性事件MOVBX，2000MOVAL，[BX]09五月2023计算机系统结构第一章基本概念21.Amdahl定律基本方法：加快经常性事件的执行速度Amdahl定律：系统中某一部件由于采用更快的执行方式后，整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。在Amdahl定律中，加速比与两个因素有关：09五月2023计算机系统结构第一章基本概念22

改进后整个任务的执行时间为：其中：Ｔ0为改进前的整个任务的执行时间。

改进后整个系统的加速比达到：其中：Fe表示可改进部分所占的百分比，

(1-Fe)表示不可改进部分所占的百分比，

Se表示改进后，可改进部分的加速比。09五月2023计算机系统结构第一章基本概念23例1.1：某部件的处理时间仅为整个运行时间的

40%，如果将该部件的处理速度加快到10

倍，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？解：由题意可知：Fe=0.4,Se=10，根据Amdahl定律，加速比为：

09五月2023计算机系统结构第一章基本概念24例1.2：

假设FPSQR操作占整个测试程序执行时间的20%。采用下面哪种实现技术对系统的性能影响较大。请比较这两种设计方案。一种实现方法是采用FPSQR硬件，使FPSQR操作的速度加快到10倍。另一种实现方法是使所有浮点数据指令的速度加快，使FP指令的速度加快到2倍，还假设FP指令占整个测试程序执行时间的50%。解：分别计算出这两种设计方案所能得到的加速比：09五月2023计算机系统结构第一章基本概念25可见使所有FP指令的速度提高这一方案更好。

09五月2023计算机系统结构第一章基本概念26

概念：（1）时钟周期/时钟频率（T/f）（2）每条指令执行所花费的时钟周期数。（CPI）(cycleperinstruction)(3)每个时钟周期执行多少条指令（IPC）（instructionpercycle）（4）CPU时间：CPU执行某任务所花费的时间。（t)

（1）程序执行所花费的CPU时间：CPU时间＝CPU时钟周期数/频率

或：

CPU时间＝CPU时钟周期数×时钟周期两种表示方法：CPU性能公式

用加速比描述性能时有些参数不好测定，因此引入CPU性能公式。要点：用CPU执行时间衡量性能。09五月2023计算机系统结构第一章基本概念27频率f=8周期T=1/8秒CPI=2IPC=0.51S1S09五月2023计算机系统结构第一章基本概念28

（2）每条指令的平均时钟周期数CPI:CPI=CPU时钟周期数目/指令条数ICCPU时间＝（IC×CPI）/频率

（3）二者关系

（4）CPU性能取决的三要素时钟频率：取决于硬件技术和组织。CPI：取决于系统结构组织和指令集。指令条数：取决于系统结构组织和编译技术。09五月2023计算机系统结构第一章基本概念29

（5）常用的计算公式09五月2023计算机系统结构第一章基本概念30例1.3：

如果FP操作的比例为25％，FP操作的平均CPI＝4.0，其他指令的平均CPI为1.33，。假设FP操作的CPI减为2。试问：CPU性能提高多少？原来：

CPI旧=CPIFP*25%+CPI其他*75%=4.0*0.25+1.33*0.75=1.99CPI新=CPIFP*25%+CPI其他*75%=2.0*0.25+1.33*0.75=1.5S=1.99/1.5=1.3209五月2023计算机系统结构第一章基本概念311.2.2计算机系统结构设计者的任务*确定用户对系统结构功能、性能、价格的需求*软硬件的平衡*软件的兼容性*具有前瞻性09五月2023计算机系统结构第一章基本概念321确定用户需求（功能，性能，价格）

根据需求、根据硬件制造水平、创造出性价比最高的产品应用或市场需求：专用/通用，家庭/国防，商业/科研硬件实现技术：相当重要，不同指令集对系统性能的影响在缩小性能优化：可靠性、容错性、价格与性能实现的复杂性：硬件实现方案、软件复杂性、投放市场时间性能价格比：必须考虑实现的成本，包括软件成本09五月2023计算机系统结构第一章基本概念332保持软硬件平衡

软硬件的关系理论上：有两种极端实现方法：全硬件机器：操作系统、高级语言、应用等硬件只有1位加法和分支操作，其他都用软件关键问题：性能与价格的关系软件与硬件实现的特点

硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多09五月2023计算机系统结构第一章基本概念34硬件实现的部分越来越多09五月2023计算机系统结构第一章基本概念35

从价格因素考虑的软硬件取舍假设：硬件设计费为Dh、软件设计费为Ds、硬件拷贝费为Ch、软件拷贝费为Cs，R为软件重复出现次数(占用内存、占用介质)，当台数为V时，每台的硬件费用和软件费用之比为：由于：Dh>>Ds，Ch>>Cs，当R很大时，经常使用的基本功能适宜用硬件实现由于：Ds>>Cs，当V很大时，生产台数很多时适宜用硬件实现思考：操作系统的实现？09五月2023计算机系统结构第一章基本概念363保证软件兼容性软件兼容性：同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于有不同的运行时间。要兼容原因：软件相对于硬件的成本越来越贵，已积累了大量成熟的系统软件和应用软件1.兼容种类

(1)向后兼容：在某一时间生产的机器上运行的目标软件能够直接运行于更晚生产的机器上。

(2)向前兼容：

(3)向上兼容：在低档机器上运行的目标软件能够直接运行于高档机器上。

(4)向下兼容：

向后兼容必须做到，向上兼容尽量做到向前兼容和向下兼容，可以不考虑09五月2023计算机系统结构第一章基本概念3709五月2023计算机系统结构第一章基本概念38方法一：系列机方法系列机定义:

具有相同的系统结构，但组成和实现技术不同的一系列计算机系统实现方法：在系统结构基本不变的基础上，根据不同的性能和不同的器件，研制出多种性能和价格不同的计算机系统。一种系统结构可以有多种组成，一种组成也可以有多种物理实现如IBM370系列机:115,125,135,145,158,168等09五月2023计算机系统结构第一章基本概念39相同的指令系统，采用顺序执行、重迭、流水和并行处理方式相同的32位字长，数据通路宽度为8位、16位、32位、64位。如PC系列机有：

不同主频：4.7MHz，500MHz，1GHz，2.4GHz,3GHz,…

不同扩展：Pentium、PentiumPro、PentiumMMX、PentiumSSE、PentiumSSE2

不同Cache：Pentium、Celeron、Xeon

不同字长：8位、16位、32位、64位09五月2023计算机系统结构第一章基本概念40

采用系列机方法的主要优点：

(1)系列机之间软件兼容，可移植性好

(2)插件、接口等相互兼容

(3)便于实现机间通信

(4)便于维修、培训

(5)有利于提高产量、降低成本

采用系列机方法的主要缺点：

限制了计算机系统结构的发展如PC系列机，其系统结构非常落后，使用也最普及09五月2023计算机系统结构第一章基本概念41方法二：模拟与仿真

SimulationEmulation定义：在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。全部用软件实现的叫模拟，用软件、硬件、固件混合实现的叫仿真模拟的实现方法在A计算机上通过解释或编译实现B计算机的指令系统。A机器称为宿主机，B机器称为虚拟机。仿真的实现方法直接用A机器的一段微程序解释执行B机器的指令。A机器称为宿主机，B机称为目标机。09五月2023计算机系统结构第一章基本概念421.2.3计算机系统设计过程方法1：由上向下（Top-Down）设计过程：由上向下面向应用的数学模型→面向应用的高级语言→面向这种应用的操作系统→面向操作系统和高级语言的机器语言→面向机器语言的微指令系统和硬件实现应用场合：专用计算机的设计特点：对于所面向的应用领域，性能和性能价格比很高。随着通用计算机价格降低，目前已经很少采用09五月2023计算机系统结构第一章基本概念43方法2：由下向上（Bottom-Up)设计过程：根据当时的器件水平，设计微程序机器级和传统机器级→根据不同的应用领域设计多种操作系统、汇编语言、高级语言编译器等→最后设计面向应用的用户级应用场合：通用计算机的一种设计方法，在计算机早期设计中（60～70年代）广为采用特点：容易使软件和硬件脱节，整个计算机系统的效率降低。09五月2023计算机系统结构第一章基本概念44方法3：中间开始（Middle-Out)

用于系列计算机的设计过程中09五月2023计算机系统结构第一章基本概念45方法3：中间开始（Middle-Out)设计过程：

首先定义软硬件的分界面(指令系统、存储系统、输入输出系统、中断系统、硬件对操作系统和编译系统的支持等)

然后各个层次分别进行设计(软件设计人员设计操作系统、高级语言、汇编语言、应用程序等，硬件设计人员设计传统机器、微程序、硬联逻辑等)

应用场合：用于系列机的设计

特点：软硬件人员结合、同时设计，软硬件功能分配合理。1.3.1运算速度1.3.2存储器系统1.3.3其他性能1.3.4价格标准1.3计算机系统结构的评价标准1.3.1运算速度

运算速度是表示处理机性能的主要指标。有多种表示处理机运算速度的方法。

哪一种表示方法合理？1.时钟频率（处理机主频）只能用于同一公司、同一类型、同一配置的处理机

如：Pentium4

2.0G比Pentium4

1.6G快25%?

Pentium4

2.4G比Pentium4

1.6G快50%?

只表示CPU的指令处理能力实际运算速度还与Cache、内存、I/O、被执行程序等均有关。2.指令执行速度一种经典的表示运算速度的方法

MIPS(MillionInstructionsPerSecond),GIPS,TIPS

其中:Fz为处理机的工作主频

CPI(CyclesPerInstruction)为

每条指令所需的平均时钟周期数

IPC(InstructionPerCycle)为

每个时钟周期平均执行的指令条数例1：计算PentiumIV2GHz处理机的指令执行速度。

解：由于PentiumIV2GHz处理机的

IPC＝4（或CPI＝0.25）,Fz＝2000MHz

因此，MIPSPentiumIV2G＝FzIPC＝20004

＝8000MIPS＝8GIPS

即每秒钟80亿次(平均每秒钟执行80亿条指令)

主要优点：直观、方便。目前还经常使用主要缺点:

(1)不同指令的执行速度差别很大

(2)指令使用频度差别很大

(3)有相当多的非功能性指令3.等效指令速度：

吉普森（Gibson）法：加减法50％，乘法15％，除法5％，程序控制15％，其他15％

静态指令使用频度：在程序中直接统计动态指令使用频度：在程序执行过程中统计例2：我国早期研制的一种小型计算机DJS-130定点16位加法指令每秒50万次，占总指令数的80%；乘除法指令占20%，用软件实现乘除法，速度低100倍。求等效指令速度。解：等效指令速度为：

即每秒2万次，由于用软件实现乘除法，等效指令速度降低了25倍。

例3：假设在一般程序中浮点开平方操作FPSQR所占的比例为2％，它的CPI为100；其他浮点操作

FP所占的比例为23％，它的CPI＝4.0；其余

75％指令的CPI＝1.33，计算该处理机的等效

CPI。如果FPSQR操作的CPI也为4.0，重新计算等效CPI。解：等效CPI1＝1002％＋423％＋1.3375％＝3.92等效CPI2＝425％＋1.3375％＝2.00

改进了在用户程序中仅占2％的开平方操作，整个机器的等效运算速度提高了近一倍。4.指令执行速度的4种平均方法

算术平均：调和平均(用速率来度量)：加权平均加权算术平均：加权调和平均：5.核心程序法把应用程序中使用最频繁的那部分程序作为评价计算机性能的标准程序。称为基准测试程序(benchmark)

整数测试程序：Dhrystone

用C语言编写,100条语句。包括：各种赋值语句,数据类型和数据区,控制语句,过程调用和参数传送,整数运算和逻辑操作等。

VAX-11/780的测试结果为每秒1757个Dhrystones，即：1VAXMIPS＝1757Dhrystones／Second

浮点测试程序：Linpack

用FORTRAN编写，主要是浮点加法和浮点乘法操作用MFLOPS(MillionFloatingPointOperationsPerSecond)表示，GFLOPS、TFLOPS

SPEC基准程序

SystemPerformanceEvaluationCooperative

由30个左右世界知名计算机大厂商所支持的非盈利性国际合作组织，包括：IBM、AT&T、BULL、Compaq、CDC、DG、DEC、Fujitsu、HP、Intel、MIPS、Motolola、SGI、SUN、Unisys等；

1989年10月宣布SPEC1.0，程序量超过15万行,包含4个定点程序和6个浮点程序,测试结果用SPECint’89和SPECfp’89表示。

1992年增加到有6个定点程序和14个浮点程序,测试结果用SPECint’92和SPECfp’92表示。

1995年推出SPECint’95和SPECfp’95SPEC2000，12个定点程序、14个浮点程序SPEC基准测试程序举例处理机SPECint’95SPECfp’95

PentiumII45018.5 13.3PentiumIII45018.713.7PentiumIII50020.614.7PientiumIII55022.315.6Celeron300A12.09.66Celeron33313.110.20Celeron36614.110.70Celeron40015.111.20Celeron43316.111.60Celeron46617.012.00Pentium4性能评测数据

（数据全部来源于Intel网站）

6.峰值速度蜂值指令速度：MIPS、GIPS、TIPS

浮点蜂值速度：MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS例5：一个由36台计算机组成的Cluster系统，每台计算机内部由4个PentiumIII700，计算这个Cluster系统的指令峰值速度。解：PentiumIII700MHz，有3条指令流水线，峰值指令速度为：7003

＝2100MIPS

Cluster的峰值指令速度＝700３36４＝302400MIPS

即每秒３千亿次1.3.2存储系统1.存储层次

第1层：RegisterFiles(寄存器堆)

第2层：Lookahead(先行缓冲站)

第3层：Cache(高速缓冲存储器)

第4层：MainMemory(主存储器)

第5层：OnlineStorage(联机存储器)

第6层：Off-lineStorage(脱机存储器)第1~3层在CPU芯片内部，第4层在主板上，第5层在机箱内(硬盘)，第6层依靠手工加载(VCD/DVD/磁带/刻录机等)2.寻址空间程序员可以使用的存储器容量，即每个程序的大小通常有216、224、232、264、…

Pentium处理机的寻址空间为4GB

与实际配置的存储器容量无关3.存储容量实际物理存储器的大小通常用KB、MB、GB、TB等表示建议配置：主存：1GB～2GMB

硬盘：160G-1000G240G4.主存储器的种类

DRAM---FPMDRAM----EDODRAM

SDRAM

(同步内存同系统时钟同步

)

DDRSDRAM（双倍数据速率，时钟的上升沿和下降沿都能传送传送数据

SDRAMII)RDRAM(RAMBUSDRAM)5.速度主存速度与CPU系统总线速度相匹配6.存储系统

采用软件和硬件相结合的方法，获得速度高、容量大、价格便宜的存储器1.3.3其他性能

1.字长1～几百位，16位、32位、64位由数据字长决定，8的倍数，32位、64位等可变字长：任意组合2.数据表示

定点、浮点、逻辑、向量、串、栈、树、…

发展方向之一：自定义数据表示3.指令系统

CISC(ComplexInstructionSetComputer)复杂指令集计算机

RISC(ReducedInstructionSetComputer)精简指令集计算机

VLIW(VeryLongInstructionWord)超长指令字4.输入输出系统

输入输出系统的组织方式中断系统通道处理机输入输出处理机5.保护和诊断能力

程序与数据的保护诊断能力：检错,纠错,冗余,自诊断能力可靠性：RAS技术，可靠性R，可用性A，可维护性S1.3.4价格（成本）标准

1．价格与性能的关系：

摩尔定理：速度每10年左右提高100倍，但价格基本维持不变用当前同样的价格，在5年之后能买到性能高出10倍的计算机2．硬件与软件的价格比例：

硬件在整个计算机系统价格中所占的比例在下降，软件所占的比例在上升目前软件价格已经超过硬件价格软件所占的成本越来越高性价比要高1.4计算机系统的发展1.4.1冯·诺依曼结构1.4.2器件发展的影响1.4.3应用发展的影响1.4.4改进算法的影响1.4.1冯·诺依曼结构

VanNenmann基本思想于1936年～1946年期间形成，由冯·诺依曼等人于1946年提出（1）.特点:存储程序、运算器为中心、集中控制存储器是字长固定的、顺序线性编址的一维结构，每个地址是唯一定义的。

4096个字、40位。由指令形式的低级机器语言驱动。指令顺序执行，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送都途经运算器。运算器、存储器、输入输出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集中控制。（2）.现代处理机对冯·诺依曼结构的改进

不变的：存储程序改变的：并行处理、存储器为中心,总线结构,分散控制从基于串行算法变为适应并行算法，出现了向量计算机，流水线处理机、超标量、并行计算机、多处理机等数据库计算机和知识库计算机功能分散化、专业化，出现了各种分布计算机、外围处理机、通信处理机等。专用计算机：如FFT变换机、过程控制计算机、容错计算机09五月2023计算机系统结构第一章基本概念74CPURAMI/O接口I/O设备2I/O接口总线busI/O设备1存储器为中心、分散控制09五月2023计算机系统结构第一章基本概念76奔腾4Intel845系统总线存储器控制AGP控制器Hub接口存储器接口PC133SDRAMAGP4XICH2输入输出控制中心IDE驱动器声卡AC97USB端口键盘鼠标软驱打印机网络接口FWH固件中心（BIOS）GPIO(通用输入/输出，或叫总线扩展器

RAID控制器PCI槽PCI槽PCI代理（3.）非冯计算机的发展什么是非冯计算机？非指令驱动，…从传统的指令驱动型改变为数据驱动型，出现了数据流机计算机。从传统的指令驱动型改变为需求驱动型，出现各种图归约计算机。处理非数值化信息的智能计算机，自然语言、声音、图形和图象处理,虚拟现实处理等第五代计算机，由推理机和知识库机等组成。历经10年，召开过多次专题国际会议。神经网络计算机，仿生计算机，…1.4.2器件发展的影响（1）第1代至第4代计算机以器件来划分第一代：电子管(Valve)

第二代：晶体管(Transistor)

第三代：集成电路(LSI)

第四代：大规模集成电路(VLSI)

第五代：智能计算机？第五代计算机以什么作为标志来划分？第五代计算机什么时候诞生？（2.）器件发展的特点

A集成度迅速提高

目前水平：每个芯片有1010个晶体管单芯片内可以做大于1Gb存储器，单芯片内可以集成2个CPU＋全部Cache

每4~5年提高一个数量级还远没有达到集成度的极限问题？

如何利用器件集成度的提高，不断改进计算机系统的性能：例如，有更多指令并行执行，采用更深的流水线，集成更多的Cache等B提高速度空间不大目前CPU主频已经到达6GHz，时钟周期0.16ns，门延迟小于0.01ns。极限速度30万公里/秒/2＝1.5mm/0.01ns。信号在导体中传递速度小于光速50％。器件速度提高的余地已经很小，将来提高处理机速度更多依靠系统结构的发展可从系统结构的两个方面提高处理机速度：

采用更深度的流水线和并行处理技术。C价格直线下降

CPU芯片的价格每年要下降>80%

D可靠性越来越高芯片可靠性达到108小时，连续使用1万年以上能用硬件用硬件（3）.器件种类

通用片：逻辑关系确定大批量生产，如：CPU、存储器、寄存器…

现场片：可以一次或多次改写逻辑关系如：PLD、PAL、PROM、EPROM、…

用户片：各种专用芯片需要单独设计和生产。半用户片：门阵列片等（CPLD、FPGA）标准的门电路，前几到工序已经完成；根据用户需要确定最终连线。1.4.3应用发展的影响1.应用需求（促进计算机发展）高结构化数值计算：气象模型,流体流动,有限元分析。非结构化的数值计算：蒙特卡洛模拟,稀疏矩阵。实时多因素问题：语音识别,图象处理,计算机视觉。海量存储和输入输出密集问题：数据库,事务处理。图形学和设计系统：计算机辅助设计。2.三个时期

通用计算机：主要是通用科学计算

专用计算机：科学计算、事务处理、实时控制

高性能通用机：满足多种需求目前又开始多种专用处理机的研制3.两个发展趋势维持价格不变，利用VLSI技术提高性能性能基本不变，价格迅速下降4.三种设计思想最高性能价格比：商用机。主要发展方向最高性能：国家安全需要，科技发展需要例如：银河计算机、神州计算机、…最低价格：家用学习机等1.4.4改进算法的影响

在多个层次上，算法影响着系统结构。例如：1、快速乘法、除法、开平方等的实现（部件改进）2、记分板算法、Tomasulo算法提高指令级并行性消除名字相关、数据相关、控制相关的算法有些问题，如果算法上有突破，不需要高性能的系统结构，而在普通系统上就能得到解决。许多算法还有改进的余地，通过算法的研究能够大幅度提高系统的性能。（改进算法即可改进性能）3、系统结构设计者要研究算法，应该研究一系列算法，使所有同类问题都能很好解决。（系列改进）1.5计算机系统的分类1.5.1按处理机性能分类1.5.2佛林分类法1.5.3库克分类法1.5.4冯泽云分类法1.5.5汉德勒分类法1.5.1按处理机性能分类1.按大小划分种类：巨型、大型、中型、小型、微型机划分原则：以性能为特征，按价格来划分存在问题：划分的标准是随时间而变化，每５年左右降低一个等级设计方法：最高性能特殊用途最佳性能价格比一般商用计算机最低价格