计算机组成与体系结构 课件 01计算机系统概述、02系统互连结构

计算机系统概述计算机组成与体系结构如何计算？数据表示计算对象是什么？运算规则运算的具体方法过程控制如何控制运算完成如何用计算机完成计算？电子数字通用计算机系统电子非电子（机械、机电）量子计算机数字模拟通用专用GPUASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)……计算发展史——电子计算机阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff-BerryComputer，简称ABC）1939年，爱荷华州立大学ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，电子数字积分计算机)1945年，宾夕法尼亚大学关于ENIAC1946年2月15日，由美国夕法尼亚大学的物理学家约翰·莫克利（JohnMauchly）和工程师普雷斯伯·埃克特（JPresperEckert）领导研制成功机器中约有18800只电子管，1500个继电器，70000只电阻及其他各类电气元件运行时耗电140千瓦，8英尺高，3英尺宽，100英尺长，占用长度超过30米的房间，重量达30吨运算速度：加法5000次/秒，乘法333次/秒ENIAC的典型特征采用十进制；无存储器，只有20个10位的累加器，至多只能存20个字长10位的十进制数；程序是“外插型”的，即用线路连接的方式来实现的与现代计算机的计算方式相同吗？计算发展史——未来的计算机超导计算机光计算机量子计算机（quantumcomputer）生物计算机（biologicalcomputer）……电子计算机的发展第一代（1946～1954）电子管(radiotube/electronicvalve)计算机第二代（1955～1964）晶体管(transistor)计算机第三代（1965～1973）集成电路(integratedcircuit,IC)计算机第四代（1974～现在）大规模和超大规模集成电路(LSI/VLSI)计算机摩尔定律Moore’sLaw戈登·摩尔(GordonMoore)，Intel公司的创始人之一最早出现是在1965年4月19日，发表于《电子学》杂志第114页的摩尔（时任仙童半导体公司工程师）撰写的文章三个版本集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番微处理器的性能每隔18个月提高一倍，或价格下降一半相同价格能买到的电脑，性能每隔18个月增加一倍摩尔定律足足保持差不多40年计算机体系结构、组成与实现计算机体系结构（ComputerArchitecture）：计算机体系结构是指那些能够被程序员所看见的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。计算机组成（ComputerOrganization）：计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的（即程序员不知道的）硬件细节。计算机实现（ComputerImplementation）：指计算机组成的物理实现。电子计算机的分类电子计算机数字式通用计算机(generalpurposecomputer)巨、大、中、小、微、单板、单片……专用计算机(specialpurposecomputer)IOP、DSP模拟式专用计算机数字信号处理,DigitalSignalProcess,DSP协处理器,coprocessor图形处理器,GraphicsProcessingUnit,GPUASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)微型计算机发展最快的，普及最广泛的一类计算机以微处理芯片为代表微型计算机发展的里程碑第一块微处理器芯片Intel4004第一台商用微型计算机Altair88001976年，SteveJobs和SteveWozniak创建了苹果计算机公司1981年，IBM的PC系列/微软的崛起/微型计算机的分类microcomputerserverworkstationpersonalcomputerlaptoptablet……我们常用的是哪种？它们之间有什么区别吗？SupercomputerTOP500SupercomputerSites/TheTOP500projectwasstartedin1993toprovideareliablebasisfortrackinganddetectingtrendsinhigh-performancecomputing.Twiceayear,alistofthesitesoperatingthe500mostpowerfulcomputersystemsisassembledandreleased.ThebestperformanceontheLinpackbenchmarkisusedasperformancemeasureforrankingthecomputersystems.普林斯顿结构冯·诺伊曼结构（VonNeumannarchitecture），也称冯·纽曼模型（VonNeumannmodel）普林斯顿结构（Princetonarchitecture）结果程序输入设备输出设备存储器运算器控制器结果程序输入设备输出设备运算器存储器控制器哈佛结构哈佛结构（Harvardarchitecture）是一种将程序指令储存和数据储存分开的存储器结构非冯•诺依曼计算机在冯•诺依曼体制范畴内，对传统冯•诺依曼机进行改造流水线用多个冯•诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构多核心处理器多处理机系统从根本上改变冯•诺依曼机的控制流驱动方式CPU(CentralProcessingUnit)GPU(GraphicsProcessingUnit)TPU(TensorProcessingUnit)NPU(NeuralnetworkProcessingUnit)BPU(BrainProcessingUnit)DPU(DeeplearningProcessingUnit)计算机系统计算机系统由硬件（子）系统和软件（子）系统组成计算机的硬件：由电子、机械和光电元件等组成的各种部件和设备计算机的软件：指安装在计算机系统中的程序和有关的文件计算机系统组成计算机软件Software指计算机系统中的程序及其文档，程序是计算任务的处理对象和处理规则的描述；文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料分类系统软件：负责管理计算机系统中各种独立的硬件，使得它们可以协调工作应用软件：为了某种特定的用途而被开发的软件计算机软件著作权保护1991年，《计算机软件保护条例》汇编语言层操作系统层指令系统层数字逻辑层高级语言层应用层微体系结构层软件系统硬件系统计算机系统层次结构硬件和软件的逻辑等价性硬件和软件在逻辑上是等价的任何由软件实现的操作都可直接由硬件来完成的任何由硬件实现的指令都可由软件来模拟根据当时的成本、速度、可靠性等因素来决定的，并且会随着计算机技术的发展趋势和计算机应用范围的变化而改变硬件与软件的发展变化早期硬件成本高硬件是计算机系统设计考虑的核心问题软件为硬件服务，研究如何发挥硬件优势后期软件开发成本持续升高硬件设计围绕如何对软件的优化提供支持操作系统优化编译器（高级语言）优化主要技术与性能指标计算机字长(WordSize)CPU速度主频(ClockSpeed,ClockRate)MIPS(MillionInstructionsPerSecond)MFLOPS(MillionFloating-pointOperationsperSecond)CPI(ClockcyclePerInstruction)存储容量内存存取周期和外存数据传输率I/O设备的入出速度系统互连结构计算机组成与体系结构计算机系统互连结构计算机是由一组相互之间通信的3种基本类型（CPU、存储器和I/O）的部件或模块组成的网络。因此，必须有使模块连接在一起的通路连接各种模块的通路的集合称为互连结构早期使用分散连接，即部件之间使用单独的连线，连线复杂，影响了CPU的效率在现代计算机系统中，互连结构已成为决定计算机性能的重要因素之一现代计算机系统的互连结构总线和各种多总线结构（包括层次式总线）BusInterconnection现代计算机系统的互连结构点对点互连Point-to-PointInterconnect总线的基本概念总线(Bus)：计算机系统的互联机构，是连接两个或多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路总线的关键特征是共享传输媒质连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态主方(Master)：可以启动一个总线周期从方(Slave)：只能响应主方请求总线的分类一个单处理器系统中的总线，大致分为如下几类：内部总线：CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线系统总线：CPU同计算机系统的其他具有高速传输功能的部件I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线多处理器系统中，还要有通信总线总线特性机械特性：机械特性是指总线在机械连接方式上的一些性能，保证机械上的可靠连接电气特性：电气特性是指总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围，确保电气上正确连接功能特性：功能特性是指总线中每根传输线的功能时间特性：时间特性是指总线中的任一条线在什么时间内有效总线性能指标总线宽度标准传输率时钟同步/异步总线复用总线控制方式其他指标总线内部结构数据总线：系统模块间传输数据的路径成组使用双向地址总线：指定数据总线上数据的来源和去向成组使用单向控制总线：控制对数据地址线的访问和使用单独使用单向/双向总线连接方式单总线双总线多总线层间总线单总线双总线存储总线系统总线CPUMM接口接口I/OI/O……LocalBus系统总线-I/O总线接口接口接口IOPMMCPUI/OI/OI/O…系统总线I/O总线…传统总线示例层间/高性能总线示例多总线示例层间总线BridgeMMCacheCPUBridge高速I/O…系统总线高速总线Cache总线高速I/O低速I/O低速I/O低速I/O扩展总线总线标准所谓总线标准，可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面对标准总线的要求：支持众多性能不同的模块支持批量生产，并要质量稳定、价格低廉可替换、可组合微型计算机常用的标准总线ISA（IndustrialStandardArchitecture）总线：工业标准结构总线，8位（后来16位）数据线，20位（后来24位）地址线，工作频率8.33MHzEISA（ExtendedIndustrialStandardArchitecture）总线：扩展工业标准结构总线，16或32位数据线，32位地址线，工作频率8.33MHz，支持Burst方式传输数据VESA（VideoElectronicsStandardAssociation）总线：32位局部总线，连接显卡、网卡等，最高工作频率33MHz。没有严格标准，各厂家产品兼容性差，针对80486PCI（PeripheralComponentInterface）总线：外围部件互连总线（局部总线），V1.0支持33MHz工作频率，32位地址和数据线互用；V2.1支持66MHz工作主频，64位地址和数据线互用总线设计要素总线仲裁机制(Arbitration)定时方式(SequentialSystem/Timing)数据传输模式(DataTransferType)总线宽度(BusWidth)总线复用方式(Time-DivisionMultiplexing,TDM)

总线仲裁仲裁原则公平性优先级集中式仲裁链式查询方式计数器定时查询方式独立请求方式分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器链式查询方式链式查询方式的一种实现计数器定时查询方式独立请求方式总线定时同步(synchronoustiming)：事件在总线上的时刻由总线时钟信号来确定，传输频率较高，适用于各功能模块速度相差不多的情况。异步(asynchronoustiming)：应答方式或互锁机制。总线周期长度可变，适用于快速、慢速设备连接到同一总线。同步时序异步时序总线数据传输模式读、写：总线传输的最基本形式，也是所有总线系统都必须支持的传输方式成块传输：现代总线具有的特征，可实现与高速设备的信息传输读－修改－写：主要用于共享存储器的保护，如进程管理中的PV原语、管程等写后读：主要用于数据校验总线宽度并行(parallel)总线：一次可以传送多个二进制位串行(serial)总线：一次只能传送一个二进制位总线复用分时复用常见实例：数据线、地址线复用分时复用优点节省空间和成本分时复用缺点控制电路复杂潜在的性能降低PCI总线PCI(PeripheralComponentInterconnect)总线是一种高性能局部总线，是为了满足外设间以及外设与主机间高速数据传输而提出来的。1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI-SIG

(PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup)/SpecYearChangesummaryPCI1.01992OriginalissuePCI2.01993Incorporatedconnectorandadd-incardspecificationPCI2.11995Incorporatedclarificationsandadded66

MHzchapterPCI2.21998Incorporated

ECNs,andimprovedreadabilityPCI2.32002IncorporatedECNs,errata,anddeleted5voltonlykeyedadd-incardsPCI3.02004Removedsupportfor5.0voltkeyedsystemboardconnectorPCI总线连接示例PCIExpress总线2001年春季的IDF上Intel正式公布PCIExpress(PCIe)，是取代PCI总线的第三代I/O技术，也称为3GIO，旨在替代旧的PCI、PCI-X和AGP总线标准采用点对点串行连接，比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到PCI所不能提供的高带宽PCIe交由PCI-SIG认证发布后才改名为PCI-Express/PCIExpress1X数据通道PCIExpress拓扑示例PCIExpress协议结构现代微型计算机常用总线比较规格总线宽度时钟频率资料速率PCI2.332位33/66MHz133/266MB/sPCI-X1.064位66/100/133MHz533/800/1066MB/sPCI-X2.0（DDR）64位133MHz2.1GB/sPCI-X2.0（QDR）64位133MHz4.2GB/sAGP2X32位66MHz*2=532MB/sAGP4X32位66MHz*4=1.0GB/sAGP8X32位66MHz*8=2.1GB/sPCIe1.0X11位2.5GHz500MB/s（双工，文稿数据）PCIe1.0X22位2.5GHz1GB/s（双工）PCIe1.0X44位2.5GHz2GB/s（双工）PCIe1.0X88位2.5GHz4GB/s（双工）PCIe1.0X1616位2.5GHz8GB/s（双工）PCIExpresslinkperformanceVersionIntro-

ducedLinecodeTransfer

rateperlane[i][ii]Throughput[i][iii]x1x2x4x8x161.02003NRZ8b/10b2.5

GT/s0.250

GB/s0.500GB/s1.000GB/s2.000GB/s4.000GB/s2.020075.0GT/s0.500GB/s1.000GB/s2.000GB/s4.000GB/s8.000GB/s3.02010128b/130b8.0GT/s0.985GB/s