计算机组成原理与系统结构 马礼 第1章 计算机组成与系统结构概述

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1、计算机组成原理与系统结构第1章计算机组成与系统结构概述本章主要内容：本章将讲述计算机发展、计算机系统构成、计算机组成、计算机实现和计算机系统结构等概念；同时介绍计算机系统结构的分类、计算机系统的性能评价等内容。重点掌握计算机系统结构的层次结构、计算机系统结构的分类和计算机系统的性能评价标准等。1.1计算机系统概念1.2计算机系统的层次结构1.3计算机系统组成1.4计算机系统结构的分类1.5计算机系统结构的评价1.6计算机系统结构的发展1.1计算机系统概念1.1.1计算机的产生与发展世界上第一台电子计算机诞生于1946年，是由美国宾西法尼亚大学摩尔学院机电系莫克利（J.Mauchly

2、）教授及其同事们共同研制成功的，称为电子数字积分器和计算机（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer，ENIAC）。1．机械计算时代（1642～1945年）机械式2．第一代电子计算机（1946年至20世纪50年代末期）　电子管3．第二代计算机（20世纪50年代末期至60年代中期）　晶体管4．第三代计算机（20世纪60年代中期至70年代初期）ＳＳＩ和ＭＳＩ5．第三代以后的计算机（20世纪70年代初开始）　ＬＳＩ和ＶＬＳＩ1.1.2计算机的应用1．科学计算2．数据处理3．实时控制4．计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造(CAM)/计算机集成制造

3、系统5．计算机信息管理1.1.3计算机系统结构、计算机组成和计算机实现1．计算机系统结构计算机体系结构，其英文为“CompuerArchitecture”主要研究计算机系统的设计。2．计算机组成计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现。3．计算机实现计算机实现是指计算机组成的物理实现。1.2计算机系统的层次结构计算机系统由硬件和软件构成，如果以硬件为核心，计算机系统可以用图1-1表示。图1-1计算机硬件、软件和用户图1-2计算机系统的层次结构图1-2描述了计算机的层次结构。1.3计算机系统组成CPU内部也由相对独立的几个部分组成，如图1-3所示。图1-3一台简单的计算机硬件组成图1.4

4、计算机系统结构的分类1.4.1弗林分类法按照指令流和数据流的多寡，Flynn将计算机体系结构分成4种类型。（1）单指令流单数据流（SingleInstructionstreamSingleDatastream，SISD）计算机。（2）单指令流多数据流（SingleInstructionstreamMultipleDatastream，SIMD）计算机。（3）多指令流单数据流（MultipleInstructionstreamSingleDatastream，MISD）计算机。（4）多指令流多数据流（MultipleInstructionstreamMultipleDatastream

5、，MIMD）计算机。表1-2计算机系统Flynn分类法指　令　流数　据　流名　　称举　　例11SISD传统的冯·诺伊曼计算机1多个SIMD超级向量计算机，阵列处理机多个1MISD目前还没有多个多个MIMD多处理器，多计算机下表列出了Flynn分类法以及每种计算机的实例。1.4.2冯氏分类法图1-5所示为冯氏分类法对计算机系统的划分情况，其中的点为一些典型的计算机系统。图1-5冯氏分类法及典型计算机系统按照最大并行度的不同，冯氏分类法将计算机系统分为以下4种。（1）字串位串型（WordSerialBitSerial，WSBS）：n=1，m=1（2）字串位并型（WordSerialBit

6、Parallel，WSBP）：n=1，m＞1（3）字并位串型（WordParallelBitSerial，WPBS）：n＞1，m=1（4）字并位并型（WordParallelBitParallel，WPBP）：n＞1，m＞11.4.3海德勒分类法Händler分类法实际上也可以称作Händler表示法，它是对计算机的整体并行度进行的一种表示法。Händler表示法用如下形式表示计算机的结构特征，即t（系统型号）=（k，d，w）。其中，程序控制部件的个数为k，算术逻辑部件或处理部件的个数为d，每个算术逻辑部件包含的基本逻辑线路套数为w。1.5计算机系统结构的评价1.5.1系统运行速度1

7、．MIPS指计算机系统每秒钟能执行百万条指令的数量。MIPS=指令条数/执行时间2．MFLOPSMFLOPS是指每秒钟百万次浮点运算数。MFLOPS=程序中的浮点运算次数/运行时间3．标准程序测试法（1）基准测试程序SystemPerformanceEvaluationCorporation（2）整数测试程序：Dhrystone（3）浮点测试程序：Linpack（4）Whetstone基准测试程序（5）TPC基准程序TransactionProcessin