《计算机组成与结构》PPT课件

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1、计算机组成与结构9王晓荣2011.31第9章计算机系统结构9.1计算机系统概述9.2微机系统、工作站和服务器9.3多媒体计算机9.4超级标量处理器、超级流水线处理器和超长指令字处理器9.5向量计算机、阵列处理器和多处理器系统9.6计算机网络9.7计算机硬件设计和实现简述29.1计算机系统概述(一).计算机系统的分类(P361)随着计算机系统结构的发展，出现了各种复杂程度不同，运算速度、处理能力各异的计算机系统，同时也出现了对计算机系统进行分类的各种方法。目前常用的是1966年弗林根据指令流和数据流数量进行分类的方法

2、。其中指令流是机器执行的指令序列，数据流是由指令流调用的数据序列。可将计算机系统分成下列四类。31.单指令流单数据流(SISD)计算机系统通常由一个处理器和一个存储器组成。典型的SISD计算机每次执行一条指令，每次从存储器取(或存)一个数据，为了提高运算速度，有些SISD计算机设置了指令流水线和运算操作流水线，有些还设置了多个功能部件和多体交叉存储器。42.单指令流多数据流(SIMD)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

3、向各个处理器“播送”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，这就是单指令流(各处理器可由程序分别设置成“活动的”或“不活动的”，“不活动的”处理器不执行指令规定的操作)；各“活动的”处理器执行指令时所需的数据是从它本身专用的存储器中取的，所以各处理器所处理的数据是各不相同的，这就是多数据流。为各个处理器所专用的存储器又叫局部存储器。53.多指令流单数据流(MISD)计算机系统MISD计算机系统在同一时刻执行多条指令，但处理同一个数据。大多数人认为能列在这一系统中的计算机很少或根本不存在。4.多指令

4、流多数据流(MIMD)计算机系统典型的MIMD计算机系统由多台处理器(包括指令控制部件和处理器)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(各不相同)。6（二）提高计算机系统运算速度的方法提高计算机系统的运算速度的方法可归纳为两种：(1)改进器件工艺，减少芯片线宽，提高集成度与工作频率。(2)改进计算机系统结构，并使各部件之间的速度匹配。针对单机系统已介绍过改进系统结构的方法有：(1)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。7(

5、2)采用多体交叉存储器和cache，以协调CPU和存储器之间的速度匹配。(3)CPU和输入输出设备并行工作，以减少CPU等待和空闲时间。(4)操作重叠的流水线工作方式。这些方法开始都用在大型计算机上，现已推广到中、小型机甚至微机上。在本章中，我们将介绍多种计算机系统，其发展的最终目的是增强计算机处理能力和提高运算速度。8（三）开放系统1.专有系统与开放系统(1)专有系统。硬件和软件都由一家公司提供，并不向外提供技术，从历史上看，一些有名的大计算机公司，如IBM、DEC都是靠独家专利的计算机发迹的。(2)开放系统。硬

6、件和软件可由多家公司提供，计算机系统的所有部分，如计算机体系结构、系统总线、操作系统、窗口系统、数据库、图形用户接口、计算机网络和通信服务等都是开放的，符合与制造商无关的国际标准。这样厂商之间很容易进行分工，用户可以选用市场上最好的、适合应用的软件、硬件组成计算机系统或信息系统。92.开放系统的特点(1)遵循标准接口，使得计算机系统之间有“可移植性”和“互操作性”。可移植性是指将操作系统或应用软件放在不同厂家的各种不同型号的计算机上使用。互操作性是指不同厂家在不同平台上开发的多种应用软件具有共享数据和协同工作的能力

7、。(2)开放系统可由制造商、增值转销商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的投资(即原有软件仍能运行)。10(3)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。(4)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(工业标准)，前面二种标准应经相应的标准化组织通过，而工业标准是由于产品的巨大销量而成为实际的标准。11（四）计算机系统的性能评测1.评测性能的几种方法计算机的时钟频率在一定程度上反映了机器速度，一般来讲，主频越高，速度越快，但是相同频率

8、，不同体系结构的机器，其速度可能会相差很多倍，因此还需要有其他方法来测试速度。早期的计算机速度是通过计算得来的，当时根据各类指令的执行频率按一定的比例估算，得到平均运算速度。这种方法很不精确，因为在不同程序中，不同指令的使用频率是不同的，而且数据长度、指令系统功能、cache、流水线等与机器的性能有很大关系，在计算时不能得到充分反映。12另外有一种通过“计算