计算机系统结构 第1章 计算机系统结构的基本概念

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1、第1章计算机系统结构的基本概念内容提要:本章首先简要介绍计算机系统结构的含义、层次结构类型，然后讲述计算机系统结构性能分析的方法、计算机系统结构的发展及计算机系统的成本、性能与价格。重点是计算机系统的层次结构、按“流”分类、定量分析、Amdahl定律、影响计算机系统结构的要素。难点是计算机系统的层次结构、按“流”分类、定量分析及Amdahl定律。1.1计算机系统结构的发展1.2计算机系统结构的定义与内涵1.3计算机系统结构的类型1.4计算机系统性能分析1.5计算机系统结构的发展过程1.6计算机系统的成本、性能与价格第1章计算机系统结构的基本概念1.1计算机系统

2、结构的发展自从上世纪40年代上第一台数字计算机诞生以来，其结构、规模、类型、性能、应用领域发生了翻天覆地的变化，其中决定因素是器件和系统结构的发展与变化。人们把计算机的发展过程归结为四个历史时期，也称为四代。现在，正在向第五代发展。各历史时期及其主要特征如表1.1所示。表1.1计算机的发展历史特征年代器件结构软件典型机器第一代1945—1954年电子管和继电器存储程序计算机程序控制I/O机器语言与汇编语言ENIAC、IBM701第二代1955—1964年晶体管、磁芯、印刷电路浮点数据表示、多寻址方式、中断技术、I/O处理机高级语言与编译批处理技术与监控系统Un

3、ivacLARCCDC1604IBM7030第三代1965—1974年SSI、MSI、多层印刷电路微程序控制器、流水线技术、Cache、先行处理、系列机多道程序处理分时操作系统IBM360/370CDC6600/7600DECPDP-8第四代1975—1990年LSI、VLSI、半导体存储器向量处理、并行计算、分布式存储器并行与分布式处理Cray-1IBM3090DECVAX9000Convax-1第五代1991—现在ULSI、VHSIC高性能微处理器、高密度器件超标量、超级流水线SMP、MP、MPP大规模可扩展并行与分布式处理SGICrayT3EIBMSP2

4、DECAlphaServer8400从表1.1可以看出，在计算机发展的过程中，器件是其必须的物质基础，是其更新换代的重要标志。另外还可以看出，在器件更新的同时，其系统结构也在不断地改进。许多新概念不断产生，新的组成方式和技术不断得以实现。因此可以说，正是器件的更新与系统结构的改进相结合，促使了计算机的不断发展和更新换代。计算机科学家恩斯洛(P.H.Enslow)曾对1965～1975年间计算机发展进行了研究。结果表明：计算机系统性能提高了100倍，其中10倍归功于器件的发展，而另外10倍归于系统结构的变化。在计算机进入第四代以后，人们认为第五代计算机应当是智能

5、化计算机。但是，经过多年的努力，一时还难以实现。上世纪90年代以后，计算机的硬件体系结构有了新的发展，于是有人把其归结为第五代系统结构的发展时期。典型机种除了表1.1中所列举的几种之外，还有：Fujitsu的VPP500、CrayResearch的MPP、ThinkingMachines公司的CM-5、Intel超级计算机系统Paragon、SGI的Origin2000以及SUN10000服务器以及我国的“曙光5000”和“天河一号”等大型机。目前，就计算机的规模而言，有微型机、嵌入式微型机、小型机、中型机、大型机和巨型机；就计算机的体系结构而言，有标量流水机

6、、向量流水机、阵列机、并行多处理机、数据流机以及归约机等；另外，人工智能计算机也在迅速的发展之中。上世纪80年代以后，由于软件技术的发展，对计算机系统结构的发展也起到了一定的促进作用。一方面是对汇编语言的要求有所降低，放宽了对目标代码兼容性的苛刻要求；另一方面，与厂商无关、类似于UNIX操作系统那样的标准化的建立，使新的系统结构的设计成本与风险降低，这就促使许多厂商相继推出了许多新型计算机。在进入80年代以后，另一个突破性的进展出现了。这就是精简指令系统计算机RISC，它是对CISC计算机的一种挑战，使计算机的体系结构再一次发生了质的改变。在微型计算机的发展过

7、程中，随着CPU体系结构的改进和芯片集成度的不断提高，一方面使微型机的性能向工程工作站、小型机靠拢；另一方面，各种高性能的微控制器、嵌入式芯片大量涌现出来，广泛地用于自动控制、电信和智能化仪器仪表中；尤其是当今3G技术发展，又使计算机的系统结构和应用领域得到进一步的拓展。1.2计算机系统结构的定义1.2.1计算机系统的层次结构1.2.2计算机系统结构的内涵1.2.3计算机系统的组成与实现1.2.1计算机系统的层次结构早期计算机是用机器语言或汇编语言进行程序设计的。后来随着软件技术的发展，人们使用不同的高级语言编程，站在不同的层面上使用计算机。于是，产生了计算机

8、系统的多层次结构，如图1.1所示。图1