计算机系统结构随书ppt清华大学出本社

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1、第一章　基本概念1.1计算机系统结构的定义1.2计算机系统的评价标准1.3计算机系统的设计方法1.4计算机系统结构的发展1.5计算机系统的分类1.4计算机系统结构的发展1.4.1冯·诺依曼(VanNenmann)结构1.4.2器件发展对系统结构的影响1.4.3应用对系统结构发展的影响1.4.4算法对系统结构的影响1.4计算机系统结构的发展1.4.1冯·诺依曼(VanNenmann)结构基本思想于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。存储器提供可按地址访问的一级地址空间，每个地

2、址是唯一定义的。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.改进：存储程序，存储器为中心，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，并行计算机、多处理机等。控制器运算器ALU存储器输入设备输出设备高级语言与机器语言的语义距离缩小，出现了面向高级语言机器和直接执行高级语言机器。硬件子系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应，出现了面向操作系统机器和数据库计算机等。从传

3、统的指令驱动型改变为数据驱动型和需求驱动型，出现了数据流机器和归约机。为适应特定应用环境而出现了各种专用计算机，如快速傅里叶变换机器、过程控制计算机等。为获得高可靠性而研制容错计算机。功能分散化、专业化，出现了各种功能分布计算机，包括外围处理机、通信处理机等。出现了与大规模、超大规模集成电路相适应的计算机系统结构。出现了处理非数值化信息的智能计算机，例如自然语言、声音、图形和图象处理等。3.非冯计算机的发展1.4.2器件发展对系统结构的影响第1～4代计算机以器件来划分在相当长一段时间内，是提高计算机速度的主要途径1.器件发展的特点：用4句话概括：集成度迅速提高，速度已接近极限，价

4、格直线下降，可靠性越来越高集成度迅速提高目前水平：每0.25平方英寸108个晶体管；单芯片内可以做256Mb存储器，CPU＋部分Cache每5年左右提高一个数量级；到2018年，单芯片内可以做100个处理机速度已接近极限目前CPU主频已经到达1000MHz以上，门延迟0.1ns；极限速度：30万公里/秒＝3cm/0.1ns＝３mm/0.01ns器件速度发展的余地很小根据摩尔定理，处理机速度每10年要提高100倍将来处理机速度提高主要靠系统结构、组成和实现技术价格直线下降例如：CPU芯片刚推出时1000美元，一年后降到200美元可靠性越来越高芯片可靠性到达108小时，即连续

5、使用1万年以上失效率时间t使用期2.器件种类通用片：大批量生产，CPU、存储器、寄存器、逻辑门、…现场片：PLD、PAL、PROM、EPROM、FPGA。…用户片：各种专用芯片半用户片：门阵列片等3.器件发展对组成技术的影响器件速度与处理机工作主频1955年第一台大型计算机IBM704机处理机主频：12us，门延迟：0.5us1976年巨型向量计算机CRAY，采用ECL电路处理机主频：12.5ns，门延迟：0.5ns目前:PentiumIII600MHz，Alpha1000MHz处理机主频：1.2ns，门延迟<0.1ns器件速度与指令执行时间40多年来，器件速度提高小于

6、104；指令执行加快108系统结构和组成技术的作用器件速度的提高最慢，已经没有太大潜力处理机主频提高的速度已经减缓指令执行速度的提高基本保持不变4.器件发展对设计方法的影响计算机组成技术下移原来只有在巨型机、大型机中采用的技术，已经用到微型机中先行(Lookahead)、超标量、超流水线、Cache、多体交叉计算机设计方法下移第1代计算机，几乎全部由硬件人员设计第2、3、4代，由应用、软件、硬件和器件人员共同设计将来：除器件设计之外，主要是软件设计逻辑设计方法改变过去逻辑设计很重要，尽量节省每一个芯片，每一个门目前的设计主要考虑：了解市场，尽量选择通用芯片、标准芯片；结构

7、化设计，规整、易读、易诊断1.4.3应用对系统结构发展的影响1.应用需求今后10年，需要专门为以下领域设计高效率的系统结构：高结构化的数值计算：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。大存储器容量和输入输出密集的问题：数据库系统、事务处理系统。图形学和设计系统：计算机辅助设计。人工智能：面向知识的系统、推理系统。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