计算机系统结构第1章计算机系统结构的基本概念课件教学.pptVIP

第1章 计算机系统结构的基本概念 内容提要: 第1章 计算机系统结构的基本概念 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 1.1 计算机系统结构的发展 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. 计算机系统结构的逻辑实现 2. 计算机的组成与实现 3. 计算机组成的外特性、内特性与微外特性 1.3 计算机系统结构的类型 1.3.1 按“流”分类 1.3.2 按“并行级”和“流水线”分类 1.3.3 冯氏分类法 1.3.2 按“并行级”和“流水线”分类 1.4 计算机系统性能分析 1.4.1 定量分析法 1.4.2 CPU性能分析 1.4.3 MIPS与MFLOPS指标 1.4.4 性能测试结果的统计与比较 1.4.1 定量分析法 1.4.3 MIPS与MFLOPS指标 1.4.4 性能测试结果的统计与比较 1.5.2 软件对计算机系统结构发展的影响 1.5.3 应用需求对计算机系统结构发展的影响 1.5.4 器件对计算机系统结构发展的影响 1.6 计算机系统的成本、性能与价格 1.6.1 计算机系统的成本与价格 1.6.2 计算机系统的性能与价格 1.6.1 计算机系统的成本与价格 1.6.2 计算机系统的性能与价格 后来，随着计算机的深入发展，人们希望简化程序设计，于是就在运算器、控制器上找出路，研制出适应于某种算法的运算器和相应的指令系统。例如，为了解决浮点运算，研制出浮点运算器和浮点运算指令；为了加快乘除法运算，研制出乘法器、除法器及相应的乘除法指令。为了一些专门的运算和要求，研制出相应的计算机，例如差分机、积分机、人工智能推理机、模糊处理机等，这些都与特定的算法有着密切联系，或者说，是按照特定的算法设计出来的。 为了进行向量运算，人们设计出向量机和阵列机，其系统结构不同于单CPU的普通计算机，而且还设有专门的向量运算指令。例如，TI公司的ASC，CDC公司的CYBER-205和ETA-10属于前一种；CRAY公司的CRAY-1，日本富士通公司的FACOM系列机，日本电气公司的SX1～SX3，以及我国的YH系列机属于后一种。这些向量机，都是针对向量运算而设计出来的。阵列机已有多种类型，如分布式存储器阵列机、共享存储器阵列机及脉动阵列机等。例如，美国宝来（Burroughs）公司ILLIAC-Ⅳ是一种分布式存储器阵列机，它的BSP计算机属于集中式共享存储器阵列机，美国普图（Purdue）大学的可重构高度并行计算机ChiP（Configurable Highly Parallel Computer）属于脉动阵列机。这些阵列机都是从求解一系列计算问题而发展来的。 因此，算法也是影响计算机系统结构的重要因素。对于计算机系统设计人员来说，若要改变系统结构，就必须熟悉算法，必须把对二者的研究结合起来。如今，随着LSI/VLSI技术的发展与成熟，其成本不断降低，这就为计算机系统结构和算法的研究提供了有力的支持。因此可以说，为满足不同算法而设计的专用计算机必将大量涌现出来，它们可能是大型机、中型机、小型机、巨型机，也可能是微型机，甚至是嵌入式芯片。 随着时间的推移，电子器件的功能不断增强，成本不断下降，因此，也就导致了计算机系统性能的提高和成本与价格的下降。对于计算机系统结构的设计人员来说，应当始终把握成本、性能与价格三者之间的变化关系。 1.成本与价格 在设计制造计算机时，既要考虑功能，又要考虑成本与价格。人们追求的目标是性能好，价格低，即所谓的高性能价格比。在电子产品的设计中，成本敏感设计日益受到人们的重视，主要因素有两个：一是成本的急剧变化，二是封装对设计策略的影响。前者是指电子器件的价格变化很快，因此在研发初期没有必要对价格做过多的考虑；后者是指封装在一个集成电路芯片中的电路的功能。随着时间的推移，当初一块印刷电路板上的电路可能会被封装到一块集成电路芯片中，这既影响到系统结构的设计，又有利于降低成本。 2.成本的分布与价格的变化 在任何一种产品的生产过程中，各种成本均占一定的比例。下面仅以工程工作站为例，说明计算机成本与价格的分布与变化，如图1.9所示。 图1.9 成本与价格的演变过程 (1)元器件成本：是产品中最基本的成本，是所有器件成本的总和，最初为100%。