12 计算机系统结构的概念 - 四川大学.pptVIP

计算机系统结构 四川大学计算机学院 提出问题： 什么是系统结构？ 为什么学习系统结构？ 计算机系统结构与组成原理之间的关系是什么？ 为什么要学习系统结构？ 设计、提高整机性能 如何提高整机性能？ 学习思路：传统机器的缺陷-性能评价-改进 1、如何评价？ 评价标准：加速比、吞吐率、效率 2、如何提高？ 解决问题主要思路： 1）并行技术：时间并行，空间并行（提高机器性能） 2）局部性原理 包括程序的时间局部性和程序的空间局部性。 学习目标： 建立计算机系统的完整概念 在机器指令层次学习计算机系统的性能分析方法和性能改进方法 对组成原理的重要补充和延伸 掌握提高计算机系统的整体运算性能的基本思路和方法 为将来的新知识做预备（并行程序、嵌入式） 参考书目 1. 计算机系统结构教程 张晨曦等 清华大学出版社 （2009年5月） 2.计算机系统结构　李学干　西安电子科技大学出版社 3.计算机系统结构　陈智勇　西安电子科技大学出版社 评分标准 期末总成绩=平时成绩×50%+期末考试成绩×50% 第1章 计算机系统结构基本概念 1.1 引言 第一台通用电子计算机诞生于1946年 计算机技术的飞速发展得益于两个方面： 计算机制造技术的发展 计算机系统结构的创新 经历了4个发展过程： 1.1 引言 1.1 引言 1.1 引言 摩尔定律正在走向终结… 单芯片容纳晶体管的增加，对制造工艺提出要求 CPU制造18nm技术，电子泄露问题 CPU主频已达3GHz时代，难以继续提高 散热问题（发热太大，且难以驱散） 功耗太高 1.1 引言 1.1 引言 系统结构的重大转折： 从单纯依靠指令级并行转向开发线程级并行和数据级并行。 1.1 引言 近期的发展（进程级并行技术）： 超线程（Hyper-Threading）技术： 利用特殊的硬件指令，把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，让单个处理器都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高的CPU的运行效率。 双核心技术： 将两个物理处理器核心整合入一个内核 ，每个核心都使用自己独立的高速缓存。两颗独立CPU组建的系统在工作原理和性能上基本没有区别。 1.2 计算机系统结构的概念 一. 计算机系统的层次结构 虚拟机：由软件实现的机器 语言实现的两种基本技术： 翻译：先把N+1级程序全部转换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。 解释：每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行。 解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的存储空间较少。 1.2 计算机系统结构的概念 从语言的角度划分层次结构 1.2 计算机系统结构的概念 二. 计算机系统结构的定义 1. 经典定义: Amdahl提出: 计算机系统结构就是程序设计者所看到的计算机的基本属性，即概念性结构与功能特性。 按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。 Amdahl提出的系统结构实际上是指传统机器语言级程序员所看到的计算机属性。 1.2 计算机系统结构的概念 对于通用寄存器型机器来说，这些属性主要是指： （1）指令系统 （2）数据表示 （3）寻址规则 （4）寄存器定义 （5）中断系统 （6）机器工作状态的定义和切换 （7）存储系统 （8）信息保护 （9）I/O结构 1.2 计算机系统结构的概念 2. 广义的系统结构定义： 指令集结构、组成、硬件 （计算机设计的三个方面） 3. 计算机系统结构概念的实质： 确定计算机系统中软、硬件的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。 1.2 计算机系统结构的概念 三. 计算机组成和计算机实现 1. 计算机组成： 计算机系统结构的逻辑实现。即根据计算机系统结构所制订的功能，从逻辑上完成计算机的设计。这里包括各部件的逻辑实现，部件之间的互相连接以及物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。 2. 计算机实现： 计算机组成的物理实现。包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。 1.2 计算机系统结构的概念 3.系统结构、组成与实现之间的关系 同一种系统结构可以用不同组成来实现。 如:系统结构一样的计算机可以有不同的CACHE：无CACHE,有处理机片内CACHE,有片内和片外CACHE. 一种组成可以有多种物理实现。 4. 系列机 由同一厂家生产的具有相同