计算机组成体系结构.pptVIP

计算机组成与体系结构 从性能角度出发认识计算机 COMPUTER 前言 QIAN YAN 经典计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。　 广义（现代）的计算机体系结的构概念，它除了包括经典的计算机体系结构的概念范畴（指令集结构），还包括计算机组成和计算机实现的内容 计算机的演变和性能 01 计算机的发展历史主要由提高处理器速度、减小部件尺寸、增大存储容量、加快 I/O 能力和速度来表征 计算机的演变和性能 计算机系统设计的一个关键问题是在各元器件之间的性能平衡，以便在一个领域内所获得的性能增益不被另一领域的滞后所妨碍。特别是，处理器速度的提高远超出存储器存储速度的提高，因此，包括高速缓存技术，从存储器到处理器的更宽的数据路径和更智能的存储芯片等多种技术，用来补偿这种平衡的失调。。 计算机功能和互连的顶层视图 02 计算机功能和互连的顶层视图 指令周期的组成如下 概述 首先取指令，随后取零个或多个操作数，再后存零个或多个操作数，最后是中断检查（若中断允许）。 计算机系统的主要部件 （处理器、主存、I/O 模块）为了交换数据和控制信号，需要进行互连。最流行的互连方式是使用多条线组成的共享系统总线。在当今系统中，通常采用层次式总线来改善性能 总线的设计要素包括 仲裁（以集中式或分布式控制来裁决是否允许把型号发送到总线上）、时序（总线上的信号是与中央时钟同步，还是基于最近传送事件的异步传送）和宽度（地址线条数和数据线条数） 03 Cache存储器 计算机的存储器被组织成层次结构 Cache存储器 最顶层（最靠近处理器的一层）是处理器内的寄存器。接下来是一级或多级的高速缓存，当使用多级 cache 时，它们分别标记为 L1, L2 等。再往下的是主存，它通常由动态随机存储器 DRAM 构成，所有这些都被认为是系统内部的存储器。存储层次继续划分外部存储器，下一层通常是固定硬盘，再往下的是可装卸的存储设备，如光盘、磁带机等。 Cache存储器 沿着存储器层次结构自顶向下，存储器成本也逐层下降，其容量在变大，而存取时间在边长。只使用最快的存储器当然好，但是它也是最昂贵的，因此我们通过使用更多较慢的存储器，以便达到存取时间与成本之间的均衡。其中的技巧是，在存储器中恰当地组织程序和数据，使需要存取的数据通常在较快的存储器中。 通常，处理器将要访问的主存位置极有可能是刚被访问过的或其临近的位置，所以 cache 会自动保存一些来自近期被使用过的 DRAM 字的副本（地址本身，或地址的一部分就是索引，索引的思维）。如果 cache 设计得合理，那么大多数时候处理器所需要的存储器数据便已经在 cache 中。 04 内部存储器 动态 RAM（DRAM） 静态 RAM（SRAM） 内部存储器 半导体随机存取存储器 静态 RAM（SRAM）：存取速度快、价格更昂贵，并且集成度较低，一般用于 cache 存储器。 动态 RAM（DRAM）：存取速度慢、价格更低廉，并且集成度较高，一般用于主存储器。 两种基本形式 为了补偿 DRAM 相对较低的速度，现已推出几种先进的 DRAM 组织。使用最普遍的两种是同步 DRAM 和总线式 DRAM(Rambus DRAM)。两者都使用系统时钟以支持数据块传送。 存储器系统中通常都使用纠错技术，这包括添加一些与原数据位成函数关系的冗余位来构成纠错码。如果出现错误位，纠错码会检测并通常能纠正该错误位。 05 外部存储器 磁盘至今仍然是最重要的外部存储器 外部存储器 从个人计算机到大型机，乃至超级计算机，都广泛使用活动式磁盘和固定式磁盘（硬盘）。 磁盘至今仍然是最重要的外部存储器。 为了实现更高的性能和更好的可用性，服务器以及更大的系统使用 RAID 磁盘技术。 RAID 使用了多个磁盘座位数据存储设备的并行阵列的一系列技术，并具有内在冗余性来弥补磁盘故障。 06 输入/输出 计算机系统的 I/O 体系结构是系统与外部世界的接口 输入/输出 I/O 体系结构 这种体系结构提供了一种控制计算机与外部世界交互的系统化方式，并向操作系统提供有效地管理 I/O 行为的必要信息。 输入/输出 编程式 I/O (Programmed I/O) 技术，即在请求 I/O 操作的程序的直接和连续的控制下所发生的 I/O 操作 3 种基本的 I/O 技术 中断驱动式 I/O (Interrupt-driver I/O) 技术，即程序发出 I/O 命令后继续执行，直到被 I/O 硬件中断，通知它 I/O 操作完成 直接存储器存取(DMA) 技术，即一个专门的 I/O 处理器接管 I/O 操作的控制，在 I/O 设备与存储器之间直接传送大量数据 除了处理器和一组存储器模块外，计算