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计算机系统结构导论优秀课件

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计算机系统结构课件：第一章 计算机系统结构的基本概念

计算机系统结构课件：第一章 计算机系统结构的基本概念

第一章 计算机系统结构的基本概念
Amdahl定律可表示为：
Sp = Te / T0
T0= Te(1 – fe + fe /re)
例1：运行60s的程序中， 有20s的运算可加速，则： fe=20/60=33.3%
例2：系统改进后执行程序， 可改进部分花费时间为2s， 改进前改进部分花费时间为 5s,则：re=5/2=2.5
(三) Wolfgan Handler(汉德勒)法 （1977年德国）
➢从硬件设备结构的并行级和流水线的程度分类。
•程序控制部件的个数 。
•算术逻辑运算部件或处理部件的个数 。
•基本逻辑线路的套数。
t(Cray-1)=(1，12×8，64) t(ILLIAC-Ⅳ)=(1，64，64)
计算机系统结构
如RISC机、向量 机
MM
DS
计算机系统结构
Computer Architecture
第一章 计算机系统结构的基本概念
多指令流、多数据流( MIMD )结构
CU1 CS1 PU1 DS1
IS1
CS2
DS2
CU2
PU2
MM IS2
CSn
DSn
ISn
CUn
PUn
IBM 3081/3084、Univac 1100/80，Cray-2等均属这一类型
计算机系统结构
Computer Architecture
第一章 计算机系统结构的基本概念
单指令流、单数据流( SISD )结构
单指令流、单数据流( SISD-Single Instruction stream Single Data stream ) 结构
指令流
IS
控制流

计算机系统结构(第2讲)主讲人郑纬民教授清华大学计算机系精品PPT课件

计算机系统结构(第2讲)主讲人郑纬民教授清华大学计算机系精品PPT课件
种赋值语句，各种数据类型和数据区，各 种控制语句，过程调用和参数传送，整数 运算和逻辑操作。
VAX-11/780的测试结果为每秒1757个
Dhrystones，即：1VAX MIPS＝1757 Dhrystones/Second
浮点测试程序：Linpack 用FORTRAN语言编写，主要是浮点加法
在计算机发展的早期，用加法指令的运算速度来衡量 计算机的速度。通常：加、减法50％，乘法15％， 除法5％，程序控制15％，其他15％
例2： 我国最早研制的小型计算机DJS-130，定点
16位，加法每秒50万次，但没有硬件乘 法和除法指令,用软件实现乘法和除法， 速度低100倍左右。求等效速度。
解： 定点等效速度为：
设： 硬件设计费为Dh软件设计费为Ds 硬件拷贝费为Ch软件拷贝费为Cs R为软件重复出现次数（占用内存、占
用介质） 当台数为V时，每台的硬件费用和软件费用 之比为：
（ Dh Ch ）：（ Ds R Cs ）
V
V
学习总结
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
等效指令速度 MIPS 1/ （ 0.80 0.20 ） 0.02 MIPS 0.5 0.5 / 100
即每秒2万次，由于乘法和除法用软件实现， 等效速度降低了25倍。
例3：
假设在程序中浮点开平方操作FPSQR的 比例为2％，它的CPI为100；其他浮点 操作FP的比例为23％，它的CPI＝ 4.0； 其余75％指令的CPI＝1.33，计算该处理 机的等效CPI。如果FPSQR操作的CPI也 为4.0，重新计算等效CPI。

计算机体系结构完整讲义ppt课件

计算机体系结构完整讲义ppt课件

• 计算机的更新换代
– 第一代：电子管计算机 – 第二代：晶体管计算机
硬件设计公理： 越小越快
– 第三代：中小规模集成电路
– 第四代：大或超大规模集成电路
– 第五代：VLSI(甚大规模集成电路)
计算机性能的大幅度提高和更新换代，一方面依靠 器件的不断更新，同时也依赖系统结构的不断改进。
30
二 按计算机系统成本分类
• 是对计算机系统中各机器级之间界面的划 分和定义，以及对各级界面上、下的功能 进行分配
– 1964年，IBM/360系列机的总设计工程师G.M. Amdahl、G.A. Blauw、F.P. Brooks等人提出。 也称体系结构。
– 是从程序员的角度所看到的系统的属性，是 概念上的结构和功能上的行为
• 1.2.2 计算机系统的设计方法
• ---软硬件舍取的基本原则 • ---计算机系统设计者的主要任务 • ---计算机系统设计的基本方法 （三种）
• 计算机语言：是用以描述控制流程的、 有一定规则的字符集合
– 语言不是专属软件范畴，可以介属于计算机 系统的各个层次，具有不同作用
4
1.1.1计算机系统的多级层次结构
从使用语言的角度上，将计算机系统 看成按功能划分的多级层次结构
机器、汇编、高级、应用语言
低级
高级
后者比前者功能更强、使用更方便；
而前者是后者发展的基础，在单条指令的 执行速度相比较，前者更快。
•第1章 •第2章 •第3章 •第4章 •第5章 •第6章
计算机系统设计基础 数据表示与指令系统性能分析 流水技术和向量处理 阵列计算机 多处理机系统 数据流计算机
1
第1章 计算机系统设计基础
• 1.1 计算机系统的基本概念 • 1.2 计算机系统的设计技术 • 1.3 计算机系统的性能评价 • 1.4 计算机系统结构的发展

《计算机体系结构》课件

《计算机体系结构》课件

ABCD
理解指令集体系结构、处 理器设计、存储系统、输 入输出系统的基本原理和 设计方法。
培养学生对计算机体系结 构领域的兴趣和热情，为 未来的学习和工作打下坚 实的基础。
CHAPTER
02
计算机体系结构概述
计算机体系结构定义
计算机体系结构是指计算机系统的整 体设计和组织结构，包括其硬件和软 件的交互方式。
CHAPTER
06
并行处理与多核处理器
并行处理概述
并行处理
指在同一时刻或同一时间间隔内 完成两个或两个以上工作的能力
。
并行处理的分类
时间并行、空间并行、数据并行和 流水并行。
并行处理的优势
提高计算速度、增强计算能力、提 高资源利用率。
多核处理器
1 2
多核处理器
指在一个处理器上集成多个核心，每个核心可以 独立执行一条指令。
间接寻址
间接寻址是指操作数的有效地址通过寄存器间接给出，计算机先取出 寄存器中的地址，再通过该地址取出操作数进行操作。
CHAPTER
04
存储系统
存储系统概述
存储系统是计算机体系结构中 的重要组成部分，负责存储和 检索数据和指令。
存储系统通常由多个层次的存 储器组成，包括主存储器、外 存储器和高速缓存等。
《计算机体系结构》ppt 课件
CONTENTS
目录
• 引言 • 计算机体系结构概述 • 指令系统 • 存储系统 • 输入输出系统 • 并行处理与多核处理器 • 流水线技术 • 计算机体系结构优化技术
CHAPTER
01
引言
课程简介
计算机体系结构是计算机科学的一门核心课程，主要研究计算机系统的基本组成、组织结构、工作原 理及其设计方法。

计算机系统结构课件

计算机系统结构课件
浮点数据就是高级语言课程中所说的“实型数”。
2.1.1.1 浮点数的组成 浮点数的组成与人们通常所说的“科学记数法”非常相似，唯一不同的是各部分 均为有限位数，如下所示
它的主要参数有8个：
m ── 尾数，一般为纯小数，符合规格化原则（即最高位的绝对值不为0）， 用原码或补码表示；
e ── 阶码，整数，常用移码表示（见下文解释）；
= 1.25×80%×ICA×1.1×CYCLEA = 1.1×ICA×CYCLEA < Te_A 这时B机器快一些。
Sn
• 题12 （P33）
20
Amdahl定律公式，代入已知量
Se=20变成一元函数
10.5
Sn=20/(20-19Fe)
用三点作图法作出关系曲线。
1.8
1
0
0.5
2001.9.1
计算机系统结构
•
= 1.25×80%×ICA×1.25×CYCLEA
•
= 1.25×ICA×CYCLEA > Te_A
• 显然A机器快一些。
2001.9.1
计算机系统结构
17
例题选讲（5）
• 例1.5（P12） Te公式，改动上题中CYCLEB =1.1 ×CYCLEA，则最后
Te_B = 1.25×ICB ×CYCLEB
汇编语言机器
汇编语言程序员 （使用汇编语言）
（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）
操作系统语言机器 操作系统用户 （使用操作系统原语）
（经原语解释子程序翻译成机器语言）
传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言）
（由微程序解释成微指令序列）
微指令语言机器 微指令程序员 （使用微指令语言）

《计算机系统结构课件》

《计算机系统结构课件》

P ip elin e
通过管道技术提高处理器性能，分析其原理和实现。
3
多核处理器
探索多核处理器的设计和并行计算的优化策略。
存储器层次结构
Cache
深入了解高速缓存的工 作原理和优化技术，以 提高数据访问速度。
内存
介绍内存的组织方式和 管理机制，包括虚拟内 存和页式存储。
硬盘与固态硬盘
比较传统硬盘和固态硬 盘的性能特点和应用场 景。
《计算机系统结构课件》
探索计算机系统结构的精髓，从基础概念到最新趋势，为您提供系统化的知 识体系。
计算机系统结构概述
深入理解计算机系统结构的基本原理和设计原则，包括硬件和软件之间的交互关系。
处理器架构与指令集
1
RISC & CISC
研究不同处理器架构的特点和优劣，并了解不同指令集的功能和应用。
2
总线与输入输出系统
总线架构
了解计算机总线的作用和不 同类型的总线架构。
输入输出设备
接口标准
介绍常见的输入输出设备以 及与计算机系统的连接方式。
讨论不同接口标准的特点、 优劣和应用场景。
中断与异常处理
1
中断处理机制
2
探讨中断处理程序的执行过程和
与操作系统的交互。
3
中断分类
详细解释硬件和软件中断的类型 和应用，包括外设中断和异步事 件。
异常处理
了解异常的原因、处理机制和异 常处理程序的设计。
操作系统对计算机系统结构的影响
1 内存管理
分析操作系统如何管理和优化内存使 用，包括分页和分段。
2 调度算法
研究操作系统的进程调度和线程调度 算法，提高系统的并发性。
3 文件系统Leabharlann 讨论文件系统的设计和组织结构，包括文件分配和安全性管理。

第2章计算机系统结构PPT课件


（2）I/O中断
中央处理器按程序规定的顺序执行指令，当中央处理器执 行到一条“启动外设（启动I/O）”指令时，就按指令中给定的 参数启动指定的设备，并把设备的控制权交给输入输出控制系 统。由输入/输出控制系统控制外围设备与主存储器之间的信息 传送，外围设备独立工作，不再需要中央处理器的干预，于是 中央处理器可以继续执行其他程序。（中央处理器和外设便可 以并行工作）
2.2.1 计算机系统的硬件环境之并行工作
1、CPU与外设并行工作的I/O中断（P17） 在现代通用计算机系统中，输入/输出控制系统负责完成外围设备与
主存储器之间的信息传送。 （1）CPU与外设并行工作
各种外设连接到相应的设备控制器上，通过通道把设备控制器连接 到公共的系统总线上，这种结构允许CPU与外设并行工作。
这些寄存器都是处理器的工作寄存器，当处理器执行程序时， 每次从主存储器中读出一条指令，并把它存入“指令寄存器”中， 然后分析指令，根据指令中指定的地址，从主存储器读出操作数， 存入“通用寄存器”，根据指令中的操作码，对操作数进行运算， 并将所得的结果或暂存在通用寄存器中或存储到主存储器中，利用 控制寄存器来保证各程序交替占用处理器时能正确执行，保证系统 安全。
但由于外围设备是由中央处理器根据程序的要求而启动的， 故当外围设备工作结束后，应反馈该设备的工作情况，形成一 个“输入/输出操作结束的事件”，由中断完成，硬件识别该事 件后就急触发一个I/O中断，并暂停当前占用中央处理器的程序 的执行，让操作系统的处理程序来处理这个“输入/输出操作结 束”事件，操作系统进行分析后就可以知道该外围设备的工作 情况，从而确定启动该外围设备的程序的工作状态。
▪ 如果没有找到，就从主存中读取，同时把这个数据复制到高速 缓存中

计算机系统结构课件详解演示文稿

第26页，共138页。
设操作数的有效地址
( X d ) (B2 ) (B2 0000) d2
由分析器内的地址加法器形成。由于通常情况下，“分析” 周期等于主存周期，所以，从时间关系上要求在“分析”周 期的前半段，就能由通用寄存器输出总线取得(B2)，送入地址 加法器。由于运算结果是在“执行”周期的末尾才送入通用 寄存器组的，它当然不能立即出现在通用寄存器输出总线上。
第11页，共138页。
图 5.4 当第k条指令是条件转移时
第12页，共138页。
• 例一、数据相关。
• 第K+1条指令的源操作数正好是第K条指令结果地址，顺 序解释没问题，而重叠解释时，在“执行K”和“分析 K+1”重叠时就出现问题
• 相关：因程序相邻指令之间出现了关联，为防止出错他们不能同时 解释。这种现象称发生了”相关“，有数据相关和指令相关。
也就是说，在“执行k”得到的、送入通用寄存器的运算结果 来不及作为“分析k+2”的基址值用，更不用说作为“分析 k+1”的基址值用。因此，虽然是一次重叠，但基址值相关(B
相关)就不止会出现一次相关，还会出现二次相关。即当出现
B(k+1)=L3(k) 时 ， 称 为 发 生 了 B 一 次 相 关 ； 而 当 出 现 B(k+2)=L3(k)时，称为发生了B二次相关，如图5.10所示。
计算机系统结构课件详解演示 文稿
第1页，共138页。
优选计算机系统结构课件
第2页，共138页。
5.1 重叠解释方式
5.1.1 基本思想和一次重叠
取指令
分析
执行 t
图 5.1 对一条机器指令的解释
第3页，共138页。
取指令:按指令计数器的内容访问主存,取出该指令送指令

最新计算机导论第三章课件

二进制编码,使用7位分别表示0～9、a～z、A～Z 以及标点符号,用8位表示特殊字符。主要用于微 型计算机
❖ EBCDIC码：用一个字节表示数字和字母等。主要
用于大型机系统
❖ Unicode码：它是一种16位的编码，用于支持像
中文、日文等国际语言
微处理器
❖控制单元 ❖寄存器 ❖算术/逻辑单元（ALU）
辑部件在计算过程中临时存放数据用的。一个数据寄存
器能够存放的二进制数据位数一般与 CPU 的字长是相
等的。通用数据寄存器个数对于CPU 的性能有很大影
响。目前的 CPU 一般设置十几个到几十个数据寄存器，
有些CPU，如采用 RISC 技术制造的CPU，设置了包
含更多寄存器的寄存器组。
通用寄存器
寄存器的硬件组成相似于内存的单元，其速度更快以及 使用方式不同。
数据总线
用于在各部件之间传递数据（包括指令、数据等）。
数据的传送是双向的，因而数据总线为双向总线。
•决定CPU速度的第一个要素是数据总线的宽度。
•数据总线的宽度用位（8，16，32，64）来衡量。
•数据总线的位数决定了计算机可同时处理的数据的 位数，这一数目也是计算机中“字”的长度。
•如：32位计算机即该计算机的数据总线是32位。 该计算机的“字”长为32位（ 4 byte ）.
同时，控制单元对计算机系统的其他各个部分进行协 调与控制，并对输入、输出设备的运行进行监控。
寄存器
CPU另一个重要部分是一组寄存器，其中包括：
•一个指令寄存器
用于存放从内存中取出、当前执行的指令专；用寄存器 •若干个控制寄存器
是CPU在工作过程中要用到的；
•若干个数据寄存器，是提供给程序控制单元和算术逻

《计算机体系结构(第2版)》教学课件—01计算机系统结构导论

一台计算机体系结构的等级将随时间而下移。各型机器的性 能、价格随时间变化的趋势大致可以用图说明。由图可见， 各型机器所具备的性能随时间是在动态地下移的，但价格却 在相当长一段时间内基本不变。
价格
虚线为等性能线
巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机
t-3
t-2
t-1
t
t+1
年代
图1.3 计算机体系结构等级与性能、价格的关系
第一节 计算机体系结构的基本概念
3.计算机体系结构的系列性
系列机是指由同一个厂家生产的体系结构相同、组成和实现 不同的一系列不同型号的机器。简言之，体系结构相同的机器即 为系列机。而把不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机 称为兼容机。
系列机软件兼容是指同一个软件(目标程序)可以不加修改地 运行于系统结构相同的各档次的机器，而且所得结果一致。软件 兼容有向上兼容与向下兼容和向前兼容与向后兼容两种类型。
运行程序 M2机器语言机器
低级语言程序员 操作员
虚拟机
CPU 机器指令时序
机器语言程序 M1微程序控制
机器语言程序员
微程序控制 硬操作时序
硬联逻辑
寄存器传送门 逻辑设计员
M0硬联逻辑
逻辑线路内核
硬件设计员
物理机
第一节 计算机体系结构的基本概念
2. 计算机体系结构的等级性 计算机系统分为巨型、中型、小型、微型等若干等级。
第一节 计算机体系结构的基本概念
2. 计算机体系结构范畴
计算机体系结构作为一门学科，主要是研究软件与硬件功能分 配和对软件、硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成，哪些功 能由硬件完成，以及如何最佳最合理地实现分配给硬件的功能。 它所包括的内容一般有：
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推动计算机系统结构发展的关键是提高计 算机系统的并行性
1.1.1 计算机系统的层次结构
从计算机语言的角度，可将通用计算机系 统划分成多级层次结构，每一层以一种不同的 语言为特征。
按由低层到高层的顺序，各层分别是：
微程序机器级 传统机器语言机器级 操作系统机器级 汇编语言机器级 高级语言机器级 应用语言机器级
计算机系统结构导论
目录
第1章 计算机系统结构导论
1.1 计算机系统结构的基本概念 1.2 计算机性能评测基础 1.3 并行计算机的发展
第1章 计算机系统结构导论
1.1 计算机系统结构的基本概念
计算机系统性能的不断提高主要靠器件的 变革和计算机系统结构的改进。
计算机换代的标志：
计算机的器件 计算机系统的结构
阶段的指令或数据的最大可能个数。 Flynn按指令流和数据流的多倍性对计算机系统结构进行分类:
单指令流单数据流（SISD）体系结构 单指令流多数据流（SIMD）体系结构 多指令流单数据流（MISD）体系结构 多指令流多数据流（MIMD）体系结构
CU：控制部件 PU：处理部件 MM：存储器模块 IS：指令流 DS：数据流 图1.4 Flynn分类法各类机器结构
并发性 ：
是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
1. 发展计算机系统并行性的技术途径
可以通过3类技术途径来提高计算机系统的并行 性，这就是时间重叠、资源重复和资源共享。
时间重叠是在并行性概念中引入时间因素，让多个处 理过程在处理时间上错开，轮流重叠地使用同一套硬件设 备的各个部件，提高多个处理过程的并发性。
1.1.1 计算机系统的层次结构
从计算机语言的角度，可将通用计算机系 统划分成多级层次结构，每一层以一种不同的 语言为特征。
按由低层到高层的顺序，各层分别是：
微程序机器级 传统机器语言机器级 操作系统机器级 汇编语言机器级 高级语言机器级 应用语言机器级
机器指令 系统
中央 处理机 机器指令 时序
计算机组成 ：
（Computer Organization）是计算机系统结构的逻辑实 现，它主要研究硬件系统在逻辑上是如何组织的，机器级内部数 据流和控制流的组成与逻辑设计。计算机实现（Computer Implementation）是指计算机组成的物理实现，主要着眼于器件 技术和微组装技术。
3. 软件可移植性
资源重复是在并行性概念中引入空间因素，通过重复 设置硬件资源分别同时用于多个处理过程，实现多个处理 过程的同时性。
资源共享是利用软件方法让多个任务按一定顺序轮流 使用一套资源，通过提高系统资源利用率来提高系统的性 能和效率。
2. 并行性等级 (分以下两种情况,每种情况四级)
（1）按计算机系统中执行程序的并行性划分 ① 指令内部并行 ② 指令之间并行 ③ 任务或进程之间并行 ④ 作业或程序之间并行
的一系列不同型号的机器。
系列机技术既可以使同一系列的机器在汇编语言上实现统一， 又能在同一系列内开发出性能价格比更高的新机器。因此，在结构相同 或相近的机器之间能实现汇编语言应用软件和部分系统软件的移植。
软件兼容 ：是指同一个软件可以不加修改地运行于结构
相同的各档机器上，而且运行结果一致。
向上（下）兼容是指在某档机器上编制的程序可不加修改 地运行于比它高（低）档的机器上；
软件可移植性 ：
（Software Portability）是指在一台机器上编制的软件不用修 改或只经少量修改就可在另一台机器上运行，使得同一个软件可以 应用于不同的硬件环境中。
在计算机系统结构的范畴内，实现软件可移植 性的基本途径有：
统一高级语言 采用系列机 拟和仿真等。
系列机：具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现技术
透明性：从计算机系统的某一层的使用者角度看，只 需通过该层的语言就可以使用机器，而不必关心 其下层的机器级是如何工作和如何实现对上层的 支持的。
计算机系统的“透明”是看不到的意思，即对 某一层的使用者来说，他看不到该层以下各层的 机器属性。
2. 计算机系统结构、计算机组成与实现
计算机系统结构：
（Computer Architecture）也称为计算机体系结构，经典 的计算机系统结构的定义是指计算机系统多级层次结构中机器语 言机器级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面，是由机器 语言程序、汇编语言源程序和高级语言源程序翻译生成的机器语 言目标程序能在机器上正确运行所应具有的界面结构和功能。
1.2 计算机性能评测基础
计算机性能 ：
通常是指计算机的工作速度，它是程序 执行时间的倒数。
计算机的性能不仅与计算机的系统结构有关， 而且与程序和算法有关。
向前（后）兼容是指在某型号机器上编制的程序可不加修 改地运行于在它之前（后）投入市场的机器上。
对于系列机必须保证做到向后兼容，力争做到向上兼容。
1.1.2 计算机系统并行性的基本概念
并行性 ：
是指同一时刻或同一时间间隔内发生两种或 两种以上性质相同或不相同的事件。
同时性 ：
是指两个或多个事件在同一时刻发生。
微程序控制
第2级
机器语言
计算机
机器程序
机器语言 程序员
第1级 微程序控制
寄存器 传送门
逻辑设计员
硬操作时序 硬联逻辑
第0级 硬联逻辑
逻辑线路 内核
硬件维护员 设计员
传统机器语言 机器级
实现机器指 定功能的中 央控制部分
应用语言
应用程序 高级语言
解释程序 编译程序
第6级 应用程序
信息处理 系统
第5级 高级语言 计算机
运行程序
用户
高级语言 程序员
汇编语言
汇编程序 键盘命令 系统原语
操作系统
第4级
汇编语言
计算机
运行程序
汇编语言 程序员
第3级 操作系统
系统资源
操作员
应用语言机器级 高级语言机器级 汇编语言机器级 操作系统机器级
1. 低层机器级对高层机器级的支持
各层机器级语言的功能是依靠下一层机器级的支 持才能实现的，而且，这种支持要满足透明性要求。
（2）按计算机信息加工的并行性划分 ① 存储器操作并行 ② 处理器操作步骤并行 ③ 处理器操作并行 ④ 指令、任务、作业并行
3. 计算机系统结构的分类
指令流 ：是指机器执行的指令序列。
数据流 ：是指由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中
间结果。
多倍性 :是指在系统最受限制的部件上，同时处于同一执行