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计算机系统已经经历了四个不同的发展阶段。
第一阶段
➢ 60年代中期以前，是计算机系统发展的早期时 代。在这个时期通用硬件已经相当普遍，软件却是 为每个具体应用而专门编写的，大多数人认为软件 开发是无需预先计划的事情。这时的软件实际上就 是规模较小的程序，程序的编写者和使用者往往是 同一个(或同一组)人。由于规模小，程序编写起来相 当容易，也没有什么系统化的方法，对软件开发工 作更没有进行任何管理。这种个体化的软件环境， 使得软件设计往往只是在人们头脑中隐含进行的一 个模糊过程，除了程序清单之外，根本没有其他文 档资料保存下来。
以常见的冯·诺伊曼计算机的设计为例，体系结构设计包括了： 指令集架构(Instruction set architecture；简称 ISA)：被视为
一种机器语言，包含了许多相关的指令集(内存寻址、处理器 控制，暂存器控制等等...)。 微体系结构/微架构(Microarchitecture)或称计算机组织 (Computer organization)：是更详细的叙述系统内部各元素 如何进行合作与沟通。 数据表示，即硬件能直接识别和处理的数据类型和数据格式； 寻址方式，包括最小寻址单位和地址运算等；
第四阶段
在计算机系统发展的第四代已经不再看重单
台计算机和程序，人们感受到的是硬件和软件的
综合效果。由复杂操作系统控制的强大的桌面机
及局域网和广域网，与先进的应用软件相配合，
已经成为当前的主流。计算机体系结构已迅速地
从集中的主机环境转变成分布的客户机／服务器
(或浏览器／服务器)环境。世界范围的信息网为
人们进行广泛交流和资源的充分共享提供了条件。
软件产业在世界经济中已经占有举足轻重的地位。
随着时代的前进，新的技术也不断地涌现出来。

《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。

计算机体系结构学科发展简介

计算机体系结构学科发展简介

Fig1。4， p10
计算机设计技术人员的任务
明确具体的功能要求，因为来自市场的功 能要求往往是不明确的
明确最主要的任务是什么，最主要的功能 往往是使用最频繁的部件，做好了最主要 部件的设计对提高性能影响最大。
优化设计——根据不同准则来选择最优的 设计方案，例如前面介绍过对于个人机、 服务器和嵌入式计算机的不同优化目标
2．流水线技术
简介：流水线是一种多条指令重叠执行的实现 技术
这是理想流水线的性能：达到每一个时钟周期 可以完成一条指令
与指令串行执行相比较，速度提高5倍
流水线的竞争
实际流水线不可能像上述理想流水线那 样完美
存在三种流水线竞争
结构竞争：由硬件资源不足造成流水线停顿 数据竞争：由前后指令之间存在数据相关性
1980年代产生了新的机型：
个人（PC）机、工作站、服务器
主要按用途来分类
1990年代产生了嵌入式系统：
高性能家电、机顶盒、电子游戏机、手机、网络路 由器、交换机等
这里微处理器成为设备的一个组件，如马达所起的 作用，主要不是作计算用
计算机的新分类
台式机 服务器 嵌入式计算机
（CPU）时间 IC——代码的指令条数（Instruction Comt），
与指令集设计编译器的优化有关 CPI——平均执行每条指令的时钟周期数，与
指令集设计、体系结构等技术有关 CC——时钟周期（Clock Cyde）与计算机组成，
IC工艺等技术有关
缩短CPI成为缩短CPUtime 的主要技术途径
指令多发射处理器有两类：
超标量处理器（Superscalar precessors） 超长指令字处理器（VLIW-very

计算机体系结构课件

计算机体系结构课件
向量处理器广泛应用于高性能计算、科学计算、图像处理等领域，是计算机体系结构优化的重要方向之 一。
05
计算机体系结构的发展趋势
多核处理器
总结词
多核处理器技术是计算机体系结构的重要发 展趋势之一，它通过将多个处理器核心集成 到一个芯片上，提高了计算机的处理能力和 能效。
详细描述
随着集成电路技术的发展，多核处理器已成 为现实，并广泛应用于各类计算机系统中。 多核处理器可以同时执行多个线程，提高了 并行处理能力，使得计算机在处理复杂任务 时更加高效。
存储器是计算机中用于存储数据和指令的部件。
详细描述
存储器分为不同的类型，如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和高速缓存等。它们以二进制的形 式存储数据和指令，并允许对存储的数据进行读取、写入和修改等操作。
控制器
总结词
控制器是计算机中协调各部件工作的部件。
详细描述
控制器负责控制计算机中各个部件的工作流程，确保它们按照正确的顺序和时间进行操作。它通常由 指令计数器、指令寄存器和控制逻辑等组成，能够解析指令并协调各部件的工作。
硬件虚拟化技术
总结词
硬件虚拟化技术是计算机体系结构的另一重要发展趋势，它通过虚拟化技术将物理硬件 资源抽象成虚拟资源，实现了资源的共享和灵活配置。
详细描述
硬件虚拟化技术可以使得多个操作系统在同一物理硬件上运行，并且每个操作系统都认 为自己拥有完整的硬件资源。这不仅提高了硬件资源的利用率，还增强了系统的可靠性
03
计算机体系结构决定了计算机 的能耗和成本，对于现代计算 机系统来说，能耗和成本是非 常重要的考虑因素。
计算机体系结构的分类
1 2
根据指令集体系结构的分类
可以分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令 集计算机（RISC）。

最新计算机体系结构浙江课件PPT

最新计算机体系结构浙江课件PPT

年代
性能的年 提高率
1970年代初 25%-30%
原因
1970年代末 35% 1980年代末 58%
微处理器芯片广泛应 用
RISC体系结构、Cache 等创新设计技术
截止2001年微处理器性能增长率
RISC、Cache技术发展阶段
RISC体系结构发展又可分为两个阶段
➢ 早期集中发展指令级并行技术 ➢ 后期集中发展多指令发射技术
近年来带宽提高速度较快
➢ 如以太网从10Mbps提高到100Mbps花了10年 时间，而从100Mbps提高到1Gbps只用了5年
二、指令级并行性技术
（Instruction Level Parallelism-ILP）
指令级并行性技术是RISC（精减指令集 计算机）（——Reduceபைடு நூலகம் Instruction set Computer）的主要贡献
四、Cache技术
1．为什么要引入Cache 2．为什么引入Cache能提高计算机性能？ 3．Cache技术的发展
五、多处理器技术
1． 并行计算机体系结构分类 2． 集中共享存储器型多处理计算机 3． 分布式存储器型多处理器计算机 4． 并行处理的难点
六、我国计算机体系结构研究进展
各年代的性能提高速率
用定量方法进行计算机设计 用定量方法作为工具分析程序实际运行
结果、各类实验和仿真 用定量方法寻找计算机体系结构的新思
路、新技术，保证计算机性能继续按现 在速率提高
2、计算机的分类
传统的计算机分类：
➢ 大型机、小型机、巨型机（或称超级计算机）
➢ 按机器规模指令（字长，内外存储器容量，速度等指标），价格等 指标进行分类（PC）机、工作站，服务器

计算机体系结构课件

计算机体系结构课件
详细描述
输入输出系统是计算机中用于接收外部输入（如键盘、鼠标、传感器等）和输 出数据（如显示器、打印机、音响等）的硬件设备。输入输出系统的性能和可 靠性对计算机的整体性能和使用体验至关重要。
总线与接口
总结词
总线与接口是计算机中用于连接各个部件并进行通信的通道。
详细描述
总线与接口是计算机中各个部件之间进行通信的通道。总线是连接各个部件的公共通道，而接口则是 连接外部设备和计算机的通道。通过总线与接口，各个部件之间可以相互通信并协同工作，实现计算 机的整体功能。总线与接口的性能和稳定性对计算机的整体性能和使用体验至关重要。
长电池寿命。
扩展功能
03
通过增加输入输出接口、支持多种数据类型等，可以扩展计算
机的功能和应用范围。
计算机体系结构的分类
1 2
按指令集分类
可以分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令 集计算机（RISC）。
按数据类型分类
可以分为固定长度数据和可变长度数据。
3
按寻址方式分类
可以分为直接寻址、间接寻址和基址加变址寻址 等。
03
计算机指令系统
指令集架构
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
复杂指令集架构 (CISC)
提供了许多复杂的指令，能够执行各种高级操作。
精简指令集架构 (RISC)
只包含简单的、基本的指令，强调通过并行处理加快执行速度。
超长指令集架构 (VLIW)
通过将多个操作数和操作码放入一个指令，实现并行处理。
指令格式与寻址方式
固定长度的指令格式
可重构计算面临着能效、可扩展性、编程模型等方面的挑 战，如何设计更高效的
THANKS
感谢观看
详细描述
存储器是计算机中用于存储数据和程序的硬件设备。根据存储速度、容量和价格的不同，计算机中存在多种类型 的存储器，如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、高速缓存（Cache）等。存储器的容量和速度 对计算机的性能有很大的影响。

计算机系统结构现状与发展PPT

计算机系统结构现状与发展PPT

科学层次
计算科学的开山之作：图灵机模型
图灵理论
希尔伯特问：存不存在一个解决所有数 学问题的一般算法？
图灵答道：有！
图灵理论的俗解：
如果不考虑时间，只要对bit进行处理、 移动、存储操作，就能解决任何数学计 算问题！
这个理论指明了bit的强大功能，也包含 了计算机的设计思想
后图灵理论
储系统（RAID，NAS，SAN）
软件新定义
（可运行的）思想和内容的数字化 思想：算法、规律、办法（由程序承担） 内容：图形、图像、数据、声音、文字
等
所有的硬件都是相似的， 软件则各有各的不同
各种硬件在数字域都有相同或相似的内 脏
各个领域都有自己的软件，但也有共性 软件（这就是我们从事计算机行业的人 要干的事，系统软件：OS，数据库，普 遍使用的应用软件）
4 x 64 Memory Crossbar Switch
4 x 64
M
MM
MM
MM
M
M
M
M
MM
MM
MM
M… M
M
4…x 64 … 4…x 64 … 4…x 64 … 4…x 64 …
4…x 64 …
M
MM
MM
MM
M
M
M
处理能力的需求无止境
科学计算、商业应用、网络应用对计算 能力的需求是单个处理器所无法满足的
（电统治了能量领域）
终于找到了！
“bit”是人类至今为止找到的最佳信息媒介
（信息统一于数字）
数字的力量the power of data
1.可表达各种信息形式（人能接受的信息：文 字、声音、图形、图像、视频；触觉？嗅觉？ 味觉？ ；机器能接受的信息：电流、电压等）
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集成电路技术 半导体DRAM 磁盘技术 网络技术
集成电路技术
晶体管密度每年增加35%，即每4年增加 4倍
集成电路芯片的尺寸每年提高10%-20%
综合上述两个参数，芯片的晶体管数每 年提高55%
半导体DRAM（动态随机存取存储器）
芯片密度每年递增40%-60%，即每3-4年 增加4倍
用定量方法进行计算机设计 用定量方法作为工具分析程序实际运行
结果、各类实验和仿真 用定量方法寻找计算机体系结构的新思
路、新技术，保证计算机性能继续按现 在速率提高
2、计算机的分类
传统的计算机分类：
➢ 大型机、小型机、巨型机（成熟超级计算机）
➢ 按机器规模指令（字长，内外存储器容量，速度等指标），价格等 指标进行分类（PC）机、工作站，服务器
1、计算机性能高速发展及其原因
1Hale Waihona Puke 46年第一台通用电子计算机ENIAS诞生至今 仅56年——每秒5000次运算加法
计算机技术以惊人速度发展，并将继续高速发 展
1980年百万美元机器的性能比不上今年<1千美 元的机器
今天最高性能的微处理器超过10年前的超级计 算机
➢ 如用于高端网络交换机和最新电子游戏机的微处理 器速度可达每秒10亿次运算
1．指令多发射技术概述 2．超标量处理器 3．超长指令字处理器 4．多发射处理器的技术难点
四、Cache技术
1．为什么要引入Cache 2．为什么引入Cache能提高计算机性能？ 3．Cache技术的发展
五、多处理器技术
1． 并行计算机体系结构分类 2． 集中共享存储器型多处理计算机 3． 分布式存储器型多处理器计算机 4． 并行处理的难点
六、我国计算机体系结构研究进展
一、计算机体系结构学科发展回顾
Computer Architecture定义 ➢应用机器语言的程序员为了能正确编 写时序无关的程序所必须了解的计算 机的结构。
简单讲：计算机体系结构是一门设计计 算机的学科，包括计算机的指令系统设 计，结构设计，实现技术，以及与系统 软件操作系统和编译器相关的技术。
PC机、工作站成为主流产品 小型机被采用微处理器的服务器所代替 大型机被采用数十个至上百个微处理器构成的多 处理器计算机所代替 超级计算机正在被成千上万个微处理器构成的 多处理器计算机所代替
体系结构发展的核心－定量方法
近年来计算机体系结构发展的核心，也 是计算机创新设计技术的核心归功于 ——定量方法。
计算机性能高速发展原因
1.构建计算机的各种技术进步 2.计算机本身的创新设计技术的发展
技术进步—以稳定速度发展，主要指IC技术 创新设计—发展速度不稳定，有时快有时慢
各年代的性能提高速率
年代
性能的年 提高率
1970年代初 25%-30%
原因
1970年代末 35% 1980年代末 58%
微处理器芯片广泛应 用
存取周期缩短相对较慢，每10年缩短1/3
DRAM接口改进提高了存取带宽
磁盘技术
近年来磁盘的存储密度以每年100%速度 递增，并将继续一段时间 （1990年以前每年以30%速度递增）
磁盘的存取周期缩短相对较慢，每10年 缩短1/3
——存储器设计，CPU设计，I/O总线结构设计等高层 内容，同一个指令集可以对应不同组织设计
硬件设计
——芯片的逻辑设计、封装、冷却。 相同的指令集和组织可以对应不同的硬件实现形成 一个产品系列，如PentiumⅡ和Celeron，使Celeron适 用于低端产品
计算机体系结构学科应包含上述三方面的内容
性能优化技术
计算机创新设计对每年58%性能提高率
的贡献
——超过技术进步贡献达15倍之多
说明：计算机体系结构学科的重要性！！
计算机性能高速提高带来的影响
用户拥有越来越高的性能和功能，今天最高性 能的微处理器已经超出10年前超级计算机的性 能。
基于微处理器的计算机成为计算机设计的主流 现状：
1980年代产生了新的机型：
➢ 个人（PC）机、工作站、服务器
➢ 主要按用途来分类
1990年代产生了嵌入式系统：
➢ 高性能家电、机顶盒、电子游戏机、手机、网络路 由器、交换机等
➢ 这里微处理器成为设备的一个组件，如马达所起的 作用，主要不是作计算用
计算机的新分类
➢ 台式机 ➢ 服务器 ➢ 嵌入式计算机
4、技术发展趋向
由于计算机技术发展十分快速，一个成 功的指令集设计不应该因为技术发展而 遭淘汰
计算机体系结构设计师应预见到技术发 展的趋向，在设计下一代产品时，预见 到产品大规模进入市场时恰好是所用的 下一代技术的性价比达到最佳的时候， 从而使其设计的产品生命周期得以延长
影响最大的四种关键技术
计算机体系结构学科 发展简介
石教英 浙江大学计算机学院计算机系统研究所
2002年11月
目录
一、计算机体系结构学科发展回顾
1．计算机性能高速发展及其原因 2．计算机的分类 3．计算机设计的任务 4．技术发展趋向
二、指令级并行性开发技术
1．RISC与CISC 2．流水线技术 3．指令级并行性技术
三、指令多发射技术
它们分别面向不同应用，具有不同要求，采用 不同技术
台式机、服务器、嵌入式系统特征对比
3、计算机设计的任务
计算机设计目标：
➢ 应满足市场对功能的要求，同时也应满足成 本，功耗和性能的目标
计算机设计任务
指令集设计
——这是传统计算机体系结构的任务，即程序员面对 的（看得见的）指令系统的设计
计算机组织设计
RISC体系结构、Cache 等创新设计技术
截止2001年微处理器性能增长率
RISC、Cache技术发展阶段
RISC体系结构发展又可分为两个阶段
➢ 早期集中发展指令级并行技术 ➢ 后期集中发展多指令发射技术
Cache技术发展同样经历两个阶段
➢ 早期集中发展Cache的原理性应用 ➢ 后期集中发展新的Cache组织和各种Cache
Fig1。4， p10
计算机设计技术人员的任务
明确具体的功能要求，因为来自市场的功 能要求往往是不明确的
明确最主要的任务是什么，最主要的功能 往往是使用最频繁的部件，做好了最主要 部件的设计对提高性能影响最大。
优化设计——根据不同准则来选择最优的 设计方案，例如前面介绍过对于个人机、 服务器和嵌入式计算机的不同优化目标