计算机体系结构PPT_day11-pentium4(英文版)

• 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。
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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
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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

计算机系统安全策略
制定和执行安全策略，如访问控制、加密通信、安全审计等，以 确保系统安全。
计算机病毒防范与处理
计算机病毒定义
一种能够自我复制并传播的恶意 软件，通过感染计算机文件、破 坏数据或占用系统资源等方式对
计算机系统造成危害。
计算机病毒防范安装防病来自软件、定期更新病毒库 、不打开未知来源的邮件和链接等 。
。
防火墙技术与应用
防火墙定义
一种网络安全设备或软件，用于监控和控制网络之间的通信，防止 未经授权的访问和数据泄露。
防火墙技术
包括包过滤、代理服务器、状态检测等。
防火墙应用
在企业网络边界部署防火墙，实现内外网隔离、访问控制、入侵检测 等功能，确保网络安全。
06
计算机系统新技术与发展趋势
云计算技术与应用
它由硬件系统和软件系统两大部分组成，二者相 互依存、缺一不可。
计算机系统是人类历史上最伟大的发明之一，对 现代社会产生了深远的影响。
计算机系统的发展历程
第一代计算机（1946-1957年）
电子管计算机时代，体积庞大、功耗高、可靠性差。
第二代计算机（1958-1964年）
晶体管计算机时代，体积缩小、功耗降低、可靠性提高。
按照规模和处理能力分类
03
巨型机、大型机、小型机、微型机和工作站等。
02
计算机硬件系统
中央处理器
CPU的组成和功能
包括控制器、运算器等，负责执行程 序指令，进行逻辑运算、算术运算等 。
CPU的性能指标
多核处理器
多个处理核心集成在一个芯片上，提 高了处理器的并行处理能力和整体性 能。
主频、外频、倍频、缓存等，决定了 计算机的运行速度和处理能力。

一种最简单的流水线方式 如果两个过程的时间相等，则执行n条指
令的时间为：T=(1+2n)t
取指 分析 执行 取指 分析 执行 取指 分析 执行
主要优点： 指令的执行时间缩短 功能部件的利用率明显提高
主要缺点： 需要增加一些硬件 控制过程稍复杂
3、二次重叠执行方式
如果三过程的时间相等，执行n条指令的 时间为：T=(2+n)t
5.2.1 流水线工作原理
1、简单流水线
输 分析器 流水 执行部件 流水 输 入 分析k+1 锁存器 执行k 锁存器 出
t1
t2
流水线的每一个阶段称为流水步、流水
步骤、流水段、流水线阶段、流水功能
段、功能段、流水级、流水节拍等。`
在每一个流水段的末尾或开头必须设置一个寄 存器，称为流水寄存器、流水锁存器、流水闸 门寄存器等。会增加指令的执行时间。
时间
静态流水线时空图
空间
浮点加法 定点乘法
输出
1 2 3 …… n 1 2 3 …
累加
1 2 3 4…
尾数乘
1 2 3 4 5…
规格化
1 2 3 …… n
尾数加
1 2 3 …… n
对阶
1 2 3 …… n
求阶差 1 2 3 … … n
输入 1 2 3 … … n
1 2 3 4 5 6…
0
时间
动态流水线时空图
动态流水线： 在同一段时间内，多功能流水线中的各段可以按 照不同的方式连接，同时执行多种功能。
空间
浮点加法 定点乘法
输出
1 2 3…n
1…
累加
1 2…
尾数乘
1 2 3…

Functional Units (9)
Arithmetic and Logic Unit
Function
Execute arithmetic or logic operations
Most computer operations are executed in ALU of the processor.
Computer Organization & Architecture
Chapter 1 – Basic Structure of Computers
Content of this lecture
1.1 Computer Types 1.2 Functional Units 1.3 Basic Operational Concepts 1.6 Performance 1.7 Historical Perspective Summary
0
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15
Opcode
Address
An Example Instruction Format
Fetch Cycle
Execute Cycle
Fetch
Execute
Start
Instruction
Instruction
Halt
Instruction Cycle
Basic Operational Concepts (3)
Secondary Storage Store many programs and large amounts of data,particularly for information that is accessed infrequently. Magnetic Disks and Tapes ▪ Hard disks ▪ Floppy disks Optical Disks ▪ CD-ROMs

• 运行任务的时间
– Execution time, response time, latency
• 单位时间内完成的任务数
– Throughput, bandwidth
• “X性能是Y的n倍 ” ：
ExTime(Y)
Performance(X)
--------- =
--------------
ExTime(X)
– jumps, conditions, branches – fetch-decode-execute is implicit!
中国科学技术大学
Chapter2.6
有关ISA的7个方面
• Class of ISA • Memory addressing • Addressing modes • Types and sizes of operands • Operations • Control flow instructions • Encoding an ISA
Performance(Y)
2019/11/12
中国科学技术大学
Chapter2.2
• Amdahl’s 定律:
Speedupoverall
= ExTimeold = ExTimenew
1 (1 - Fractionenhanced) +
Fractionenhanced
• CPI Law:
Speedupenhanced
中国科学技术大学
Chapter2.11
通用寄存器的分类
• 分类原则： – ALU指令到底是两地址指令还是三地址指令 – ALU指令中有多少个操作数可以用存储器寻址，即有多少个存 储器操作数
2019/11/12

–如Alpha的指令简单，超流水结构，流水级多， 主频高
–PowerPC指令功能强，灵活，甚至有点象CISC
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2 Instruction pipeline
• Most instructions are register to register • Two phases of execution
– I: Instruction fetch – E: Execute
• ALU operation with register input and output
• For load and store
– I: Instruction fetch – E: Execute
• Calculate memory address
– D: Memory
• Register to memory or memory to register operation
12
Normal and Delayed Branch
Address
Hale Waihona Puke Normal Branch
Delayed Branch
Optimized Delayed Branch
100
LOAD X, rA
LOAD X, rA
LOAD X, rA
101
ADD 1, rA
ADD 1, rA
JUMP 105
102
2
1 CISC & RISC
• Why CISC (1)? • Compiler simplification?
– Disputed… – Complex machine instructions harder to exploit – Optimization more difficult

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
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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。

Monitor
Sizes Quality Design
Benefits
exit
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2-1-17
Sound Card
MP3:
MPEG audio layer3
MPEG: Moving Pict Nhomakorabeare Experts Group
WAV: Wave WMA: Windows Media Audio MIDI: Musical Instrument Digital Interface
2-1-10
Hard Drive
There are three primary considerations when choosing hard drives.
Storage capacity
存储容量
Rotational speed Interface
转速 接口
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next
计算机英语教程 unit-1 by mkc
exit
next
计算机英语教程 unit-1 by mkc
2-1-8
Memory
RAM ------random access memory 随机存储器 ROM------？
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计算机英语教程 unit-1 by mkc
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Hard Drive
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计算机英语教程 unit-1 by mkc
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计算机英语教程 unit-1
2-1-15
by mkc
The director often sat with the 3D artist to try out ideas, making changes to high-resolution images on the fly.

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1.4 计算机系统结构的发展
存储器组织结构的发展
相联存储器与相联处理机 通用寄存器组 高速缓冲存储器Cache
指令集的发展 两个发展方向：
复杂指令集计算机（CISC） 精减指令集计算机（RISC）
2020/12/10
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1.4 计算机系统结构的发展
1.4.2 软件对系统结构的影响
软件的可移植性：一个软件可以不经修改或 者只 需少量修改就可以由一台计算机移植 到另一台计算机上正确地运行。差别只是执 行时间的不同。 我们称这两台计算机是软件兼容的。
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1.5 计算机系统结构中并行性的发展
从执行程序的角度来看，并行性等级从低 到高可分为：
指令内部并行：单条指令中各微操作之间的 并行。
指令级并行：并行执行两条或两条以上的指 令。
线程级并行：并行执行两个或两个以上的线 程。通常是以一个进程内派生的多个线程为 调度单位。
2020/12/10
程序执行时所访问的存储器地址分布不是随 机的，而是相对地簇聚。
常用的一个经验规则
程序执行时间的90%都是在执行程序中10%的代码。
程序的时间局部性
程序即将用到的信息很可能就是目前正在使 用的信息。
程序的空间局部性
2020/12/10
程序即将用到的信息很可能与目前正在使用
的信息在空间上相邻或者临近。
2020/12/10
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计算机系统结构：计算机系统的软、硬件的 界面，即机器语言程序员所看到的传统机器 级所具有的属性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现
包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以 及 逻辑设计等。
计算机实现：计算机组成的物理实现。
2020/12/10