计算机架构 资料 501W15_slideset11

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计算机体系结构

计算机体系结构

计算机体系结构计算机体系结构是指计算机系统中各个组成部分之间的组织方式和关系,以及它们共同协作完成计算任务的方式和规则。

计算机体系结构决定了计算机的性能、可扩展性、可靠性以及对各类应用的适应能力。

本文将从计算机体系结构的基础概念、主要组成部分和发展趋势等方面进行探讨。

一、基础概念计算机体系结构的基础概念包括指令集体系结构(Instruction Set Architecture,ISA)和微体系结构(Microarchitecture)。

ISA是计算机体系结构的外部接口,它规定了计算机系统的指令格式、地址空间、寄存器等;微体系结构则是ISA的实现,涵盖了处理器的具体设计和实现细节。

二、主要组成部分计算机体系结构的主要组成部分包括处理器、内存、输入/输出设备和总线。

处理器是计算机的核心,负责执行指令和控制计算机的运行;内存是存储数据和程序的地方,包括主存储器和辅助存储器;输入/输出设备用于与外部世界进行信息交互;总线是各个组件之间传输数据和控制信号的通道。

三、体系结构分类根据指令执行的方式和数据通路的结构,计算机体系结构可以分为单指令流水线架构、多指令流水线架构和超标量架构等多种类型。

单指令流水线架构是将指令执行分为若干个流水段,从而实现指令的并行执行;多指令流水线架构则是将多个流水线独立进行,提高了并行度和吞吐量;超标量架构则是通过重复和重叠指令的执行来提高效率。

四、发展趋势随着计算机技术的不断进步和应用需求的不断增加,计算机体系结构也在不断发展演进。

其中,主要的发展趋势包括并行计算、多核处理器、向量计算和异构计算。

并行计算利用多个处理器同时执行多个任务,提高了计算速度;多核处理器将多个处理核心集成在一个芯片上,实现了更高的处理性能;向量计算利用向量处理器执行特定任务,提高了计算效率;异构计算结合了不同类型的处理器和加速器,最大限度地发挥各个处理单元的优势。

总之,计算机体系结构是计算机系统的重要组成部分,对计算机的性能和应用具有重要影响。

计算机基本结构(图解)

计算机基本结构(图解)

电脑主机构成:1. CPU;2. 主板;3. 硬盘;4. 内存;5. 显卡;6. 声卡;7. 网卡;8. 光驱;9.电源。

电脑机箱主板,又叫主机板、系统板或母板,它分为商用主板和工业主板两种。

主板一般为矩形电路板,上面安装了组成计算机的主要电路系统,一般有芯片部分(BIOS芯片、CMOS 芯片等)、接口部分(COM、LPT、USB、MIDI、IDE、SATA、PS/2等)、扩展槽部分(AGP 插槽、PCI插槽、CNR插槽、内存插槽等)。

芯片BIOS芯片:是一块方块状的存储器,里面存有与该主板搭配的基本输入输出系统程序。

能够让主板识别各种硬件,还可以设置引导系统的设备,调整CPU外频等。

BIOS芯片是可以写入的,这方便用户更新BIOS的版本,以获取更好的性能及对电脑最新硬件的支持。

CMOS芯片:是一种低耗电随机存贮器,其主要作用是用来存放BIOS中的设置信息以及系统时间日期。

如果CMOS中数据损坏,计算机将无法正常工作,为了确保CMOS数据不被损坏,主板厂商都在主板上设置了开关跳线,一般默认为关闭。

当要CMOS数据进行更新时,可将它设置为可改写。

为使计算机不丢失CMOS和系统时钟信息,在CMOS芯片的附近有一个电池给他持续供电。

南北桥芯片:横跨AGP插槽左右两边的两块芯片就是南北桥芯片。

南桥多位于PCI插槽的上面;而CPU插槽旁边,被散热片盖住的就是北桥芯片。

北桥芯片主要负责处理CPU、内存、显卡三者间的“交通”。

南桥芯片则负责硬盘等存储设备和PCI之间的数据流通。

南桥和北桥合称芯片组。

芯片组以北桥芯片为核心,一般情况,主板的命名都是以北桥的核心名称命名的。

芯片组在很大程度上决定了主板的功能和性能。

需要注意的是,AMD平台中部分芯片组因AMD CPU内置内存控制器,可采取单芯片的方式,如nⅥDIA nForce 4便采用无北桥的设计。

从AMD的K58开始,主板内置了内存控制器,因此北桥便不必集成内存控制器。

计算机体系(系统)结构

计算机体系(系统)结构
1964年C. M. Amdahl在介绍IBM 360系统时提 出经典的计算机体系结构(Computer Architecture)定义。 计算机体系结构是机器级程序员所看到的计 算机的属性,即概念性结构与功能特性。
例如: 传统机器程序员所看到计算机的主要属性是该 机指令系统的功能特性。 高级语言虚拟机所看到计算机的主要属性是该 机所配置的高级语言所具有的功能特性。
(2)并行性的发展 并行性概念乃是推动计算机体系结构发展的重要因素,为 了达到高性能的要求并满足大量计算应用领域的需要,一方面 可在单处理内广泛采取多种并行性措施,沿着时间重叠、资源 重复和资源共享三条技术途径向现代并行处理领域发展,另一 方面把多台计算机连接起来、相互配合、各尽其能,沿着功能 专门化、多机群和网络化这三种基本技术途径向现代并行处理 领域发展。 时间重叠:在并行性概念中引入时间因素,即多个处理过程在时 间上相互错开轮流重叠使用同一套硬件的各个部件以加快部件 的周转而提高速度。 资源重复:在并行性概念中引入空间因素,根据以数量取胜的原 则,重复设置硬件资源以大幅度提高计算机系统的性能。 资源共享:利用软件的方法,使多个用户分时使用同一个计算机 系统,以提高计算机系统资源的利用率。
功能专用化
松散耦合系统 专用外围机
紧密耦 合系统
可重构 多处 容错 理机
局部计 算机网络 分布处 理系统
高级语言 数据库
处 理 机
同构型 多处理机
异构型 多处理机
多计算机机系统朝并行处理领域发展
练习
1. 计算机体系结构近年来有那些进展?
2. 流水线结构
流水线技术在60年代中开始用于计算机系统, 该技术采用时间上重叠的方法来实现并行性,因而 可以用较少的设备取得较高的性能。目前,几乎所 有的计算机系统都采用了流水线技术。

计算机组织与体系结构基础知识

计算机组织与体系结构基础知识

计算机组织与体系结构基础知识计算机组织与体系结构是计算机科学与技术的核心内容之一,它涉及到计算机硬件与软件之间的关系,对于计算机的设计、开发和性能优化非常重要。

本文将介绍计算机组织与体系结构的基础知识,包括计算机的基本组成、层次结构、指令集和存储器层次结构。

一、计算机的基本组成计算机由五大基本部件组成,包括中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、内存(Memory)、输入设备(Input Devices)、输出设备(Output Devices)和存储设备(Storage Devices)。

其中,CPU被认为是计算机的“大脑”,负责执行指令和进行算术逻辑运算;内存用于存储程序和数据;输入设备用于接收外部数据;输出设备用于向外部传递计算结果;存储设备用于长期保存程序和数据。

二、计算机的层次结构为了更好地组织和管理计算机的各个部件,计算机的层次结构被划分为多个层次。

常见的计算机层次结构包括:物理层、逻辑层、微程序层和操作系统层。

物理层是计算机硬件的实际实现,如电路布线、芯片等;逻辑层是计算机硬件与软件之间的接口,约定了数据的格式和传输方式;微程序层是针对指令的解码和执行过程设计的指令集;操作系统层负责管理和协调计算机的各个硬件和软件资源。

三、计算机的指令集指令集是计算机硬件和软件之间的桥梁,它规定了CPU能够识别和执行的指令。

常见的指令集包括:复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer,CISC)和精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer,RISC)。

CISC指令集包含了大量的指令和地址模式,具有丰富的功能和灵活性,但执行效率相对较低;RISC指令集则精简了指令和地址模式,提高了执行效率,但牺牲了部分功能和灵活性。

四、计算机的存储器层次结构计算机的存储器层次结构是指从CPU访问数据时所涉及到的多级存储器。

第2章计算机组织结构

第2章计算机组织结构
代码段用来存放程序的指令序列。CS存放 代码段的段首址,指令指针寄存器IP指示代码段 中指令的偏移地址。
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第2章计算机组织结构
4.指令指针
P17
8086CPU中的指令指针IP,它总是保存下 一次将要从主存中取出指令的偏移地址,偏移地 址的值为该指令到所在段段首址的字节距离。在 目标程序运行时,IP的内容由微处理器硬件自动 设置,程序不能直接访问IP,但一些指令却可改 变IP的值,如转移指令、子程序调用指令等。
第三条指令中,AX为目的操作数地址,BX为源
第2章计算机组织结构
图中表明了存储器 中部分存储单元 存放信息情况。 从图中可看到,地 址 为 34560H 的 字 节的存储单元中 的 内 容 是 34H , 而 地 址 为 34561H 的字节存储单元 中 的 内 容 是 12H 。
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第2章计算机组织结构
2.2.3 物理地址的形成
•装入程序(loader): 用来把要执行的程序从外存传送到内存
•调试程序(debug): 是系统提供的,用以监控用户程序的一种工具
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第2章计算机组织结构
2.1.1 Intel 8086CPU内部结构 P14
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•控制寄存 器
•通用寄存 器
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第2章计算机组织结构
语句格式
[标号:] 操作符 OPD,OPS [;注释]
OPD--目的操作数OPS --源操作数
again: AX=0x1200;
//c语言语句
l again: MOV AX,1200H
;AX=1200H
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标 号

计算机架构 资料 501W15_slideset08-corrected

计算机架构 资料 501W15_slideset08-corrected
What criticism could be made of a compiler that emitted the following sequence of instructions?
MUL.D F0, F20, F22 S.D F0, (R8) L.D F2, (R9) DADDIU R9, R9, 8 ADD.D F24, F24, F2
ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 8, corrected and extended
slide 9/36
An even worse example:
DIV.D F0, F20, F22 ADD.D F24, F0, F24 L.D F2, (R9)
ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 8, corrected and extended
ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 8, corrected and extended
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Pipelines with long-latency instructions
Trying to execute instructions with long latencies in-order using a single pipeline can have very bad effects when data hazards arise.
ADD.D can’t leave ID until M7 of MUL.D is done, and then L.D can’t enter Mem until Mem of ADD.D is done . . .
MUL.D ADD.D L.D SUB.D

计算机各个部件的组成

计算机各个部件的组成

计算机各个部件的组成计算机是由各个部件组成的复杂系统。

这些部件协同工作,以实现计算、存储和处理数据的功能。

下面将介绍计算机的各个部件及其功能。

1. 中央处理器(CPU):CPU是计算机的核心部件,负责执行计算机程序中的指令。

它包括运算器和控制器两个主要部分。

运算器执行算术和逻辑运算,控制器负责控制和协调整个计算机系统的运行。

2. 内存(RAM):内存是计算机用来存储数据和程序的地方。

它以字节为单位存储数据,可以快速读写。

内存分为主存和辅助存储器,主存是CPU可以直接访问的存储器,而辅助存储器如硬盘、固态硬盘等则用于长期存储数据。

3. 硬盘:硬盘是计算机的主要存储设备,用于存储操作系统、程序和文件。

它采用磁盘片和读写头的结构,可以高速读写大量数据。

4. 显卡:显卡是计算机的图形处理部件,负责将计算机处理的图像信息转换成可以显示在屏幕上的信号。

显卡通常包括图形处理器(GPU)和显存,可以提供高清晰度和高性能的图像处理能力。

5. 主板:主板是计算机的核心电路板,连接并支持各个部件的工作。

它提供了CPU、内存、扩展槽、接口等的连接和通信功能,使各个部件能够协同工作。

6. 电源:电源为计算机提供电能,是计算机的动力源。

它将电流转换为计算机需要的各种电压,确保计算机正常运行。

7. 显示器:显示器用于显示计算机处理的图像和文字信息。

现代显示器通常采用液晶显示技术,可以提供高分辨率和色彩还原能力。

8. 键盘和鼠标:键盘和鼠标是计算机的输入设备。

键盘用于输入文字和命令,鼠标用于控制光标和进行操作。

9. 光驱和读卡器:光驱用于读取和写入光盘(如CD、DVD),读卡器用于读取存储在各种存储卡中的数据。

10. 网络接口卡:网络接口卡用于连接计算机与局域网或互联网,实现计算机之间的数据传输和通信。

11. 声卡:声卡是计算机的音频处理部件,负责录音、播放和处理音频信号。

12. 散热器:散热器用于散热,保持计算机各个部件的温度在安全范围内。

计算机架构 资料 501W15_slideset02

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ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 2
slide 11/28
What programs should be used for performance evaluation?
This is a hard question, because every user is different.
Digital designer runs a detailed simulation of a complex circuit.
Meteorologist runs 5-day weather forecast program using current atmospheric data as input.
slide 2/28
ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 2
Outline of Slide Set 2
Remarks about textbook sections 1.6 and 1.7 Evaluating computer performance Quantitative Principles of Computer Design Amdahl’s law Processor Performance Equation
same source code, different ISAs, different hardware, different compilers
same source code, same ISA, same compiler, different hardware
same source code, same ISA, same hardware, different compiler

计算机体系结构

计算机体系结构

看,USB总线在很多方面不如IEEE 1394,但是却拥有IEEE 1394
无法比拟的价格优势,在一段时期内,它将和IEEE 1394总线并
3.1.3 微型计算机常见总线标准

计算机中总线按层次结构可分为内部总线、系统总线和外部总线。
• 内部总线 是计算机内部各外围芯片与处理器之间的总线,用于芯片一级的 互联,与计算机具体的硬件设计相关。(芯片组管理着CPU的连接。中断控 制器、存储控制器、I/O控制器,提供一个到PCI总线的总线的接口。)
(5)USB总线

通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)是由Intel、
Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom七
家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。
它和IEEE 1394同样是一种连接外围设备的机外总线。从性能上
• 现代计算机的结构以存储器为中心。
图3-1所示结构的计算机, 其工作步骤为:首先输入 设备在控制器的控制下将 原始数据和计算步骤输入 存储器,其次控制器从存 储器读出计算步骤(指令系 列),然后控制器控制运算 器和存储器依次执行每一 个计算步骤(指令),最后, 控制器控制输出设备以各 种方式从存储器输出计算 结果。
第三章 计算机体系结构
• 硬件和软件是学习计算机知识经常遇到的术语。 硬件是指计算机系统中实际设备的总称。它可
以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件
或设备,或由它们组成的计算机部件或整个计 算机硬件系统。
• 计算机系统包括大型机、中小型机以及微机等 多种结构形式,其硬件主要包括: 运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出设备等部件。

计算机结构与组成 PPT

计算机结构与组成 PPT

大家好
16
输入设备 常见的输入设备有键盘,鼠标,扫描仪
大家好
17
输出设备 常见的输出设备有显示器,打印机,绘图仪
大家好
18
外存储器 硬盘,光盘,软磁盘,可移动磁盘。
大家好
19
软件、软件系统
软件:能够指挥计算机工作的程序,与程序运行 时所需要的数据,以及与这些程序和数据 有关的文字说明和图表资料的集合。
软件系统:所有相关的计算机软件的集合。
大家好
20
系统软件
系统软件是面向计算机管理、监控、操作和 维护的软件,具有通用性和基础性。
大家好
21
应用软件
应用软件是指用户或专门的软件公司利用计算机 及其提供的系统软件为解决各种实际问题而编制 的计算机程序。
大家好
22
常见的操作系统软件有 DOS Windows95 Windows98 Windows2000 Windowsme Windowsxp Unix等
1.容量 指一条内存可容纳的字节(8位二进制)数,通常 有32MB、64MB、128MB等等。
2.存取时间:内存条芯片存取数据的速度 3.奇偶校验位 4.接口类型:包括SIMM和DIMM类型接口
大家好
10
内存储器的主要特点: 存储容量小,存取速度快,存放的信息易丢失。
大家好
11
只读存储器(ROM):
大家好
3
பைடு நூலகம்
系统主板
大家好
4
打印机接口 USB接口
PCI槽 AGP槽 内存槽
CPU接口
大家好
5
微处理器(CPU)
运算器、控制器和一组寄存器,合在一个芯片上 称之为CPU (Central Processing Unit)

计算机硬件组成PPT

计算机硬件组成PPT

2021/7/1
5
电脑机箱
功能:固定配件
作用:存放硬件的载体,并起一定的保护作用
2021/7/1
6
电脑电源
功能:保障电脑的电源供应
作用:一个合格的电源对电脑的作用却是非常重要的,电源就犹 如人体的心脏,随时提供新鲜的血液,即使再聪明的头脑或再敏捷 的身手也离不开心脏,电脑电源就是如此。劣质电源不仅直接影响 了电脑的正常的使用,对主板、显卡等其它配件造成损害,而且这
2021/7/1
L接线图解:
五、COM接口(深蓝色):
平均分布于并行接口下方,该接口有9个针脚, 也称之为串口1和串口2。可连接游戏手柄或手 写板等配件。
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COM2
COM1
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电脑主机后面接线图解:
六、Line Out接口(淡绿色):
通过音频线用来连接音箱和耳机的接口,输出 经过电脑处理的各种音频信号
磁盘
主板
光盘
存储
闪存
输入设备
输出设备
硬盘 软盘
键盘 鼠标 扫描仪 摄像头 数码相机
显示卡 显示器
音箱
打印机
34
结束语
若有不当之处,请指正,谢谢!
外形呈扁平状,是家用电脑外部接口中唯一支 持热拔插的接口,可连接所有采用USB接口的 外设,具有防呆设计,反向将不能插入。
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25
电脑主机后面接线图解:
四、LPT接口(朱红色):
该接口为针角最多的接口,共25针。可用来连 接打印机,在连接好后应扭紧接口两边的旋转 螺丝(其他类似配件设备的固定方法相同)。
条码扫描枪:作为光学、机械、电子、软件应用等技 术紧密结合的高科技产品。
是继键盘和鼠标之后的第三代主要的电脑输入设备。

电脑组成简介PPT课件

电脑组成简介PPT课件
第22页/共25页
2. 应用软件
• 电脑之所以具有这么多的功能,其实都应当归功于应用软件。应用软件是 专门为某一应用领域而编制的软件,是为解决用户的各种实际问题而编制 的程序。例如,要编辑一篇文章,可以使用word软件;要处理图像,可以 使用Photoshop软件。
第23页/共25页
The End
2. CPU
• CPU(Central Processing Unit)的中文名称是中央处理器。CPU作为 电脑的核心,负责整个系统的协调、控制以及程序的运行。
CPU的背面
CPU的正面
第12页/共25页
3. 内存
• 内存是存储器的一种,也称主存储器或主存,它主要用于临时存储程序和 数据。通常情况下,电脑在执行各种程序时,首先要把程序与数据从硬盘 调入到内存,然后再去执行相应的操作。
• 常见的操作系统有DOS、Windows和UNIX。
第20页/共25页
2). 程序设计语言
• 程序设计语言用来开发各类软件,它包括机器语言、汇编语言和高级程序设计语言。最常用的是高级程序 设计语言,如Basic语言、Pascal语言、C语言等
第21页/共25页
3). 数据库管理系统
• 数据处理是电脑应用的一个重要领域,在迈向信息社会的今天,会有大量的信息需要去处理。通过将数据 组织成数据库,用户可方便地对数据进行查询、统计、排序和分析等操作。目前应用较多的数据库管理系 统有FoxPro、Oracle、SQL Server、/2接口的支持更完善) • 无线鼠标和键盘是通过无线蓝牙与主机相连的,目前无线鼠标和键盘的使
用已比较普遍,其性能和灵敏程度都很好
第3页/共25页
(二).显示器和音箱
• 显示器和音箱是输出设备,他们负责将主机处理过的结果以图像或声音的形式传递给我们。

计算机组成课件

计算机组成课件

计算机组成课件一、计算机系统概述计算机系统是由硬件系统和软件系统组成的。

硬件系统是指那些可以看到的物理设备,包括中央处理器、内存、硬盘、显卡、声卡、网卡等。

而软件系统是指运行在计算机上的程序和数据,包括操作系统、应用程序、数据库等。

二、计算机硬件组成计算机硬件系统主要由中央处理器、内存、硬盘、显卡、声卡、网卡等组成。

其中,中央处理器是计算机的核心部件,负责执行程序中的指令;内存是计算机的临时存储设备,用于存储当前正在运行的应用程序和数据;硬盘是计算机的永久存储设备,用于存储操作系统、应用程序和用户数据等;显卡负责显示图像和文字;声卡负责处理声音信号;网卡则负责连接到网络。

三、计算机软件组成计算机软件系统包括操作系统、应用程序和数据等。

操作系统是计算机的基础,负责管理硬件资源,提供各种系统服务;应用程序是运行在操作系统上的程序,实现特定的功能;数据则是存储在计算机中的各种信息,包括文本、图像、视频、音频等。

四、计算机的工作原理计算机的工作原理可以概括为“存储程序,顺序执行”。

即先把要执行的程序和数据存储在内存中,然后按照顺序一条条执行。

在执行过程中,中央处理器会不断地从内存中读取指令和数据,进行计算和处理,并将结果写入内存或输出到显示器、打印机等设备。

五、总结通过学习计算机组成课件,我们可以了解到计算机系统的基本组成和工作原理。

了解计算机的硬件和软件组成,以及它们之间的关系,有助于我们更好地理解计算机的工作方式和使用方法。

这也是进一步学习计算机网络、数据库、编程等其他课程的基础。

计算机组成课件计算机组成课件一、计算机系统概述计算机系统分为硬件系统和软件系统两大部分。

二、计算机硬件组成1、运算器:执行算术运算和逻辑运算。

2、控制器:控制运算器,实现各种算术和逻辑运算,协调整个计算机系统的运行。

3、存储器:存储程序和数据,分为内存和外存。

内存包括RAM(随机存取存储器)和ROM(只读存储器),外存包括硬盘、软盘、光盘等。

计算机系统组成部件

计算机系统组成部件
即加速图形端口。它是一种为了提高视频带宽而设计的总线规 范。因为它是点对点连接,即连接控制芯片和AGP显示卡,因 此严格说来,AGP也是一种接口标准,用于使用64位图形总线 使CPU与内存连接,以提高计算机对图像的处理能力。目前的 主板计产算品机大系多统组支成持部A件GP
表1-2 ISA、EISA、PCI总线各自的性能
VESA(Video
Electronics
Standards Association)
VESA组织(1992年由IBM、Compaq等发起,有120多家公司 参加)按Local Bus(局部总线)标准设计的一种开放性总线。 但应用并不是很广泛
PCI(Peripheral Component Interconnect)
计算机系统组成部件
1.2.1.2 AMD系列
1.2.1.2 AMD系列 1.毒龙处理器 2.雷鸟处理器
计算机系统组成部件
1.2.1.3 Cyrix系列
Cyrix 也 是 一 家 比 较 著 名 的 CPU 制 造 商 , 但 是 由 于 其 产 品 性 能 原 因 , 无 法 与 Intel、AMD 竞 争,最终在1999年被我国台湾地区的威盛 (VIA)公司收购。现在市场上Cyrix系列的主 流CPU是Cyrix III系列。
计算机系统组成部件
连接主机和外部设备的电路称为“I/O接口电 路”,也称为“输入输出接口电路”,有了它, 主机和外部设备之间就能传输信息、实现数据 缓冲、完成不同格式的数据转换以及设备选择、 优先权处理等。 为了能保存运算信息与数据资料,计算机系统 还需要外部存储器,磁盘就是一种这样的设备。 常用磁盘有软盘、硬盘两种,后者的容量要比 前者大得多。
计算机系统组成部件
图1-3 主板
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The same defective program, now with the threads running simultaneously in two cores . . .
Thread A:
while ( condition ) {
do some work counter++; }
Thread A:
while ( condition ) {
do some work counter++; }
Thread B:
while ( condition ) { do some work counter++;
}
Before considering the race condition in a multicore system, let’s address this question: What is the potential failure if this program is running in a uniprocessor system?
A race condition is a situation in which the evolution of the state of some system depends critically on the exact order of nearly-simultaneous events in two or more subsystems.
Thread A ...
LD
R8, 100(R28)
DADDIU R8, R8, 1
SD...
R8, 100(R28)
Thread B
...
LD R8, 100(R28)
DADDIU R8, R8, 1
SD...
R8, 100(R28)

Due to latency in a snoop-based implementation of MSI, Thread B could do its load before an invalidate command from Thread A’s store is processed.
Is that enough? Consider the MSI protocol again. What must happen either as a result of Thread A releasing the lock, or as a result of Thread B acquiring the lock?
Again the value of counter is supposed to increase by 2, but will actually increase by only 1.
A cache coherency protocol such as MSI will not prevent failure!
Thread B:
while ( condition ) {
do some work counter++; }
Again assume MIPS64, with 100(R28) being the address of counter . . .
ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 11
ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 11
TLP race condition example
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Two threads are running in the same loop, both reading and writing a global variable called counter . . .
Slide Set 11
for ENCM 369 Winter 2015 Lecture Section 01
Steve Norman, PhD, PEng
Electrical & Computer Engineering Schulich School of Engineering University of Calgary
An atomic instruction (or a sequence of instructions that is intended to provide the same kind of behaviour, such as MIPS LL/SC) typically works like this:
Winter Term, 2015
ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 11
Contents
Race conditions Introduction to Pthreads programming Locks
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ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 11
if two or more threads attempt the operation, such that the attempts overlap in time, one thread will succeed, and all the other threads will fail.
ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 11
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ISA and microarchitecture support for concurrency
Instruction sets have to provide special atomic instructions to allow software implementation of synchronization facilities such as mutexes.
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The key aspects of atomic instructions are:
the whole operation succeeds or the whole operation fails, in a clean way that can be checked after the attempt was made;
Let’s make some notes about how this would work in a uniprocessor system.
ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 11
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Thread A:
while ( condition ) {
do some work
ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 11
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A memory-register ISA does not solve race condition problems
This x86-64 instruction . . . addq $1, (%rax)
ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 11
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Imagine a uniprocessor MIPS64 system, with 100(R28) being the address of counter . . .
Thread A
LD
R8, 100(R28)
DADDIU R8, R8, 1
context switch [suspended]
context switch
SD
R8, 100(R28)
Thread B [suspended]
...
LD R8, 100(R28)
DADDIU R8, R8, 1
SD...
R8, 100(R28)
[suspended]
Outline of Slide Set 11
Race conditions Introduction to Pthreads programming Locks
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ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 11
Race conditions
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Thread A ...
LD
R8, 100(R28)
DADDIU R8, R8, 1
SD...
R8, 100(R28)
Thread B
...
LD R8, 100(R28)
DADDIU R8, R8, 1
SD...
R8, 100(R28)
Thread A loses the race to write to counter before Thread B reads from counter.
. . . does a memory read, an addition, and a memory write.
Why can’t that be used to eliminate the problem we saw with MIPS64 instructions?
ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 11
memory read is attempted at some location; some kind of write data is generated; memory write to the same location is attempted.
ENCM 501 W15 Lectures Slide Set 11
acquire lock counter++; release lock
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