计算机系统结构第1章_2

IS1 IS1
CU
CU ……
PU
PU ……
IS1
CU MISD
PU
MM
IS1 IS1
CU CU ……
PU PU …… PU
DS1 DS2
……
MM
IS1
CU
DSn
MIMD
– Flynn分类法得到广泛应用 SIMD、MIMD、SPMD… – 主要缺点： (1) 分类太粗：例如， 在SIMD中包括有多种处理机 对流水线处理机的划分不明确 标量流水线为SISD，向量流水线 为 SIMD (2) 根本问题是把两个不同等级的功能 并 列对待；通常，数据流受指令流控制，从而 造成MISD不存在

– 最高性能：国家安全需要，科技发展需要 银河3… – 最低价格：家用学习机等
–1.4.4 算法对系统结构的影响

在多个层次上，算法影响着系统结构 – 快速乘法、除法、开平方等的实现 – Tomasulo算法提高指令级并行性 – 多线程系统
– 消除名字相关、数据相关、控制相关的算法 – 有些应用问题，如果算法上有突破，不需要高 性能的系统结构，而在普通的系统上就能得到 解决。 – 许多算法还有改进的余地，通过算法的研究能 够大大提高系统的性能。 – 应用程序设计者只有了解系统结构，才能设计 出高效率的程序。 – 系统结构设计者应该研究一类算法，设计一种 系统结构，使所有这类问题在此结构上都能很 好解决。
– –
–
每5年左右提高一个数量级； 到2018年，单芯片内可以做100个处理机 – 速度已接近极限 目前CPU主频已经到达1000MHz以上，门延迟 0.1ns； 极限速度：30万公里/秒＝3cm/0.1ns＝３ mm/0.01ns 器件速度发展的余地很小 根据摩尔定理，处理机速度每10年要提高100 倍 将来处理机速度提高主要靠系统结构、组成和 实现技术

1. 应用需求 – 今后10年，需要专门为以下领域设计高效率的 系统结构： 高结构化的数值计算：气象模型、流体流动、 有限元分析。 非结构化的数值计算：蒙特卡洛模拟、稀疏矩 阵。 实时多因素问题：语音识别、图象处理、计算 机视觉。 大存储器容量和输入输出密集的问题：
–
数据库系统、事务处理系统。 图形学和设计系统：计算机辅助设计。 人工智能：面向知识的系统、推理系统。
控制器
输入设备
运算器 ALU
输出设备
存储器
– 高级语言与机器语言的语义距离缩小，出现 了面向高级语言机器和直接执行高级语言机 器。
– 硬件子系统与操作系统和数据库管理系统软件 相适应，出现了面向操作系统机器和数据库计 算机等。 – 从传统的指令驱动型改变为数据驱动型和需求 驱动型，出现了数据流机器和归约机。 – 为适应特定应用环境而出现了各种专用计算机， 如快速傅里叶变换机器、过程控制计算机等。 – 为获得高可靠性而研制容错计算机。
– (3) 非冯计算机的分类？其他新型计算机的分类？ 2. 库克分类法：1978年由D. J. Kuck提出 – 按控制流和执行流分类 – 四种类型 (1) 单指令流单执行流SISE (Single Instruction Single Executionstream)；典型的单处理机 – (2) 单指令流多执行流SIME (Single Instruction Multiple Executionstream)；多功能部件处理机、 相联处理机、向量处理机、流水线处理机、超 流水线处理机、超标量处理机、SIMD并行处理 机
第一章 基本概念

ห้องสมุดไป่ตู้
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
计算机系统结构的定义 计算机系统的评价标准 计算机系统的设计方法 计算机系统结构的发展 计算机系统的分类
1.4 计算机系统结构的发展
1.4.1 冯· 诺依曼(Van Nenmann)结构 1.4.2 器件发展对系统结构的影响 1.4.3 应用对系统结构发展的影响 1.4.4 算法对系统结构的影响
– SISD 典 型 单 处 理 机 ， 包 括 ： 单 功 能 部 件 处 理 机 ： IBM1401 ， VAX-11 多 功 能 部 件 处 理 机 ： IBM360/91 ， 370/168 ， CDC6600 流水线处理机：标量流水线处理机
IS
CU
PU
SISD
DS
MM
– SIMD： 并行处理机、阵列处理机、向量处理机、相联 处理机、超标量处理机、超流水线处理机、... 多个PU按一定方式互连，在同一个CU控制下， 多个的数据完成同一条指令规定的操作；从CU 看，指令顺序（串行）执行，从PU看，数据并 行执行。 全并行：IILIAC IV、PEPE、STAR100、ASC、 CRAY 字并位串：STARAN、MPP、DAP

–
第四代(LSI和VLSI) 第五代(智能计算机)等
–1.5.2 按并行度的分类方法

1. 佛林（Flynn）分类法 – 1966年由 Michael.J.Flynn 提出 – 按照指令流和数据流的多倍性特征对计算机系 统进行分类 指令流：机器执行的指令序列 数据流：由指令流调用的数据序列，包括输入 数据和中间结果
– 功能分散化、专业化，出现了各种功能分布计 算机，包括外围处理机、通信处理机等。 – 出现了与大规模、超大规模集成电路相适应的 计算机系统结构。 – 出现了处理非数值化信息的智能计算机，例如 自然语言、声音、图形和图象处理等。

3. 非冯计算机的发展
–1.4.2 器件发展对系统结构的影响
第1～4代计算机以器件来划分 在相当长一段时间内，是提高计算机速度 的主要途径 1. 器件发展的特点：用4句话概括： – 集成度迅速提高，速度已接近极限， – 价格直线下降， 可靠性越来越高 – 集成度迅速提高 目前水平：每0.25平方英寸108个晶体管； 单芯片内可以做256Mb存储器，CPU＋部分 Cache
IS PU DS1
CU
PU
PU SIMD
DS2
DSn
MM
……
MM
– MISD 几条指令对同一个数据进行不同处理， 实际上不存在 – MIMD 多处理机系统，包括： 紧密偶合：IBM3081、IBM3084、UNIVAC1100/80 松散偶合：D-825、Cmmp、CRAY-2
DS
MM
…… MM
处理机主频提高的速度已经减缓 指令执行速度的提高基本保持不变 4. 器件发展对设计方法的影响 – 计算机组成技术下移 原来只有在巨型机、大型机中采用的技术， 已经用到微型机中 先行(Lookahead)、超标量、超流水线、 Cache、多体交叉 – 计算机设计方法下移 第1代计算机，几乎全部由硬件人员设计


4. 按处理机个数和种类划分 – 种类：单处理机、并行处理机、多处理机、分 布处理机、关联处理机、超标量处理机、超流 水线处理机、SMP（对称多处理机）、MPP （大规模并行处理机）、机群（Cluster）系统 等 5. 按所使用的器件划分 – 种类： 第一代(Valve) 第二代(Transitor) 第三代(SSI和MSI)
– 由指令形式的低级机器语言驱动。 – 指令顺序执行，即一般按照指令在存储器中存放 的顺序执行，程序分支由转移指令实现。 – 运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数 据传送都途经运算器。运算器、存储器、输入输 出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集 中控制。 2. 改进：存储程序，存储器为中心，分散控制 – 从基于串行算法变为适应并行算法，出现了向量 计算机，并行计算机、多处理机等。
– 价格直线下降 例如：CPU芯片刚推出时1000美元，一年后降到 200美元 – 可靠性越来越高 芯片可靠性到达108小时，即连续使用1万年以上
失效率
使用期 时间t
2. 器件种类 – 通用片：大批量生产，CPU、存储器、 寄存器、逻辑门、… – 现场片：PLD、PAL、PROM、EPROM、 FPGA。… – 用户片：各种专用芯片 半用户片： 门阵列片等 3. 器件发展对组成技术的影响 – 器件速度与处理机工作主频 1955年第一台大型计算机IBM704机 处理机主频：12us，门延迟：0.5us
–
–
第2、3、4代，由应用、软件、硬件和器件 人员共同设计 将来：除器件设计之外，主要是软件设计
– 逻辑设计方法改变 过去逻辑设计很重要，尽量节省每一个芯片， 每一个门 目前的设计主要考虑：了解市场，尽量选择 通用芯片、标准芯片；结构化设计，规整、易读、 易诊断
–1.4.3 应用对系统结构发展的影响

–
路
1976年巨型向量计算机CRAY，采用ECL电
处理机主频：12.5ns，门延迟：0.5ns 目前: PentiumIII 600MHz， – Alpha 1000MHz 处理机主频：1.2ns，门延迟 < 0.1ns – 器件速度与指令执行时间 40多年来，器件速度提高小于104；指令执行加 快108 – 系统结构和组成技术的作用 器件速度的提高最慢，已经没有太大潜力
– 多倍性（multiplicity）：在系统性能瓶颈部件上 同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可 能个数 – 四种类型 单指令流单数据流SISD (Single Instruction Single Datastream); 单指令流多数据流SIMD (Single Instruction Multiple Datastream); 多指令流单数据 流MISD (Multiple Instruction Single Datastream); 多指令流多数据流MIMS (Multiple Instruction Multiple Datastream)
1.5

计算机系统的分类
–1.5.1 常见分类方法
1. 按大小划分 – 种类：巨型机、大型机、中型机、小型机、 微型机等。 – 划分原则：以性能为表征，按价格来划分 – 存在问题：划分的标准是随时间而变化