计算机组成与系统结构概述

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图1-5冯氏分类法及典型计算机系统
按照最大并行度的不同，冯氏分类法将计算机系 统分为以下4种。
（1）字串位串型（Word Serial Bit Serial， WSBS）：n=1，m=1 （2）字串位并型（Word Serial Bit Parallel， WSBP）：n=1，m＞1 （3）字并位串型（Word Parallel Bit Serial， WPBS）：n＞1，m=1 （4）字并位并型（Word Parallel Bit Parallel， WPBP）：n＞1，m＞1
• 1．机械计算时代（1642～1945年）机械 式 • 2．第一代电子计算机（1946年至20世纪 50年代末期） 电子管 • 3．第二代计算机（20世纪50年代末期至 60年代中期） 晶体管 • 4．第三代计算机（20世纪60年代中期至 70年代初期） ＳＳＩ和ＭＳＩ • 5．第三代以后的计算机（20世纪70年代 初开始） ＬＳＩ和ＶＬＳＩ
• 2．计算机组成 计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实 现。
• 3．计算机实现 计算机实现是指计算机组成的物理实现。
1.2 计算机系统的层次结构
计算机系统由硬件和 软件构成，如果以硬件 为核心，计算机系统可 以用图1-1表示。
用户 软件 硬件
图1-1 计算机硬件、软件和用户
图1-2描述了计 算机的层次结构。
m（字数） 16 384 MPP （ 1，16 384）
288 256 STARAN （ 1，256）
PEPE （ 32， 288）
ILLIAC-IV 64 32 16 Cmmp （ 16， 16） EDVAC （ 1 ，1 ） 1 PDP-11 （ 16， 1） 16 IBM 370/168 （ 32， 1） n（字宽） 32 64 （ 64， 64） TI-ASC （ 64， 32）
1.1.2
计算机的应用
• 1．科学计算 • 2．数据处理 • 3．实时控制 • 4．计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造 (CAM)/计算机集成制造系统 • 5．计算机信息管理
1.1.3 计算机系统结构、计算机 组成和计算机实现
• 1．计算机系统结构 计算机体系结构，其英文为“Compuer Architecture”主要研究计算机系统的设计。
第1章 计算机组成与系统 结构概述
本章主要内容：
• 本章将讲述计算机发展、计算机系统构成、 计算机组成、计算机实现和计算机系统结 构等概念；同时介绍计算机系统结构的分 类、计算机系统的性能评价等内容。重点 掌握计算机系统结构的层次结构、计算机 系统结构的分类和计算机系统的性能评价 标准等。
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
1.5 计算机系统结构的评价
1.5.1 系统运行速度 • 1．MIPS 指计算机系统每秒钟能执行百万条指令的 数量。 MIPS=指令条数/执行时间 • 2．MFLOPS MFLOPS是指每秒钟百万次浮点运算数。 MFLOPS=程序中的浮点运算次数/运行时间
• 3．标准程序测试法 （1）基准测试程序 System Performance Evaluation Corporation （2）整数测试程序：Dhrystone （3）浮点测试程序：Linpack （4）Whetstone基准测试程序 （5）TPC基准程序 Transaction Processing Council（事务处理委员会）
下表列出了Flynn分类法以及每种计算机的实例。
表1-2 计算机系统Flynn分类法
指
令
流
数
据
流
名
称
举
例
1
1 多个 多个
1
多个 1 多个
SISD
SIMD MISD MIMD
传统的冯· 诺伊曼计算机
超级向量计算机，阵列处 理机 目前还没有 多处理器，多计算机
1.4.2 冯氏分类法
图1-5所示为冯氏分类法对计算机系统的划分情况， 其中的点为一些典型的计算机系统。
1.4.3 海德勒分类法
Händler分类法实际上也可以称作Händler表示 法，它是对计算机的整体并行度进行的一种表示 法。 Händler表示法用如下形式表示计算机的结构特 征，即t（系统型号）=（k，d，w）。 其中，程序控制部件的个数为k，算术逻辑部件 或处理部件的个数为d，每个算术逻辑部件包含的基 本逻辑线路套数为w。
计算机系统概念 计算机系统的层次结构 计算机系统组成 计算机系统结构的分类 计算机系统结构的评价 计算机系统结构的发展
1.1 计算机系统概念
1.1.1 计算机的产生与发展
世界上第一台电子计算机诞生于1946年， 是由美国宾西法尼亚大学摩尔学院机电系莫 克利（J.Mauchly）教授及其同事们共同研制 成功的，称为电子数字积分器和计算机 （Electronic Numerical Integrator And Computer，ENIAC）。
… …
输入输出设备 主存储器 键盘 显示器
总线 县
图1-3 一台简单的计算机硬件组成图
1.4 计算机系统结构的分类
1.4.1 弗林分类法
按照指令流和数据流的多寡，Flynn将计算机体 系结构分成4种类型。 （1）单指令流单数据流（Single Instruction stream Single Data stream，SISD）计算机。 （2）单指令流多数据流（Single Instruction stream Multiple Data stream，SIMD）计算机。 （3）多指令流单数据流（Multiple Instruction stream Single Data stream，MISD）计算机。 （4）多指令流多数据流（Multiple Instruction stream Multiple Data stream，MIMD）计算机。
ห้องสมุดไป่ตู้
应用程序
用户
高级语言
高级语言程序员
汇编语言
汇编语言程序员
操作系统
系统操作员
机器语言
机器语言程序员
硬件计算机
结构与接口设计者
图1-2 计算机系统的层次结构
微处理器核心
逻辑工艺设计者
1.3 计算机系统组成
CPU内部也由相对独立的几个部分组成， 如图1-3所示。
中央处理器(CPU) 控制器 算术逻辑部 件（ALU） 寄存器组