计算机系统结构设计的重要性

当前计算机的种类
1989IEEE电气与电子工程师委员会提出的 计算机分类：
个人计算机 Personal Computer (PC) 工作站 WorkStation (WS) 小型机 Mini Computer 中型机 Mainframe 小巨型机 Minisupercomputer 巨型机 Supercomputer * 网络并行计算机
多个处理器，对同一数据流进行处理
DS
IS
CU1
PE1
… …
…
MM1 … MMn
I/O
IS
CUn
PEn
DS
……
MM主存贮模块，SM共享存储器
在1999年生产的机器上 向后兼容： 1999年生产的机器上的程序，可以运行
在2002年生产的机器上 系列机： 同一厂家生产的机器 兼容机： 不同厂家生产的机器
Amdahl 470/480与IBM 370兼容
2、采用模拟与仿真的方法
在一种机器的系统结构上实现另一种 机器的系统结构
模拟方法：
采用纯软件的方法 速度慢
1985年VAS/785仅为1.5 MIPS，几乎停止不前。 有很多技术，经不起时间考验，已退出历史舞台。
1.4 计算机系统结构的发展
计算机系统结构发展历程
简单 复杂 极其 复杂
简单
复杂 极其 复杂
指令数少：加法和转移 指令数增加；寻址方式增加；指令格式复杂 以 VAX 为例: 304 条指令;指令长度:1B-64B;操作数不定:0-6 个; 操作数种类十几种; 寻址方式十几种; 所以控制器极其 复杂,通常用微程序设计,以便于修改,纠错,调试. RISC: CPI=1; 指令长度统一:32bit; 指令数少:几十条;寻址 方式少:1-2 种; Load/Store 结构; 硬接线控制器, 速度快.
１.单指令流单数据流 SISD
典型的SISD机器：传统的顺序计算机
SISD机器结构：
CU：控制部件 IS：指令流
PU：处理部件 MU：存储部件
DS：数据流
IS
IS
DS
I/O
CU
PU
MU
典型的SISD: 冯·诺依曼结构
典型结构：冯·诺依曼结构----传统的顺序计算机
主存
输入设备
运算器 控制器
输出设备
2.单指令流多数据流 SIMD
单指令流一多数据流 SIMD 超级计算机
单控制器、多处理单元和多对数据进行处理
IS
IS CU
从主 机 加
载程序
DS PU1
DS PUn
MM1 MMn
PU：处理单元 MM：本地存储器（分布存储器）
例：典型的SIMD结构
----H.J. Siegel 1979 提出的操作 控制器模型
计算机飞速发展的原因
技术进步
集成电路技术的进步，还有存储器（包括内外存）和 各类外设的进步。
特点：稳定发展，即按Moore定律发展，即微处理器性 能（按芯片上晶体管数定义）每18个月翻一番，即每 年提高58%。
计算机设计创新--体系结构的不断创新。
历程:简单复杂极其复杂简单复杂极其复杂 有时快，有时慢(1977年的VAX/780为１MIPS机器，
在A上模拟B A称为宿主机，B称为虚拟机
仿真方法：
采用微程序直接解释另一种机器指令 系统的方法 速度快
在A上仿真B A称为宿主机，B称为目标机
3、采用统一的高级语言方法
语言的标准化
应用对系统结构的影响
应用领域： （1）、科学计算 （2）、事物处理 （3）、实时控制 （4）、大存储器容量 （5）、图形学 （6）、人工智能
软件对系统结构的影响
软件危机 软件的可兼容性 软件的可移 植性
三种方法：系列机的方法、模拟与仿真的 方法、统一的高级语言的方法
1、采用系列机的方法
向上兼容： 486机器的程序，可以运行在586机器上 向下兼容： 586机器的程序，可以运行在486机器上 向前兼容： 2002年生产的机器上的程序，可以运行
今天计算机体系结构的研究内容
进一步提高单个微处理器的性能 基于微处理器的多处理器体系结构。 全面提高计算机的系统性能：
可用性，可维护性，可缩放性。 新型器件的处理器。
计算机系统的分类
当前计算机的种类 Flynn分类法
SISD SIMD MISD MIMD 冯氏分类法 Handle分类法 Kuck分类法
Von Neumann计算机的特征：
(1)、存储器，一维结构 (2)、存储器，一级地址空间 (3)、低级机器语言驱动 (4)、指令，顺序执行 (5)、以运算器为中心
计算机系统结构的改进：
(1)、并行算法 (2)、面向高级语言机器 (3)、面向操作系统机器 (4)、数据驱动型、需求驱动型 (5)、专用计算机 (6)、容错计算机 (7)、外围处理机、通信处理机 (8)、LSI、VLSI (9)、智能计算机
Proc.0 Men.0
Proc.1 Men.1
Proc.2 Men.2
……
互 连 网络
M = < N ， C ， I ， M ， R>
P
E 个 数
Cwk.baidu.com
U 指 令 集
C的 U指 送令
PE
屏 蔽 方 案
数功 据能 通 信
Proc.n-1 Men.n-1
3. 多指令流单数据流 MISD
多指令流一单数据流 MISD
Flynn分类法
Flynn分类法: 根据指令流和数据流的多倍性对计 算机系统结构进行分类， 基本思想:是计算机工作过程是指令流的执行和数 据流的处理。
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） 多倍性：在系统性能的瓶颈部件上处于同一执行
阶段的指令或数据的最大个数。
通用机和专用机
1.4.5 器件对系统结构的影响
那时看来使用大型计算机在经济上是合算 的，现在许多用户共享一台大型机看来并 不非常经济了 用户片 现场片 通用片
标量 体系结构演化过程
顺序
先行
I/E重叠
功能并行
多功能部件
流水线
隐式向量
显式向量
m-m
r-r
SIMD
MIMD
联想处理机 多处理机阵列 多计算机 多处理机
指令数增加; CPI 接近于 1; 寻址方式有所扩大;
乱序执行 ;投机 执行 ;动 态调度 ;多发 射指; 令;超标 量计算 机 ; VLIW 超长指令字;极其复杂指:充分挖掘指令级并行性带来 的复杂性.控制器仍为硬接线,保持速度快的特征.
存储器
输入
运算器
输出
控制器 数据线路 控制信号
图 1-1 计算机的基本结构