第1章-计算机设计基本原理(第1讲)

高级计算机系统结构

朱更明

hnustcs@

湖南科技大学计算机学院

主要参考书（一）

Computer Architecture ——A Quantitative Approach（英文版第4版）

David A. Patterson John L. Hennessy

机械工业出版社

主要参考书（二）

计算机系统结构——量化研究方法（第四版）D avid A. Patterson, John L. Hennessy著

白跃彬等译电子工业出版社

主要参考书（三）计算机系统结构（第二版）郑纬民等

清华大学出版社

上课时间

周五5～8节

院会议室

计算机体系结构定义(1)经典的“计算机体系结构”定义是1964年C. M. Amdahl在介绍IBM 360系统时提出：计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。

指令集设计：

•早期：指令集设计具有至关重要的作用

•今天：指令集趋向于相同（差别很小）

•存在问题：与计算机的功能设计，逻辑设计以及实现技术分割开来是不科学的。

•今天：指令集几乎相同的不同机器，其性能差异很大。

计算机体系结构定义(2)

正确的定义：

计算机体系结构应包括指令集设计，计算机组成设计与硬件（硬件与逻辑设计）。

例：

•指令集相同，组成不同的机器：

VAX11/780--SPARC2; VAX8600--SPARC20;

•指令集相同，组成也相同：

VAX11/780--VAX11/785, 后者IC工艺比780先进。不同型号的Indy(时钟和Cache不同）

学习体系结构的目的是什么？

学习和把握将决定二十一世纪计算机具体形态的设计技术、及其结构、工艺要素、评价方法等；

每位计算机科学家和工程人员都应了解计算机的内部机理；

•一些人将设计、制造计算机；

•每个人都将使用计算机；

了解得越多，使用得越有效。

以用户为中心的计算机系统

将使你能够更好地启迪用户

考虑整个计算机系统：处理器、存储器、I/O、存储系统、网络

收益收获

如何使得程序运行得更快

应用程序需要哪种类型的硬件支持

技术、结构将如何变化

有没有必要学习计算机设计技术？

放弃微处理器的设计与OS的研究和开发曾是

我们的国策

现在已开始反省这一国策，开发自己的处理器和OS

在今天后PC时代更有必要。因为在后PC时代，计算机的主要作用不再是独立使用的机器，而是一个应用系统或设备的组件

学习方法

定量原理；

分析、测试现有机器；

找出问题，分析改进措施的定量效果。

相关连接

❑David A. Patterson

/~pattrsn/

❑WWW Computer Architecture Home Page /~arch/www/

❑Department of Electrical Engineering and Computer Sciences

/

计算机市场

桌面电脑；

服务器；

嵌入式计算机；

是指安装在其他设备中的计算机。

▪实时；

▪最小化存储器；

▪最小化功耗；

计算机的实现

计算机的实现包括两个内容；

组织

组织涵盖了计算机设计的高层次方面，如存储器系统、总线结构以及内部的CPU的设计；

硬件

硬件指计算机实现的具体细节，这可能包

括具体的逻辑设计和封装设计。

计算机技术发展综述(1)

1946年: 在二次世界大战期间研制成功的世界上第一台电子计算机ENIAC (Electronic Numerical Intergrator and Calculator)正式对外宣布。

用途：军用；

体积：100英尺长×8.5英尺高×n英尺宽；组成：18000真空管；

指令数：不足10条，加法，数据传输与转移。

计算机技术发展综述(2)

50余年来计算机技术有了惊人的发展•性能：（加法）速度提高了5个数量级•价格：今天$1000的机器相当于60年代中$106的机器，这里同性能计算机的价格比，改善了３个数量级。

计算机技术发展综述(3)

计算机技术快速进步的原因一：

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%。

计算机技术发展综述(4)

计算机技术快速进步的原因二

计算机设计创新，即计算机体系结构的不断创新。

•经历了由简单→复杂→极其复杂→简单→复杂→极其复杂的经历

•有时快，有时慢(1977年的VAX/780为１MIPS机器，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。

计算机技术发展综述(5)

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。（光速极限问题）

•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：如光计算机；新原理的计算机（生物，分子，又提出了DNA 计算机)。