计算机体系结构动画视频课件第5章.ppt.ppt
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计算机体系结构完整讲义ppt课件
• 计算机的更新换代
– 第一代：电子管计算机 – 第二代：晶体管计算机
硬件设计公理： 越小越快
– 第三代：中小规模集成电路
– 第四代：大或超大规模集成电路
– 第五代：VLSI(甚大规模集成电路)
计算机性能的大幅度提高和更新换代，一方面依靠 器件的不断更新，同时也依赖系统结构的不断改进。
30
二 按计算机系统成本分类
• 是对计算机系统中各机器级之间界面的划 分和定义，以及对各级界面上、下的功能 进行分配
– 1964年，IBM/360系列机的总设计工程师G.M. Amdahl、G.A. Blauw、F.P. Brooks等人提出。 也称体系结构。
– 是从程序员的角度所看到的系统的属性，是 概念上的结构和功能上的行为
• 1.2.2 计算机系统的设计方法
• ---软硬件舍取的基本原则 • ---计算机系统设计者的主要任务 • ---计算机系统设计的基本方法 （三种）
• 计算机语言：是用以描述控制流程的、 有一定规则的字符集合
– 语言不是专属软件范畴，可以介属于计算机 系统的各个层次，具有不同作用
4
1.1.1计算机系统的多级层次结构
从使用语言的角度上，将计算机系统 看成按功能划分的多级层次结构
机器、汇编、高级、应用语言
低级
高级
后者比前者功能更强、使用更方便；
而前者是后者发展的基础，在单条指令的 执行速度相比较，前者更快。
•第1章 •第2章 •第3章 •第4章 •第5章 •第6章
计算机系统设计基础 数据表示与指令系统性能分析 流水技术和向量处理 阵列计算机 多处理机系统 数据流计算机
1
第1章 计算机系统设计基础
• 1.1 计算机系统的基本概念 • 1.2 计算机系统的设计技术 • 1.3 计算机系统的性能评价 • 1.4 计算机系统结构的发展
计算机系统的组成与工作原理ppt课件
工作原理
参照人类大脑的工作方式，首先我们通过眼 睛、耳朵等感觉器官，将捕捉到的信息输送到 大脑并存储起来。然后经过思考，结合已掌握 的知识，按照一定的方法和步骤，对信息进行 加工处理，产生处理结果。然后在经过大脑的 控制，利用口、手等器官，把结果表达出来。 计算机的工作方式也是类似的：
计算机工作原理
它是计算机的核心部件，负责解释执行计算机的基 本指令，完成计算机对各种信息的加工处理工作。 它主要由运算器和控制器组成。
信息处理 的核心
信息处理的 指挥中心
现在市场上常用的是AMD处理器、英特尔处理器等。
AMD处理器
Intel处理器
主 机 板
二、存储器
（1）内存储器，简称内存，也叫主存储器。 用于存储计算机当前工作中正在运行的程序、 数据等，相当于计算机内部的存储中心。
操作系统有DOS、windows等，我们常用的 WINDOWS 是一个多任务、多窗口的操作系统 。
应用软件是为了解决一些实际问题的计算机程序。 我们在计算机上作画，需要作图软件如photoshop, 作动画需要动画软件flash，我们写文章要用文字 编辑软件，如microsoft word，老师做课件用ppt 等。
注意：在我们使用完USB移动存储器时，一定要在计算机上进行“安全 删除硬件”的操作。等WINDOWS通知可以移除设备时，才可以从USB接口 中拔出设备
内 存 条
U 盘
光驱
三、输入设备：用于计算机从外界获取信息
键
鼠
盘
标
摄 像 头 扫描仪
数码相机
四、输出设备：用于将信息传递给外界 打 印 机
显 示 器
数据输入 输入设备
运算器 存储器
输出 设备 输出 结果
《计算机体系结构》课件
ABCD
理解指令集体系结构、处 理器设计、存储系统、输 入输出系统的基本原理和 设计方法。
培养学生对计算机体系结 构领域的兴趣和热情，为 未来的学习和工作打下坚 实的基础。
CHAPTER
02
计算机体系结构概述
计算机体系结构定义
计算机体系结构是指计算机系统的整 体设计和组织结构，包括其硬件和软 件的交互方式。
CHAPTER
06
并行处理与多核处理器
并行处理概述
并行处理
指在同一时刻或同一时间间隔内 完成两个或两个以上工作的能力
。
并行处理的分类
时间并行、空间并行、数据并行和 流水并行。
并行处理的优势
提高计算速度、增强计算能力、提 高资源利用率。
多核处理器
1 2
多核处理器
指在一个处理器上集成多个核心，每个核心可以 独立执行一条指令。
间接寻址
间接寻址是指操作数的有效地址通过寄存器间接给出，计算机先取出 寄存器中的地址，再通过该地址取出操作数进行操作。
CHAPTER
04
存储系统
存储系统概述
存储系统是计算机体系结构中 的重要组成部分，负责存储和 检索数据和指令。
存储系统通常由多个层次的存 储器组成，包括主存储器、外 存储器和高速缓存等。
《计算机体系结构》ppt 课件
CONTENTS
目录
• 引言 • 计算机体系结构概述 • 指令系统 • 存储系统 • 输入输出系统 • 并行处理与多核处理器 • 流水线技术 • 计算机体系结构优化技术
CHAPTER
01
引言
课程简介
计算机体系结构是计算机科学的一门核心课程，主要研究计算机系统的基本组成、组织结构、工作原 理及其设计方法。
第5章-计算机体系结构-95页PPT资料
一种最简单的流水线方式 如果两个过程的时间相等，则执行n条指
令的时间为：T=(1+2n)t
取指 分析 执行 取指 分析 执行 取指 分析 执行
主要优点： 指令的执行时间缩短 功能部件的利用率明显提高
主要缺点： 需要增加一些硬件 控制过程稍复杂
3、二次重叠执行方式
如果三过程的时间相等，执行n条指令的 时间为：T=(2+n)t
5.2.1 流水线工作原理
1、简单流水线
输 分析器 流水 执行部件 流水 输 入 分析k+1 锁存器 执行k 锁存器 出
t1
t2
流水线的每一个阶段称为流水步、流水
步骤、流水段、流水线阶段、流水功能
段、功能段、流水级、流水节拍等。`
在每一个流水段的末尾或开头必须设置一个寄 存器，称为流水寄存器、流水锁存器、流水闸 门寄存器等。会增加指令的执行时间。
时间
静态流水线时空图
空间
浮点加法 定点乘法
输出
1 2 3 …… n 1 2 3 …
累加
1 2 3 4…
尾数乘
1 2 3 4 5…
规格化
1 2 3 …… n
尾数加
1 2 3 …… n
对阶
1 2 3 …… n
求阶差 1 2 3 … … n
输入 1 2 3 … … n
1 2 3 4 5 6…
0
时间
动态流水线时空图
动态流水线： 在同一段时间内，多功能流水线中的各段可以按 照不同的方式连接，同时执行多种功能。
空间
浮点加法 定点乘法
输出
1 2 3…n
1…
累加
1 2…
尾数乘
1 2 3…
令的时间为：T=(1+2n)t
取指 分析 执行 取指 分析 执行 取指 分析 执行
主要优点： 指令的执行时间缩短 功能部件的利用率明显提高
主要缺点： 需要增加一些硬件 控制过程稍复杂
3、二次重叠执行方式
如果三过程的时间相等，执行n条指令的 时间为：T=(2+n)t
5.2.1 流水线工作原理
1、简单流水线
输 分析器 流水 执行部件 流水 输 入 分析k+1 锁存器 执行k 锁存器 出
t1
t2
流水线的每一个阶段称为流水步、流水
步骤、流水段、流水线阶段、流水功能
段、功能段、流水级、流水节拍等。`
在每一个流水段的末尾或开头必须设置一个寄 存器，称为流水寄存器、流水锁存器、流水闸 门寄存器等。会增加指令的执行时间。
时间
静态流水线时空图
空间
浮点加法 定点乘法
输出
1 2 3 …… n 1 2 3 …
累加
1 2 3 4…
尾数乘
1 2 3 4 5…
规格化
1 2 3 …… n
尾数加
1 2 3 …… n
对阶
1 2 3 …… n
求阶差 1 2 3 … … n
输入 1 2 3 … … n
1 2 3 4 5 6…
0
时间
动态流水线时空图
动态流水线： 在同一段时间内，多功能流水线中的各段可以按 照不同的方式连接，同时执行多种功能。
空间
浮点加法 定点乘法
输出
1 2 3…n
1…
累加
1 2…
尾数乘
1 2 3…
计算机系统结构随书ppt 清华大学出本社第5章_2
2013-8-19 21
单发射处理机的指令流水线时空图 1 IF 2 ID IF 3 4 5 6 时钟 周期 EX WR ID EX WR IF ID EX WR
I1 I2 I3
指令
2013-8-19
22
来自指 令Cache IF ID
FA1 FA2 FA3 浮点加法部件 MD1MD2MD3 乘除法部件 AL 定点ALU部件 LS 取数存数部件 WR 通用寄存器 后行写数栈
K: R0=R1*R4
K+1: K+2: K+3: K+4: K+5:
2013-8-19
R6=R5+1 R2=R0*R3 R3=R4-1 R2=R5 ……
RAW WAR WAW
9
5.3.2 控制相关
指由条件分支指令、转子程序指令、中断等 引起的相关。 1、无条件转移指令 利用专用指令分析器解决 2、一般条件转移 影响较小 3、复合条件转移 影响较大
超标量、超流水、超标量超流水处理机的主要性能
2013-8-19 16
5.4.1 基本结构
一般流水线处理机： 一条指令流水线， 一个多功能操作部件，每个时钟周期 平均执行指令的条数小于1。 多操作部件处理机： 一条指令流水线， 多个独立的操作部件，操作部件可以 采用流水线，也可以不流水。多操作 部件处理机的指令级并行度小于1。
5.5 超流水线处理机
5.5.1 指令执行时序
5.5.2 典型处理机结构
5.5.3 超流水线处理机 性能
2013-8-19 34
5.5 超流水线处理机
两种定义： 一个周期内能够分时发射多条指令的 处理机称为超流水线处理机 指令流水线有8个或更多功能段的流水 线处理机称为超流水线处理机 提高处理机性能的不同方法： 超标量处理机是通过增加硬件资源为 代价来换取处理机性能的 超流水线处理机则通过各硬件部件充 分重叠工作来提高处理机性能 两种不同并行性： 超标量处理机采用的是空间并行性 超流水线处理机采用的是时间并行性
单发射处理机的指令流水线时空图 1 IF 2 ID IF 3 4 5 6 时钟 周期 EX WR ID EX WR IF ID EX WR
I1 I2 I3
指令
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来自指 令Cache IF ID
FA1 FA2 FA3 浮点加法部件 MD1MD2MD3 乘除法部件 AL 定点ALU部件 LS 取数存数部件 WR 通用寄存器 后行写数栈
K: R0=R1*R4
K+1: K+2: K+3: K+4: K+5:
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R6=R5+1 R2=R0*R3 R3=R4-1 R2=R5 ……
RAW WAR WAW
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5.3.2 控制相关
指由条件分支指令、转子程序指令、中断等 引起的相关。 1、无条件转移指令 利用专用指令分析器解决 2、一般条件转移 影响较小 3、复合条件转移 影响较大
超标量、超流水、超标量超流水处理机的主要性能
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5.4.1 基本结构
一般流水线处理机： 一条指令流水线， 一个多功能操作部件，每个时钟周期 平均执行指令的条数小于1。 多操作部件处理机： 一条指令流水线， 多个独立的操作部件，操作部件可以 采用流水线，也可以不流水。多操作 部件处理机的指令级并行度小于1。
5.5 超流水线处理机
5.5.1 指令执行时序
5.5.2 典型处理机结构
5.5.3 超流水线处理机 性能
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5.5 超流水线处理机
两种定义： 一个周期内能够分时发射多条指令的 处理机称为超流水线处理机 指令流水线有8个或更多功能段的流水 线处理机称为超流水线处理机 提高处理机性能的不同方法： 超标量处理机是通过增加硬件资源为 代价来换取处理机性能的 超流水线处理机则通过各硬件部件充 分重叠工作来提高处理机性能 两种不同并行性： 超标量处理机采用的是空间并行性 超流水线处理机采用的是时间并行性