单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,并行计算机体系结构,技术与分析,杨晓霞,Email,：,,Tel:15653802251,授课内容,计算机系统结构的演变,并行计算机系统的性能度量,流水和向量处理,并行存储系统和同步机制,互联网络,第一章 计算机体系结构的演变,计算机性能的高速增长受益于：,电路技术的发展,体系结构技术的发展,计算机系统中的层次概念,计算机系统软件硬件,/,固件,计算机语言由低级向高级发展,高一级语言的语句相对于低级语言功能更强，更便于应用，但又都以低级语言为基础从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构第一章 计算机体系结构的演变,计算机硬件系统五大功能部件包括：,运算器,、,控制器,存储器,（高速缓存 主存储器 虚拟存储器）,输入设备、输出设备,这些设备和部件通过 总线 和,接口 连结在一起，构成一台完整的计算机，如下图所示：,第一章 计算机体系结构的演变,输入设备,输出设备,输入出接口和总线,控 制 器,运 算 器,虚拟存储器,主存储器,高速缓存,第一章 计算机体系结构的演变,数据运算部件,计算机控制部件,数据存储,部件,接口线路,数据输入设备,接口线路,结果输出设备,数据总线,地址总线,控制总线,计算机主机,计算机,外围设备,计算机的,CPU,第一章 计算机体系结构的演变,存储器,部件,运算器,部件,控制器,部件,输入,设备,输出,设备,运算器,部件,存储器,部件,控制器,部件,输出,设备,输入,设备,方案（,a,）,方案（,b,）,围绕运算器部件构建系统 围绕存储器部件构建系统,第一章 计算机体系结构的演变,运 算 器,运算器部件是计算机中进行数据加工的部件，其主要功能包括：,1.,执行数值数据的加减乘除等,算术运算,，,执行逻辑数据的与或非等,逻辑运算,，,由一个被称为,ALU,的线路完成。
2.,暂时存放参加运算的数据和中间结果，,由多个通用寄存器和乘商寄存器承担3.,运算器通常也是,数据传输的通路,第一章 计算机体系结构的演变,控 制 器,运 算 器,控制器是计算机中控制执行指令的部件，向计算机各功能部件提供每一时刻协同运行所需要的控制信号：,1.,正确分析与执行每条指令：,取指令,分析指令,执行指令2.,保证指令按规定序列自动连续地执行3.,对各种异常情况和请求及时响应和处理第一章 计算机体系结构的演变,虚拟存储器,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,由高速缓冲存储器、主存储器、虚拟,存储器所组成的多级存储器系统，是计算,机中用于存储程序和数据的部件这三级,存储器各自的功能分工、所用的存储介质,的工作原理和特性各不相同,第一章 计算机体系结构的演变,输入设备,虚拟存储器,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,输入设备是向计算机中送入程序和数据的具有一定独立功能的设备，通过 接口 和 总线与计算机主机连通，用于人机交互联系，如计算机键盘和鼠标等第一章 计算机体系结构的演变,输入设备,输出设备,虚拟存储器,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,输出设备是计算机中用于送出计算机内部信息的设备，例如打印机、显示器等。
第一章 计算机体系结构的演变,输入设备,输出设备,虚拟存储器,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,这些部件和设备通过总线和接口连接在一起,构成计算机整机系统，协同运行,入出接口和总线,第一章 计算机体系结构的演变,计算机软件要,包含语言支持功能计算机通常使用它的硬件可以直接识别、用电子线路容易处理的一种语言，这就是计算机的机器语言，又称为二进制代码语言，也就是计算机的指令；使用计算机的人员往往要使用更,“,高级,”,一些的汇编语言和高级程序设计语言，在这两种语言之间需要完成必要的处理和翻译计算机软件还要为计算机系统本身提供性能良好的资源管理功能，为使用人员提供尽可能多的帮助把资源管理和调度功能留给计算机系统软件来完成更可靠，完成这一功能的软件就是计算机的操作系统操作系统的存在，又为使用计算机的用户提供了许多支持，与程序设计语言相结合，使得程序设计更简化，建立用户的应用程序和操作计算机更方便第一章 计算机体系结构的演变,软件,硬件或固件,多级层次结构,(1),虚拟机：由软件实现的机器2),语言实现的两种基本技术,翻译：先把,N+1,级程序全部变换成,N,级程序后，再去执行,新产生的,N,级程序，在执行过程中,N+1,级程序不再被访问。
解释：每当一条,N+1,级指令被译码后，就直接去执行一串,等效的,N,级指令，然后再去取下一条,N+1,级的指令，依此,重复进行解释执行比翻译花的时间多，但存储空间占用较少第一章 计算机体系结构的演变,1.,计算机体系结构的定义：,程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性2.,按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性3.,透明性 在计算机技术中，对这种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看又好象不存在第一章 计算机体系结构的演变,4.Amdahl,提出的体系结构：传统机器级的体系结构即一般所说的机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性5.,对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指：,(1),数据表示（硬件能直接辩认和处理的数据类型）,(2),寻址规则（包括最小寻址单元、寻址方式及其表示）,(3),寄存器定义（包括各种寄存器的定义、数量和使用方式）,第一章 计算机体系结构的演变,(4),指令集（包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排 序和控制机构等）,(5),中断系统（中断的类型和中断响应硬件的功能等）,(6),机器工作状态的定义和切换（如管态和目态等）,(7),存储系统（主存容量、程序员可用的最大存储容量等）,第一章 计算机体系结构的演变,(8),信息保护 （包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持）,(9)I/O,结构 （包括,I/O,连接方式、处理机,/,存储器与,I/O,设备 间数据传送的方式和格式以及,I/O,操作的状态等）,经典计算机体系结构概念的实质：,计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。
第一章 计算机体系结构的演变,计算机组成：计算机体系结构的逻辑实现研究硬件系统各组成部分的内部构造和相互联系,以实现机器指令级的各种功能和特性,包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等目标是最合理地方式将各种设备和部件连接为计算机,以达到最优的性价比,从而实现所确定的系统结构,2.,计算机实现：计算机组成的物理实现它包括处理机、主存等部件的物理结构,器件的集成度和速度,信号传输，器件、模块、插件、底板的划分与连接,专用器件的设计,电源、冷却、装配等技术以及有关的制造技术和工艺等它着眼于器件技术和微组装技术一种体系结构可以有多种组成,;,一种组成可以有多种物理实现第一章 计算机体系结构的演变,(2),IBM PC,系列机,（处理器、处理器字宽、主要,I/O,总线、存储空间、主要操作系统和计算机结构）,如：,IBM 370,系列有,370/115,、,125,、,135,、,145,、,158,、,168,等一系列从低速到高速的各种型号3.,系列机,(1),系列机,在一个厂家内生产的具有相同的体系结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器第一章 计算机体系结构的演变,第一章 计算机体系结构的演变,第一章 计算机体系结构的演变,第一章 计算机体系结构的演变,计算机,PC,和,PC XT,PC AT,80386 PC,80486 PC,Pentium PC,Pentium II PC,Pentium III PC,Pentium 4 PC,时间,1981,1982,1985,1989,1993,1997,1999,2000,处理器,8088,80286,80386,80486,Pentium,Pentium II,Pentium III,Pentium 4,字宽,16,位,16,位,32,位,32,位,32,位,32,位,32,位,32,位,主要,I/O,总线,PC,总线,AT,（,ISA,）,ISA/EISA,ISA+VL,ISA+PCI,ISA+PCI+AGP,PCI+AGP+USB,PCI-X+AGP+USB,存储空间,20,位,24,位,32,位,32,位,32,位,32,位,32,位,32,位,主要操作系统,DOS,DOS,、,XENIX,DOS,、,Windows 3.0,DOS,、,Windows 3.1,DOS,、,Windows 3.1,Windows 95,Windows 98,、,2000,Windows Me,、,XP,第一章 计算机体系结构的演变,4.,软件兼容,:,同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于有不同的运行时间。
第一章 计算机体系结构的演变,向上,(,下,),兼容：按某档机器编制的程序，不加修改的就能运,行于比它高,(,低,),档的机器向前,(,后,),兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的,程序，不加修改地就能运行于在它之前,(,后,),投入市场的机器向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征5.,兼容机,不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机第一章 计算机体系结构的演变,1.3,计算机体系结构的发展,存储程序计算机体系结构及其发展,第一章 计算机体系结构的演变,1.,存储程序计算机的主要特点,(1),机器以运算器为中心；,(2),采用存储程序原理；,(3),存储器是按地址访问的、线性编址的空间；,(4),控制流由指令流产生；,(5),指令由操作码和地址码组成；,(6),数据以二进制编码表示，采用二进制运算,第一章 计算机体系结构的演变,2.,对体系结构进行的改进,(1),分布的,I/O,处理能力,以运算器为中心带来了慢速输入输出操作占用快速运算器的问题为了解决这一问题，人们提出了各种输入输出方式第一章 计算机体系结构的演变,第一章 计算机体系结构的演变,(2),保护的存储器空间,是否把指令和数据放在同一存储器中？,优点,:,不必预先区分指令和数据，易实现存储管理软件；,程序和指令在执行过程中可以被修改，因而可以编写出灵,活的可修改的程序；,对于存取指令和数据仅需一套读,/,写和寻址电路，硬件简单；,数据可以分配于任何可用空间，从而可更有效地利用存储,空间等。
第一章 计算机体系结构的演变,缺点：,不利于进行程序调试诊断；,不利于实现程序的可再入性和程序的递归调用；,不利于重叠和流水方式的操作现在绝大多数计算机都规定，在执行进程中不准修改程序第一章 计算机体系结构的演变,(3),存储器组织结构的发展,相联存储器和相联处理机,通用寄存器,高速缓冲存储器和多级存储器组织结构,(4),并行处理技术,如何挖掘传统机器中的并行性？,改进,CPU,的组成,重叠方式,先行控制,第一章 计算机体系结构的演变,在体系结构上对某些计算问题实现并行计算如向量计算,多机并行处理系统,把一个作业,(,程序,),划分成能并行执行的多个任,务,(,程序段,),，把每个任务分配给一个处理机执行,多操作部件,流水方式,第一章 计算机体系结构的演变,复杂指令集计算机,(CISC),精简指令集计算机,(RISC),(5),指令集结构的发展,指令集的功能,指令的地址空间和寻址方式,多种灵活的寻址方式第一章 计算机体系结构的演变,计算机的分代和分型,1.,计算机到目前为止已经发展了五代,这五代计算机分别具有明显的器件、体系结,构技术和软件技术的特征2.,计算机可以根据价格分为五个档次：,巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机,第一章 计算机体系结构的演变,第一代,(1945-1954),电子管和继电器,存储程序计算机、程序。