并行計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第一章

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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,并行計算機(jī)體系結(jié)構(gòu),技術(shù)與分析,楊曉霞,Email,：,,Tel:15653802251,授課內(nèi)容,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變,并行計算機(jī)系統(tǒng)的性能度量,流水和向量處理,并行存儲系統(tǒng)和同步機(jī)制,互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,計算機(jī)性能的高速增長受益于：,電路技術(shù)的發(fā)展,體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展,計算機(jī)系統(tǒng)中的層次概念,計算機(jī)系統(tǒng)軟件硬件,/,固件,計算機(jī)語言由低級向高級發(fā)展,高一級語言的語句相對于低級語言功能更強(qiáng)，更便于應(yīng)用，但又都以低級語言為基礎(chǔ)。,從計算機(jī)語言的角度，把計算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級層次

2、結(jié)構(gòu)。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,計算機(jī)硬件系統(tǒng)五大功能部件包括：,運算器,、,控制器,存儲器,（高速緩存 主存儲器 虛擬存儲器）,輸入設(shè)備、輸出設(shè)備,這些設(shè)備和部件通過 總線 和,接口 連結(jié)在一起，構(gòu)成一臺完整的計算機(jī)，如下圖所示：,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,輸入出接口和總線,控 制 器,運 算 器,虛擬存儲器,主存儲器,高速緩存,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,數(shù)據(jù)運算部件,計算機(jī)控制部件,數(shù)據(jù)存儲,部件,接口線路,數(shù)據(jù)輸入設(shè)備,接口線路,結(jié)果輸出設(shè)備,數(shù)據(jù)總線,地址總線,控制總線,計算機(jī)主機(jī),計算機(jī),外圍設(shè)備,計算機(jī)的,CPU,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,存儲

3、器,部件,運算器,部件,控制器,部件,輸入,設(shè)備,輸出,設(shè)備,運算器,部件,存儲器,部件,控制器,部件,輸出,設(shè)備,輸入,設(shè)備,方案（,a,）,方案（,b,）,圍繞運算器部件構(gòu)建系統(tǒng) 圍繞存儲器部件構(gòu)建系統(tǒng),第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,運 算 器,運算器部件是計算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)加工的部件，其主要功能包括：,1.,執(zhí)行數(shù)值數(shù)據(jù)的加減乘除等,算術(shù)運算,，,執(zhí)行邏輯數(shù)據(jù)的與或非等,邏輯運算,，,由一個被稱為,ALU,的線路完成。,2.,暫時存放參加運算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，,由多個通用寄存器和乘商寄存器承擔(dān)。,3.,運算器通常也是,數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,控 制 器,運 算 器

4、,控制器是計算機(jī)中控制執(zhí)行指令的部件，向計算機(jī)各功能部件提供每一時刻協(xié)同運行所需要的控制信號：,1.,正確分析與執(zhí)行每條指令：,取指令,分析指令,執(zhí)行指令。,2.,保證指令按規(guī)定序列自動連續(xù)地執(zhí)行。,3.,對各種異常情況和請求及時響應(yīng)和處理。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,虛擬存儲器,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,由高速緩沖存儲器、主存儲器、虛擬,存儲器所組成的多級存儲器系統(tǒng)，是計算,機(jī)中用于存儲程序和數(shù)據(jù)的部件。這三級,存儲器各自的功能分工、所用的存儲介質(zhì),的工作原理和特性各不相同,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,輸入設(shè)備,虛擬存儲器,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,

5、輸入設(shè)備是向計算機(jī)中送入程序和數(shù)據(jù)的具有一定獨立功能的設(shè)備，通過 接口 和 總線與計算機(jī)主機(jī)連通，用于人機(jī)交互聯(lián)系，如計算機(jī)鍵盤和鼠標(biāo)等。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,虛擬存儲器,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,輸出設(shè)備是計算機(jī)中用于送出計算機(jī)內(nèi)部信息的設(shè)備，例如打印機(jī)、顯示器等。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,虛擬存儲器,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,這些部件和設(shè)備通過總線和接口連接在一起,構(gòu)成計算機(jī)整機(jī)系統(tǒng)，協(xié)同運行,。,入出接口和總線,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,計算機(jī)軟件要,包含語言支持功能。計算機(jī)通常使用它的硬件可

6、以直接識別、用電子線路容易處理的一種語言，這就是計算機(jī)的機(jī)器語言，又稱為二進(jìn)制代碼語言，也就是計算機(jī)的指令；使用計算機(jī)的人員往往要使用更,“,高級,”,一些的匯編語言和高級程序設(shè)計語言，在這兩種語言之間需要完成必要的處理和翻譯。,計算機(jī)軟件還要為計算機(jī)系統(tǒng)本身提供性能良好的資源管理功能，為使用人員提供盡可能多的幫助。把資源管理和調(diào)度功能留給計算機(jī)系統(tǒng)軟件來完成更可靠，完成這一功能的軟件就是計算機(jī)的操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的存在，又為使用計算機(jī)的用戶提供了許多支持，與程序設(shè)計語言相結(jié)合，使得程序設(shè)計更簡化，建立用戶的應(yīng)用程序和操作計算機(jī)更方便。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,軟件,硬件或固件,多級層次

7、結(jié)構(gòu),(1),虛擬機(jī)：由軟件實現(xiàn)的機(jī)器。,(2),語言實現(xiàn)的兩種基本技術(shù),翻譯：先把,N+1,級程序全部變換成,N,級程序后，再去執(zhí)行,新產(chǎn)生的,N,級程序，在執(zhí)行過程中,N+1,級程序不再被訪問。,解釋：每當(dāng)一條,N+1,級指令被譯碼后，就直接去執(zhí)行一串,等效的,N,級指令，然后再去取下一條,N+1,級的指令，依此,重復(fù)進(jìn)行。,解釋執(zhí)行比翻譯花的時間多，但存儲空間占用較少。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,1.,計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的定義：,程序員所看到的計算機(jī)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。,2.,按照計算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)，不同級程序員所看到的計算機(jī)具有不同的屬性。,3.,透明性 在計算機(jī)技術(shù)

8、中，對這種本來是存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看又好象不存在。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,4.Amdahl,提出的體系結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器級的體系結(jié)構(gòu)。即一般所說的機(jī)器語言程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級所具有的屬性。,5.,對于通用寄存器型機(jī)器，這些屬性主要是指：,(1),數(shù)據(jù)表示（硬件能直接辯認(rèn)和處理的數(shù)據(jù)類型）,(2),尋址規(guī)則（包括最小尋址單元、尋址方式及其表示）,(3),寄存器定義（包括各種寄存器的定義、數(shù)量和使用方式）,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,(4),指令集（包括機(jī)器指令的操作類型和格式、指令間的排 序和控制機(jī)構(gòu)等）,(5),中斷系統(tǒng)（中斷的類型和中斷響應(yīng)硬件的功能等）,(6),機(jī)器工

9、作狀態(tài)的定義和切換（如管態(tài)和目態(tài)等）,(7),存儲系統(tǒng)（主存容量、程序員可用的最大存儲容量等）,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,(8),信息保護(hù) （包括信息保護(hù)方式和硬件對信息保護(hù)的支持）,(9)I/O,結(jié)構(gòu) （包括,I/O,連接方式、處理機(jī),/,存儲器與,I/O,設(shè)備 間數(shù)據(jù)傳送的方式和格式以及,I/O,操作的狀態(tài)等）,經(jīng)典計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概念的實質(zhì)：,計算機(jī)系統(tǒng)中軟硬件界面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,計算機(jī)組成：計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)。,研究硬件系統(tǒng)各組成部分的內(nèi)部構(gòu)造和相互聯(lián)系,以實現(xiàn)機(jī)器指令級的各種功能和特性,包括機(jī)器內(nèi)

10、部的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計等。目標(biāo)是最合理地方式將各種設(shè)備和部件連接為計算機(jī),以達(dá)到最優(yōu)的性價比,從而實現(xiàn)所確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),2.,計算機(jī)實現(xiàn)：計算機(jī)組成的物理實現(xiàn)。,它包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu),器件的集成度和速度,信號傳輸，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接,專用器件的設(shè)計,電源、冷卻、裝配等技術(shù)以及有關(guān)的制造技術(shù)和工藝等。它著眼于器件技術(shù)和微組裝技術(shù)。,一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成,;,一種組成可以有多種物理實現(xiàn)。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,(2),IBM PC,系列機(jī),（處理器、處理器字寬、主要,I/O,總線、存儲空間、主要操作系統(tǒng)和計算機(jī)結(jié)構(gòu)）,如：,IBM 370,

11、系列有,370/115,、,125,、,135,、,145,、,158,、,168,等一系列從低速到高速的各種型號。,3.,系列機(jī),(1),系列機(jī),在一個廠家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的體系結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機(jī)器。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,計算機(jī),PC,和,PC XT,PC AT,80386 PC,80486 PC,Pentium PC,Pentium II PC,Pentium III PC,Pentium 4 PC,時間,1981,1982,1985,1989,1993,1997

12、,1999,2000,處理器,8088,80286,80386,80486,Pentium,Pentium II,Pentium III,Pentium 4,字寬,16,位,16,位,32,位,32,位,32,位,32,位,32,位,32,位,主要,I/O,總線,PC,總線,AT,（,ISA,）,ISA/EISA,ISA+VL,ISA+PCI,ISA+PCI+AGP,PCI+AGP+USB,PCI-X+AGP+USB,存儲空間,20,位,24,位,32,位,32,位,32,位,32,位,32,位,32,位,主要操作系統(tǒng),DOS,DOS,、,XENIX,DOS,、,Windows 3.0,DOS

13、,、,Windows 3.1,DOS,、,Windows 3.1,Windows 95,Windows 98,、,2000,Windows Me,、,XP,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,4.,軟件兼容,:,同一個軟件可以不加修改地運行于體系結(jié)構(gòu)相同的各檔機(jī)器，而且它們所獲得的結(jié)果一樣，差別只在于有不同的運行時間。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,向上,(,下,),兼容：按某檔機(jī)器編制的程序，不加修改的就能運,行于比它高,(,低,),檔的機(jī)器。,向前,(,后,),兼容：按某個時期投入市場的某種型號機(jī)器編制的,程序，不加修改地就能運行于在它之前,(,后,),投入市場的機(jī)器。,向后兼容是軟件兼容的根本

14、特征，也是系列機(jī)的根本特征。,5.,兼容機(jī),不同廠家生產(chǎn)的具有相同體系結(jié)構(gòu)的計算機(jī)。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,1.3,計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展,存儲程序計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及其發(fā)展,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,1.,存儲程序計算機(jī)的主要特點,(1),機(jī)器以運算器為中心；,(2),采用存儲程序原理；,(3),存儲器是按地址訪問的、線性編址的空間；,(4),控制流由指令流產(chǎn)生；,(5),指令由操作碼和地址碼組成；,(6),數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼表示，采用二進(jìn)制運算,。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,2.,對體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn),(1),分布的,I/O,處理能力,以運算器為中心帶來了慢速輸入輸出操作占用快速運

15、算器的問題。,為了解決這一問題，人們提出了各種輸入輸出方式。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,(2),保護(hù)的存儲器空間,是否把指令和數(shù)據(jù)放在同一存儲器中？,優(yōu)點,:,不必預(yù)先區(qū)分指令和數(shù)據(jù)，易實現(xiàn)存儲管理軟件；,程序和指令在執(zhí)行過程中可以被修改，因而可以編寫出靈,活的可修改的程序；,對于存取指令和數(shù)據(jù)僅需一套讀,/,寫和尋址電路，硬件簡單；,數(shù)據(jù)可以分配于任何可用空間，從而可更有效地利用存儲,空間等。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,缺點：,不利于進(jìn)行程序調(diào)試診斷；,不利于實現(xiàn)程序的可再入性和程序的遞歸調(diào)用；,不利于重疊和流水方式的操作。,現(xiàn)在絕大多數(shù)計算機(jī)都規(guī)定，在

16、執(zhí)行進(jìn)程中不準(zhǔn)修改程序。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,(3),存儲器組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展,相聯(lián)存儲器和相聯(lián)處理機(jī),通用寄存器,高速緩沖存儲器和多級存儲器組織結(jié)構(gòu),(4),并行處理技術(shù),如何挖掘傳統(tǒng)機(jī)器中的并行性？,改進(jìn),CPU,的組成,重疊方式,先行控制,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,在體系結(jié)構(gòu)上對某些計算問題實現(xiàn)并行計算。,如向量計算,多機(jī)并行處理系統(tǒng),把一個作業(yè),(,程序,),劃分成能并行執(zhí)行的多個任,務(wù),(,程序段,),，把每個任務(wù)分配給一個處理機(jī)執(zhí)行,。,多操作部件,流水方式,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,復(fù)雜指令集計算機(jī),(CISC),精簡指令集計算機(jī),(RISC),(5),指令集結(jié)構(gòu)的發(fā)展,指令集的功能,指令的地址空間和尋址方式,多種靈活的尋址方式。,第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,計算機(jī)的分代和分型,1.,計算機(jī)到目前為止已經(jīng)發(fā)展了五代,這五代計算機(jī)分別具有明顯的器件、體系結(jié),構(gòu)技術(shù)和軟件技術(shù)的特征。,2.,計算機(jī)可以根據(jù)價格分為五個檔次：,巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī),第一章 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演變,第一代,(1945-1954),電子管和繼電器,存儲程序計算機(jī)、程序