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高级计算机系统结构概述课件前言课程历史:现代微机系统现代微机结构高级计算机体系结构以Intel80286、80386为主Intel86系列处理器、以及其它高端处理器、RISC技术、64位处理器、总线技术等以《现代微机结构》内容为基础,进一步结合计算机硬件技术发展状况进行讨论高级计算机系

统结构1、本课程的前续课程(1)微型计算机原理及应用主要内容:微型计算机的基本组成寻址方式、指令系统以及汇编语言程序设计信息存储原理、存储器组织、存储空间分配以及如何与CPU接口微机接口:查询、中断、DMA三种主要接口方式典型接口芯片:Intel

8255/8253/8259/8237/8251等微机应用:如串行/并行通信、A/D和D/A转换等高级计算机系统结构(2)计算机组成原理主要内容:►运算器的构成(从全加器、进位链到加法器、乘法器等,以及原码、补码的各种运算方法)►控制

器的构成:组合逻辑设计方法、微程序设计方法►存储器:存储信息的原理、存储器的组织、存储空间的分配等►计算机接口:查询、中断、DMA等►外部设备:如CRT、磁盘、磁带机、打印机等高级计算机系统结构学习以上两门课程的目的

:掌握计算机和微型计算机的基本工作原理以及一些基本的应用。计算机原理偏重于内部特性和原理微机原理则偏重于外部特性和原理(3)操作系统掌握一些基本概念,如多任务机制、分段、分页等存储管理。高级计算机系统结构2、本课程的主要内容和目的主要内容(1)现代计算机硬

件体系结构,着重介绍:②引入的关键技术,如流水线、虚存机制、保护模式、超标量结构、指令重调度、超线程、多核技术、向量计算等,并以Intel系列微处理器为典型代表进行介绍。(2)RISC处理器设计方法以及与CISC的比较(3)64位处理器(4)总线技术(5)计算机的一般性

能评价方法等①处理器体系结构高级计算机系统结构学习目的掌握现代计算机硬件技术的特征、发展状况、不断引入的新技术和发展方向,了解新技术如何提高处理器以及计算机系统的性能，为进行计算机系统分析和研究、以及为其它专业课程的学习进行打下基础。同时,也从一个更高的层面

上学习计算机硬件技术。课程特点(1)内容丰富,概念多,但难度不大;(2)系统结构与微处理器相结合高级计算机系统结构第一章概述一、计算机的发展过程(一)计算机的发展时期归纳(二)计算机性能指标网络系统70’年代前70’年代80’年代90’年以后大中型机小

型机微型机(1)字长首款微处理器4004Itanium4位→8位→16位→32位→64位第1台64位微处理器:DEC的Alpha21064高级计算机系统结构第一章概述—64位计算机系统►内部总线和寄存器为6

4位►外部总线64位►配置64位操作系统►64位数据一次性处理(2)速度从每秒几万条指令到每秒达到上数千亿条指令。速度是衡量计算机处理能力的一个综合指标。主频、处理器的结构、指令运行模式、Cache的容量、内存的大小和速度等诸多因

素,最终都将表现在计算机的速度上。—64位处理器:64位内外部总线、64位寄存器高级计算机系统结构第一章概述(3)容量►内存容量:►外存容量►高速缓存(Cache)容量:不计入存储容量►主频决定主频的因素?►MIPS:百万条指令/每秒►基准测试程序,比如SPEC(比如Intel80386系统的

理论内存空间可达232=4000M)。最大可达2n(n为地址线的条数)—用什么来衡量速度高级计算机系统结构第一章概述(三)微处理器发展过程中引入的一些重要技术1、虚存管理机制提供分段管理和分页管理等的硬件支持,为操作系统实现虚存管理、多任务机制提供了便利2、流水线技术地

址流水线和指令流水线3、分支预测技术提高程序分支时的执行效率高级计算机系统结构第一章概述4、超级标量结构实现了单核多条指令流水线的并行执行5、大容量高速缓存极大缓解了CPU速度与内存速度不匹配的矛盾,为实现指令流水线起到了重要的作用6、RISC技术处理器的一种设计方法,提高了处理器的速

度,使处理器的设计方法向前迈进了一大步7、SIMD技术(SingleInstructionMulti-Data)单指令多数据流技术高级计算机系统结构第一章概述8、指令乱序执行技术指令的重调度(指令重新排序、指令动

态调度)能力,使指令流水线具有更高的执行效率9、显示并行计算(EPIC)使处理器具有更高的指令并行能力11、多核技术使处理器具有多处理器的处理能力10、向量处理一种面向运算的并行处理器技术高级计算机系统结构第一章概述二、处理器(硬件)的热点(近十几年)1、PC处理器典型代表:Intel

8086系列处理器—指令执行方式:—总线:内外部总线均为64位—体系结构:指令流水线超级标量结构●Pentium基本型:●PentiumMMX(Multi-MediaeXtended):称为“多能Pentium”,在Pentium基本型基础上增加以下功能:高级计算机系统结构第一

章概述►新增加57条多媒体信息处理指令►片内Cache容量从16K增加到32K►SIMD技术:一条指令同时处理多个数据传统标量处理SIMDXYXYX3X2X1X0Y3Y2Y1Y0X3Y3X2Y2X1Y1X0Y0高级计算机系统结构第一章概述

►积和运算功能如单指令可完成计算:Pentium基本型和PentiumMMX称为第一代奔腾处理器(P5架构)►饱和计算功能将溢出后的结果作为最大值或最小值处理。X=a0b0a1b1a2b2a3b3…a6b6a7b7目的:避免做溢出处理导致流媒体信息处理实时

性能下降和颜色出现倒置高级计算机系统结构第一章概述►14级流水线►双穴封装技术:►指令乱序执行:►寄存器重命名(Registerrenaming):分析并重排指令,优化指令的顺序执行。也称为指令流分析技

术数据重新定位到一个内部寄存器(速度与流水线的考虑)●PentiumPro:高能Pentium将L2Cache(256K)封装在一个模块中,L1Cache和L2Cache之间采用64位的独立总线连接在Pentium基本型的基础上的主要改进:►将CISC指令集转换为类RISC指令集来执行;高级计算机

系统结构第一章概述(PentiumII只支持2个处理器)●PentiumII:在PentiumPro体系结构中引入奔腾MMX功能►PentiumPro与PentiumMMX技术的结合►二级Cache从256K增加到512K●PentiumIIXeon(

至强):在PentiumII基础上的主要改进:►二级Cache从512K增加到1M►可支持4个或更多个处理器高级计算机系统结构第一章概述从PentiumPro到PentiumIII称为第二代奔腾处理器(P6架构)原有Pentiu

m处理器的SIMD只能处理整数,而PentiumIII的SIMD,既能处理整数,也能处理浮点数。●PentiumIII:在PentiumII基础上的主要改进:►新增加了70条指令,增强对多媒体信息、3维图形图象信息、互连网操作的处理能力►增强的SIMD技术高级计算机系统结构第一章概述●Pe

ntium4:Pentium4采用了新的内部设计,主要表现为:►增加了144条指令,进一步增强了对多媒体信息/3维信息/互连网操作的处理能力;►主频达2G以上,提高了指令执行的吞吐率;►系统总线的速度从PentiumIII的133M提高到了400M;►流水线的级数(流水线深度)

从PentiumIII的14级提高到20级;►超线程技术(Hyper-Threading)高级计算机系统结构第一章概述Pentium4、Prescott、PentiumD的体系结构均称为NetBurst●PentiumPrescottPrescott主要特征:►流水线的级数从Pentium4

的20级提高到30级►提高了分支预测机构的预测效率●PentiumD主要特征:►沿用Prescott架构,采用双核结构(2个独立的Prescott核心)►不支持超线程高级计算机系统结构第一章概述●CORE2(酷睿2)CORE2的体系结构称为Core微架构通用于

台式机、服务器和笔记本电脑►双核结构►更长位数SIMD(128位整数及128位浮点,传统的处理器为64位)►降低了功耗整体性能比PentiumD提高44％。高级计算机系统结构第一章概述(2)从集成技术的角度●CMOS(互补金属氧化物半导体电路)工艺直接在半导体基片上制作各种晶体

管电路●SOI制作工艺(SiliconOnInsulator)减少了充电电流,降低了功耗减少了晶体管的静电电容,缩短了充放电时间,提高了晶体管的切换速度SOI制作工艺与同期CMOS工艺相比,速度可提高35%~40%,功耗可减少50%~60%高级计算机系统

结构第一章概述曾有资料认为:SOI技术将使摩尔定律继续起作用,有望使CPU主频提高到T级。但是:近年来以及可预见的将来,处理器的发展方向不是提高主频,而是多核处理器●铜芯片采用铜导线来代替铝用于集成电路中晶体管之间的互联线,在相同条件下减少40％的功耗;还

可以将铜导线与SOI技术相结合(IBM率先采用了该方式)。高级计算机系统结构第一章概述●LowK互连层技术LowK材料解决了芯片中的信号干扰,并降低处理器的功耗，提高处理器的高频稳定性。●应变硅技术基

本原理:加大硅原子的间距,以减小电子通行所受到的阻力,相当于减小了电阻。从而降低了功耗和热量,使运行速度得以提升。高级计算机系统结构第一章概述目前,在处理器的工艺上,芯片的功耗、封装等越来越难以处理,使得摩尔定律本身的发展及其对处理器的影响发生了一些深刻的变化。首先,摩尔定律趋势已经变缓,由

原来的1.5年一代变为2-3年一代。除技术难度增加以外,集成电路生产线更新换代的成本越来越昂贵。其次,处理器主频正在与摩尔定律分道扬镳。过去每代微处理器主频是上代产品的两倍中,只有1.4倍来源于器件的按比例缩小

,另外1.4倍来源于结构优化。为此,芯片设计越来越强调结构的层次化、功能部件的模块化和分布化,即每个功能部件都相对地简单,部件内部尽可能保持通信的局部性。高级计算机系统结构第一章概述(3)从体系结构的角度①处理器体系结构►从标量结构演变到超级标量结构►从单数据流演变到多数据流►处理

器内单一总线结构演变为多总线结构►单指令发射到多指令发射即把多条指令连在一起,增加运算速度。►超长指令字VLIW(VeryLongInstructionWord)高级计算机系统结构第一章概述比如:编译器把“R1+R2→R3”和“R4+R5→R6”这两条指令组合

到一个指令字中(两条指令无寄存器相关)。如：比较Intel80286与Pentium的内部结构—Intel80286AUEUIDUBU②物理地址①寻址请求③操作数③指令代码④已译码指令高级计算机系统结构第一章概述8K指令Cache指令预取部件指令译码器微指令ROM分支预测部件控制部件

U流水线V流水线U流水线地址生成逻辑V流水线地址生成逻辑双端口数据Cache浮点处理部件FPU总线接口部件32位内部地址总线64位内部数据总线Pentium基本型②微机系统硬件结构的变化从单一总线结构主要表现为PCI总线出现后,在一个系统中PCI总线、ISA总线、EI

SA总线并存。多总线结构SCSI接口图形处理接口以太网接口芯片组ISA总线低速I/O低速I/O微处理器芯片组存储器PCI总线高级计算机系统结构第一章概述(4)从指令计算的角度指令计算的执行顺序的演变:串

行计算方式:指令流水线:指令1·····指令2指令3指令4t指令1指令2指令3指令4·····t高级计算机系统结构第一章概述EPIC模式EPIC体系结构最基本的特点是从VLIW继承而来:支持由编译器来决定指令执行方案。在传统的体系

结构中,由于分支指令的存在,执行时可能会造成很长的延迟,所以条件分支往往是限制VLIW处理器性能发挥的瓶颈。EPIC将分支指令拆分成三部分:计算分支条件形成分支地址从分支处和分支失败处取指令译码各个部件可以重叠执行。高级计算机系统结构第一章概述指令

1指令2指令3指令4理论上讲,让一组指令完全并行执行,比如:t对分支指令:?一组指令一组指令两个分之方向的指令并行执行！高级计算机系统结构第一章概述EPIC的关键技术:大量的寄存器支持支持多个分支同时执行时,所需要的大量数据和寻址信息。采用EPIC技术的处理器,一般其寄

存器数量都在128个以上。高性能编译器通过“指令断定”技术(判定技术)使多个分支同时执行,由“指令管道”技术来实现(多个指令管道)EPIC(ExplicityParallelInstructionComputing)显式并行指令计算:核心思想是“并行

处理”实现方法:编译器提前完成代码排序高级计算机系统结构第一章概述以满足大流量指令和数据的要求。高速的指令和数据预装技术高带宽的数据通路:以保证大数据高速流动。高级计算机系统结构第一章概述三、微机领域当

前的几大热点1.处理器及系统(1)64位处理器基于EPIC英特尔IA-64结构(Itanium处理器)AMDX86-64处理器高级计算机系统结构第一章概述—双核2.5GHz处理器—存储空间扩展至8GB—测试表明:运行速度远超出3.4GHz奔腾4系统64位Powe

rPCG5(Apple,用于个人电脑)Power4和Power5(IBM,用于服务器)Power6:主频达到5.4GHz64位编程模式和64位API64位的编译器支持大于4GB的物理存储空间支持大于4GB规模的文件支持多个物理设备文件(如多个磁盘系统)64

位宽度以上的总线64位Cache、高速图形板等应用层操作系统层机器层CPU芯片层64位整数寄存器64位浮点寄存器64位宽度以上的数据总线以64位计算模式为基础,加上相应系统软件支持(2)全64位计算平台高级计算机系统结构第一

章概述(3)多核处理器也可以说,多核处理器是传统多处理器系统的进一步发展,也是集成电路技术发展的结果。多核处理器(CMP)是将多个计算内核集成在一个处理器芯片中。高级计算机系统结构第一章概述多核可以分为同构多核和异构多核两种:同构

多核—计算内核相同,地位对等的称为“同构多核”。同构CMP大多数由通用的处理器组成,多个处理器执行相同或者类似的任务。异构多核—计算内核不同,地位不对等的称为“异构多核”，异构多核多采用“主处理核＋协处理核”的设计如:IBM公司的CELL处理器AMD公司的Fu

sion方案“CPU+GPU”高级计算机系统结构第一章概述但是,存在以下一些观点:多核处理器面临的最大问题是可编程性。一旦核心超过八个,就需要执行程序能够并行处理。尽管在并行计算上,人类已经探索了超过40年,但编写、调试、优化并行处理程序的能力还非常

的弱。出于技术的挑战,多核强加给了产业,而产业界并没准备好。或许十年后,多核就到头了。一味地增加并行处理核可能是行不通的。并行计算的发展历史表明，并行性超过一定程度后，程序就很难写。高级计算机系统结构第一章概述即使能够不断增加同类型的CPU内核以加强并行处

理能力,但整个系统的处理性能仍然会受到软件中必须串行执行的那部分的制约。虽然英特尔已研发并展示了80核处理器原型,但尴尬的是,目前还没有能够利用这一处理器的操作系统。2.存储器问题:挥发与非挥发存储器与速度和容量的矛盾发展的思路:将非挥发性、

存取速度快、低成本、大容量、低功耗和可无限擦写等目前所有挥发性与非挥发性两种存储器的特性(优点)集于一身。挥发性存储器:高速度、小容量、易挥发。非挥发性存储器:低速度、大容量、不挥发。高级计算机系统结构第一章概述几

种典型解决方案FeRAM存储器(铁电存储器)利用铁电薄膜的极化反转来实现数据存/取。MRAM存储器通过控制铁磁体中的电子旋转方向来实现读/写电流的大小,使其具备二进制数据存储能力。高级计算机系统结构第一章

概述OUM存储器由Intel所提出。以Ge、Sb、Te等化合物为材质,利用不同温度造成材料相位的变化来存储数据。PCM(基于硫系合金的电热诱导相变转换)简称相变化存储器,是近年来研发的热点。基本原理:利用某些特殊材料电阻差异存取信息。3.64位的操作系统

微软WindowsServer2019。可兼容Intel和AMD的64位处理器Windows.NETServer64位操作系统描述:“以64位CPU芯片为前提,为充分发挥该64位CPU芯片的性能而实行64位扩展的操作

系统”。2019年DEC公司:DigitalUNIX4.064位操作系统,以及OpenVMS7.064位操作系统。SUN公司:64位的Solaris操作系统Windows764位、WindowsX

PX64、Vista高级计算机系统结构第一章概述4、正研究中的未来计算机一般认为,目前在半导体基片上光刻电子元件的方式会遭遇极限(工艺和热量)。197019751980198519902019200010000000010000000100000010000010000100040048038

68028680868080800880486pentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4摩尔定律高级计算机系统结构第一章概述从未来计算机的发展角度看,科学界看好的未来计算机目前有以下三类:(1)生物计算机通过控制DNA分子间的生化反应完成运算。在DNA计算机

中,信息将以分子代码的形式排列于DNA上。高级计算机系统结构第一章概述体积小分子比电子元件小很多,密度比硅电路高五个量级速度快美国已成功研制的DNA计算机,28.3克DNA的运行速度超过了现代超级计算机

的10万倍能耗低能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一自我修复生物芯片一旦出现故障,自我修复和自愈能力高级计算机系统结构第一章概述能与人体的组织有机地结合,植入人体的生物计算机可直接接受大脑的指挥,成为人脑的辅助装

置或扩充部分。具有生物活性1克DNA＝1万亿张CD光盘容量大存储容量(2)光计算机利用光束代替电子,进行运算和存储。高级计算机系统结构第一章概述理论上具有比电子计算机高得多的运算速度和存储容量、更低的功耗等。关键技术:实现光束之间的相互控制难点:工艺对

速度的制约、“光通道”的体积、光的存储、传输损耗等。(3)量子计算机比如:Shor的大数因子分解的量子多项式算法，推演出:依据电子的上旋和下旋状态描述信息,电子不同的自旋状态相当于传统计算机中的0或1状态。利用量子的叠加性和相干性,突破了普通电子开关每次只能接收1或0一

种信号的限制,使量子计算机运算速度和存储能力远高于现有的计算机。高级计算机系统结构第一章概述大数因子分解100亿年可以解决传统超级计算机30秒可以解决5000个量子位的量子计算机量子计算机对密码学的挑战量子计算机对人工智能方面可能的突破实现量子计算

的难点之一:使量子的相干性随时间衰减,发生消相干,使计算任务无法完成。因此,为了使量子计算成为现实,一个首要急需解决的问题就是克服消相干。高级计算机系统结构第一章概述5、两大基础性研究领域(1)人工智能(智能化计算机)难点:自主学习

、自然语言的理解等(2)高性能非“冯•诺依曼”体系结构高级计算机系统结构第一章概述1.技术类如:硬件中的集成电路技术,CPU和存储设备的设计制造技术等;计算机网络中的网络安全技术、开放系统中的中间件技术、网络管理技术等;多媒体技术信息处理和传输、虚拟现实技术;操作系统技术等

。四、计算机领域热点问题归纳高级计算机系统结构第一章概述2.产品类比如:硬件产品中的各种处理器、NC、磁盘阵列、交换机、路由器软件产品中的各类操作系统、WWW浏览器、开发工具、编程语言、通信软件等3.应用类涉及微机领域中的各种

应用。三者之间的关系:高级计算机系统结构第一章概述