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计算机系统结构(第3版)教学课件第1章 计算机系统结构的概念

计算机系统结构(第3版)教学课件第1章  计算机系统结构的概念
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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。
解释执行比编译后再执行所花的时间多,但占用的 存储空间较少。

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1.2 计算机系统结构的概念
1.2.2 计算机系统结构的定义
1. 计算机系统结构的经典定义 程序员所看到的计算机属性,即概念性结构与功能 特性。
部件加速比

[
(1
-可改进比例)
可改进比例 + 部件加速比
]
×总执行时间改进前

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1.3 定量分析技术
系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比
加速比 = 总执行时间改进前 总执行时间改进后

1
可改进比例
(1-可改进比例)+ 部件加速比

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1.3 定量分析技术
例1.1 将计算机系统中某一功能的处理速度提高到原来的 20倍,但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的40%,则采 用此提高性能的方法后,能使整个系统的性能提高多少? 解 由题可知,可改进比例 = 40% = 0.4,
部件加速比 = 20 根据Amdahl定律可知:
1
总加速比
=
0.6
+
0.4 20
= 1.613
采用此提高性能的方法后,能使整个系统的性能提高到原 来的1.613倍。

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1.3 定量分析技术
例1.2 某计算机系统采用浮点运算部件后,使浮点运算速 度提高到原来的20倍,而系统运行某一程序的整体性能提高到 原来的5倍,试计算该程序中浮点操作所占的比例。 解 由题可知,部件加速比 = 20,系统加速比 = 5

《计算机组成原理》ppt课件

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输入输出系统
输入设备
将人类可读的信息转换为计算机 可识别的二进制代码,如键盘、 鼠标等。
I/O控制方式
程序查询方式、中断方式、DMA 方式和通道方式等,用于管理输 入输出操作。
输出设备
将计算机处理后的结果转换为人 类可读的形式,如显示器、打印 机等。
I/O接口
连接输入输出设备与主机,实现 数据缓冲、电平转换和信号匹配 等功能。
括通用寄存器、专用寄存 器等。
指令的执行过程
取指
从内存中读取指令,并将其放入指令寄存器 中。
执行
根据微操作命令序列,控制运算器、寄存器 等部件执行相应的操作。
译码
将指令寄存器中的指令翻译成微操作命令序 列。
写回
将执行结果写回到寄存器或内存中。
CPU的性能指标
主频
CPU的时钟频率,通常以MHz或 GHz表示,主频越高,CPU处理
运算器
执行算术运算和逻辑运算, 处理数据。
寄存器
暂存指令、数据和地址, 提高CPU的运算速度。
存储器
01
主存储器
存放程序和数据的主要区域,直接和CPU交换信息。
02
辅助存储器
长期保存信息,容量大、价格低、速度慢,需通过主存与CPU交换信息。
03
高速缓冲存储器(Cache)
位于CPU和主存之间,存取速度接近CPU,用于缓解主存速度瓶颈问题。
云计算和大数据的融合是未来发展的趋 势,通过云计算平台提供的大数据服务, 可以实现海量数据的存储、处理和分析。 计算机组成原理在云计算和大数据融合 中发挥着重要作用,为构建高效、稳定 的云计算和大数据平台提供了理论支持。
计算机组成原理的发展趋势和挑战
发展趋势

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流 水 线 周 期 主时 钟 周期
IF IS RF EX DF DS TC WB
IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB IF IS RF EX DF DS TC WB
当前CPU周期
如果在LOAD指令之后的两条指令中, 任何一条指令要在它的EX流水级使 用这个数据,则指令流水线要暂停一 个时钟周期 采用顺序发射方式
把超标量与超流水线技术结合在一 起,就成为超标量超流水线处理机
5.5.1 指令执行时序 5.5.2 典型处理机结构
5.5.3 超标量超流水线处理机性能
5.5.4 三种指令级并行性处理机性能比较
5.5.1 指令执行时序
超标量超流水线处理机在一个时钟周 期内分时发射指令n次,每次同时发 射指令m条,每个时钟周期总共发射 指令m n条。
5.4 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
关性允许,IBOX就把两条指令同时发 射给EBOX、ABOX和FBOX三个指令 执行部件中的两个。 指令流水线采用顺序发射乱序完成的控 制方式。在指令Cache中有一个转移 历史表,实现条件转移的动态预测。 在EBOX内还有多条专用数据通路, 可以把运算结果直接送到执行部件。 Alpha 21064处理机共有三条指令流水线 整数操作流水线和访问存储器流水线 分为7个流水段,其中,取指令和分

计算机体系结构完整讲义ppt课件

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• 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。
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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
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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
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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

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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




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

《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。

计算机体系结构精选ppt

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• 中央处理器和主存储器构成了计算机主体, 称为主机;相对地又把I/O设备称作外围设备或 外部设备,简称外设。
• 于是,计算机又被看成是由主机和外设两 大部分组成。但无论怎样划分,计算机的5大 部件始终是相对独立的子系统,缺一不可。
3.1.2 计算机硬件的典型结构
• 计算机系统的硬件结构包括各种形式的总线结构和通 道结构,它们是各种大、中、小、微型计算机的典型 结构体系。
第三章 计算机体系结构
• 硬件和软件是学习计算机知识经常遇到的术语。 硬件是指计算机系统中实际设备的总称。它可
以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件
或设备,或由它们组成的计算机部件或整个计 算机硬件系统。
• 计算机系统包括大型机、中小型机以及微机等 多种结构形式,其硬件主要包括: 运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出设备等部件。
息的通路叫输入/输出总线(I/O总线),各种I/O设备通过
I/O接口连接在I/O总线上。
这种结构的优点是控
制线路简单,对I/O
总线的传输速率相对
地可降低一些要求。
缺点是I/O设备与主
存储器之间交换信息
一律要经过CPU,将
耗费CPU大量时间,
降低了CPU的工作效
率。
3.小型机的总线型结构
(3)以存储器为中心的双总线结构
备之间均可以通过系统总线交换信息。
备与主存储器交换信息时,
CPU还可以继续处理默认的不
需要访问主存储器或I/O设备
的工作。缺点是同一时刻只允
许连接到单总线上的某一对设
备之间相互传递信息,限制了
信息传送的吞吐量(或称速率)。
此外,单总线控制逻辑比专用
的存储总线控制逻辑更为复杂,

计算机组成原理PPTPPT课件

计算机组成原理PPTPPT课件
➢钱晓捷,微型计算机原理及应用,清华大学出版社, 2006
精选ppt课件2021
2
目录
☼ 第一章 计算机系统概论 ☼ 第二章 指令系统 ☼ 第三章 中央处理部件CPU ☼ 第四章 存储系统 ☼ 第五章 输入输出(I/O)系统
精选ppt课件2021
3
第一章 计算机系统概论
1.1 计算机的基本概念
如何正确理解“计算机”这个术语呢? 凡是能完成以下三类工作的机器就是计算机: ①能接受程序和数据的输入,并存储起来; ②能按照存储的程序对输入的数据进行自动处理 并得出结果; ③能把结果输出。
特点:控制简单,译码时间短,编码浪费,n位操作码能表示2n条指令
操作码长度不固定:操作码分散在指令字的不同字 段内
特点:能有效压缩操作码的平均长度,控制复杂,指令译码、分析较难
精选ppt课件2021
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现代计算机中多采用不等长操作码——不同类的 指令,其操作码的长度不同。
对于一部分不需要操作数的指令可以将指令操作 码扩展到操作数字段,操作码的长度随地址码的减少 而增加。
在不增加指令长度的情况下,能充分利用指令的 各个字段扩展操作码的长度,使它可以表示更多的指 令。
实现不等长操作码可以通过扩展操作码法实现。
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18
操作码扩展实现方式 等长扩展
每次扩展的操作码的位数相同。例如:4-8-12扩展法、 3-6-9扩展法、4-6-8扩展法 不等长扩展
10010101 10100001
操作码用来表明本条指令要 求计算机完成的操作,如加 法,减法,取数等,CPU中有 专门的译码电路来识别解释 各操作码
地址码用来给出参加本次运算的操作数和 运算结果所在的地址,根据地址码个数, 指令格式分为零地址、一地址选ppt课件2021
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积和运算功能 如单指令可完成计算: X=a0b0a1b1a2b2a3b3…a6b6a7b7 ► 饱和计算功能 将溢出后的结果作为最大值或最小值处理。
高级计算机系统结构
第一章 概述
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
70’年代前 70’年代 80’年代 90’年 小型机 微型机 网络系统 以后 大中型机
(二) 计算机性能指标 (1) 字长 4位→8位→16位→32位→64位
首款微处理器 4004
Itanium
第1台64位微处理器: DEC的Alpha21064
► 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
雷航
高级计算机系统结构
前言
课程历史:
现代微机系统 现代微机结构
以Intel80286、 80386为主 Intel86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
高级计算机体系结构
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
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 SIMD
X
X3
Y3
X2
X1
X0
Y0

Y X Y

Y2 Y1
X3 Y3 X2Y2 X1 Y1 X0Y0
高级计算机系统结构
第一章 概述
7、SIMD技术(Single Instruction Multi-Data)
单指令多数据流技术
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
高级计算机系统结构
第一章 概述
9、显示并行计算(EPIC)
使处理器具有更高的指令并行能力
10、向量处理 一种面向运算的并行处理器技术 11、多核技术
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: Intel8255/8253/8259/8237/8251等
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。
高级计算机系统结构
第一章 概述
— 用什么来衡量速度 决定主频的因素? ► 主频 ► MIPS: 百万条指令/每秒 ► 基准测试程序, 比如SPEC (3) 容量 ► 内存容量: 最大可达2n (n为地址线的条数)
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
4、超级标量结构
实现了单核多条指令流水线的并行执行
高级计算机系统结构
第一章 概述
5、大容量高速缓存
极大缓解了CPU速度与内存速度用
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
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:
① 处理器体系结构 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
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
( 比 如 Intel80386 系 统 的 理 论 内 存 空 间 可 达 232=4000M ) 。
► ►
外存容量 高速缓存(Cache)容量:
不计入存储容量
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
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
高级计算机系统结构
第一章 概述
— 64位处理器: 64位内外部总线、64位寄存器
— 64位计算机系统 ► 内部总线和寄存器为64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。
使处理器具有多处理器的处理能力
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: Intel8086系列处理器
● Pentium基本型:
— 总线: 内外部总线均为64位 — 指令执行方式: 指令流水线
— 体系结构: 超级标量结构
● PentiumMMX(Multi-Media eXtended): 称 为 “ 多 能 Pentium”, 在 Pentium 基本型基础上增加以下 功能:
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