11 第十一章 计算机系统.ppt

1、第 11章 计算机系统概述111.1 计算机系统概述一、计算机系统的分类目前常用的是 1966年弗林根据指令流和数据流数量进行分类的方法。其中 指令流 是机器执行的指令序列， 数据流 是由指令流调用的数据序列。可将计算机系统分成下列四类。1.单指令流单数据流（ SISD） 计算机系统通常由一个运算器和一个存储器组成。 典型的 SISD计算机每次执行一条指令。每次从存储器取（或存）一个数据。为了提高运算速度有些 SISD计算机设置了指令流水线和运算操作流水线 ,有些还设置了多个功能部件和多体交叉存储器。22. 单指令流多数据流（ SIMD） 计算机系统l 通常 由一个指令控制部件多个运算器和多个

2、存储器组成。各运算器和各存储器之间通过互联网络进行通信。在程序运行时由指令控制部件向各个运算器 播送 同一条指令，所有 活动的 ”处理器在同一时刻执行同样的指令，这就是单指令流；各活动的 ”运算器执行指令时所需的数据是从它本身专用的存储器中取的，所以各运算器所处理的数据是各不相同的，这就是多数据流。为各个运算器所专用的存储器又叫局部存储器。l 3.多指令流单数据流（ MISD） 计算机系统l MISD计算机系统在 同一时刻执行多条指令，但处理同一个数据。 大多数人认为能列在这一系统中的计算机很少或根本不存在。4.多指令流多数据流（ MIMD） 计算机系统l 典型的 MIMD计算机系统 由多台运

3、算器（包括指令控制部件和运算器）和多个存储器组成，并有一个互联网络实现各运算器和各存储器之间的通信。 每个运算器执行各自的指令，存取各自的数据。 3二、提高计算机系统运算速度的方法提高计算机系统的运算速度的方法可归纳为两种 :1.改进器件工艺减少芯片线宽，提高集成度与工作频宽2.改进计算机系统结构，并使各部件之间的速度匹配。针对单机系统已介绍过改进系统结构的方法有 :(1)采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果 ,以减少访问存储器次数。（ 2）采用多体交叉存储器和 cache以协调 CPU和存储器之间的速度匹配。（ 3） CPU和输入输出设备并行工作，以减少 CPU等待和空闲时间。（ 4）操作

4、重叠的流水线工作方式。在本章中，我们将介绍多种计算机系统，其发展的最终目的是增强计算机处理能力和提高运算速度。 4三、开放系统开放系统是当前计算机用户和制造商的热门话题，也是计算机工业最重要的发展趋势。至今对开放系统还没有一个确切的定义，因此讨论一下开放系统是很有必要的。专有系统与开放系统1.专有系统。硬件和软件都由一家公司提供，并不向外提供技术。从历史上看，一些有名的大计算机公司，如 IBM、 DEC都是靠独家专利的计算机发迹的。2.开放系统。硬件和软件可由多家公司提供，计算机系统的所有部分，如计算机体系结构、系统总线、操作系统、窗口系统、数据库、图形用户接口 、 计算机网络和通信服务等都是

5、开放的，符合与制造商无关的国际标准。这样厂商之间很容易进行分工，用户可以选用市场上最好的、适合应用的软件、硬件组成计算机系统或信息系统。 5四、计算机系统的性能评测在计算机系统的研制、选型、选购、引进谈判以及对已有计算机的改进过程中，计算机系统的性能评测，是一项不可缺少的重要工作。1.评测性能的几种方法计算机的时钟频率在一定程度上反映了机器速度，一般来讲，主频越高，速度越快。但是相同频率不同体系结构的机器，其速度可能会相差很多倍，因此还需要有其他方法来测试速度。早期的计算机速度是通过计算得来的，当时根据各类指令的执行频率按一定的比例估算，得到平均运算速度、这种方法很不精确，因为在不同程序中，不

6、同指令的使用频率是不同的，而且数据长度、指令系统功能、Cache、 流水线等与机器的性能有很大关系。在计算时不能得到充分反映。6另外有一种通过计算处理速率 （ processing data rate， 简称 PDR） 值的方法来衡量机器性能。 PDR值大机器性能好。 PDR是指令操作数的平均位数和指令平均速度的比值（加权）。 PDR值主要对 CPU和主存储器的速度进行度量，与真正的机器运行速度有不少差别。等效乘法速率（ equivalent multiply rate， 简称EMR） 曾是美国政府确定计算机出口许可证浮点性能的限制性指标。核心程序法是把程序中应用得最频繁的那部分核心程序作为评

7、价计算机性能的标准程序。但因程序短，以致访存的局部性大 Cache命中率偏高。基准程序法（ benchmark） 是目前一致承认的较好的测试方法。在下面我们将讲到各种基准测试程序，测试的结果通常整数性能用 MIPS（ 百万次整数运算指令秒）；浮点性能用 MFLOPS（ 百万次浮点运算指令秒）等表示。通常将 VAX l l 78的运算速度定为 1MIPS。 72. 基准测试程序1）整数测试程序2）浮点测试程序3）计算机综合测试程序 SPEC4）事务处理测试程序5）行业基准测试3.准测试的公正性和准确性所有基准测试组织都是中立的，一般是非赢利的。测试结果一般来说是公正的，但是外界的干扰可能会冲击基

8、准测试的公正性。因此基准测试所获得的局部结论是基本可信的，但不足以准确反映实际使用效果。 811.2.1 微处理器及微型计算机概述目前，微处理器和微机正在向着更微型化、更高速、更廉价和多图形、超媒体、更强功能的方向发展。其结果是，一方面各种便携式微机 (笔记本、掌上微机等）将大量涌现；另一方面将超级微机和巨型机技术紧密结合、融为一体的 “微巨机 ”也将不断问世。今天，伴随着分布式计算技术、网络通讯技术和多媒体技术的发展，计算机的应用将以前所未有的速度发展。 11.2 微机系统微机系统9l 微机的核心是微处理器。当前世界上影响最大的半导体器件生产厂家是 Intel公司。 Intel公司创建于 1968年开始主要生产存储器芯片，后来转向微处理器。自从 1981年 IBM公司选择 Intel的微处理器推出它的第一台 PC后，获得了极大成功使 Intel公司毫不费力地登上芯片之王的宝座。l 微处理器沿着增加字长、提高主频、提高集成度的方向发展。微处理器的性能指标有地址总线位数，内部总线位数，外部数据总线位数，物理地址总线空间，时钟频率，芯片集成度和制造工艺。但是以上的指标反映的是芯片的性能，还不能完全代表微机系统的性能。影响系统性能的还有微处理器与内存之间的总线速度，地址总线宽度，数据总线宽度，芯片内部是否设置浮点协处理器，是否设置 Cache（ 一级和二级）等。10