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第1章计算机系统结构的基本概念张晨曦刘依www.Arch365

1.4 计算机系统结构的发展 不同的应用对计算机系统结构的设计提出了不同的要求 应用需求是促使计算机系统结构发展的最根本的动力 一些特殊领域：需要高性能的系统结构 高结构化的数值计算 气象模型、流体动力学、有限元分析 非结构化的数值计算 蒙特卡洛模拟、稀疏矩阵 实时多因素问题 语音识别、图像处理、计算机视觉 1.4.4 应用对系统结构的影响 1.4 计算机系统结构的发展 大存储容量和输入输出密集的问题 数据库系统、事务处理系统 图形学和设计问题 计算机辅助设计 人工智能 面向知识的系统、推理系统等 计算机性能随时间下移 1.4 计算机系统结构的发展 系统结构的生命周期：从诞生、发展、成熟到消亡 从硬件成熟到系统软件成熟大约需要5～7年的时间 从系统软件成熟到应用软件成熟，大约也需要5～7年时间。 再过5～7年的时间，这种系统结构就不会作为主流系统结构存在了。 Intel的x86系列微处理器中32位系统结构的发展 1.4.5 系统结构的生命周期 1.4 计算机系统结构的发展 并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内 进行多种运算或操作。 只要在时间上相互重叠，就存在并行性。 同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发生。 并发性：两个或两个以上的事件在同一时间间隔 内发生。 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 1.5.1 并行性的概念 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 从处理数据的角度来看，并行性等级从低到高可分为： 字串位串：每次只对一个字的一位进行处理。 最基本的串行处理方式，不存在并行性。 字串位并：同时对一个字的全部位进行处理，不 同字之间是串行的。 开始出现并行性。 字并位串：同时对许多字的同一位(称为位片) 进行处理。 具有较高的并行性。 全并行：同时对许多字的全部位或部分位进行处理。 最高一级的并行。 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为： 指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行。 指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令。 线程级并行：并行执行两个或两个以上的线程。 通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。 任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上 的过程或任务(程序段) 以子程序或进程为调度单元。 作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的 作业或程序。 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 三种途径： 时间重叠 引入时间因素，让多个处理过程在时间上相 互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个 部分，以加快硬件周转而赢得速度。 资源重复 引入空间因素，以数量取胜。通过重复设置 硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能。 1.5.2 提高并行性的技术途径 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 资源共享 这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间 顺序轮流使用同一套硬件设备。 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 在发展高性能单处理机过程中，起主导作用的是时间 重叠原理。 实现时间重叠的基础：部件功能专用化 把一件工作按功能分割为若干相互联系的部分； 把每一部分指定给专门的部件完成； 按时间重叠原理把各部分的执行过程在时间上 重叠起来，使所有部件依次分工完成一组同样的工作。 1.5.3 单机系统中并行性的发展 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 例如： 对于解释指令的5个过程，就分别需要 5个专用的部件：取指令部件(IF)、指令译码部件 (ID)、指令执行部件(EX)、访问存储器部件(M)和 写结果部件(WB)。 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 在单处理机中，资源重复原理的运用也已经十分普遍。 多体存储器 多操作部件 通用部件被分解成若干个专用部件，如加法部件、乘 法部件、除法部件、逻辑运算部件等，而且同一种部 件也可以重复设置多个。 只要指令所需的操作部件空闲，就可以开始执行这条 指令(如果操作数已准备好的话)。 这实现了指令级并行。 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 阵列处理机(并行处理机) 更进一步，设置许多相同的处理单元，让它们在同 一个控制器的指挥下，按照同一条指令的要求，对向量 或数组的各元素同时进行同一操作，就形成了阵列处理 机 。 在单处理机中，资源共享的概念实质上是用单处理机 模拟多处理机的功能，形成所谓虚拟机的概念。 分时系统 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 多机系统遵循时间重叠、资源重复、资源共享原理，发展为3种不同