計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程介紹

1、2024年3月10日星期日,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,1,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),包仲賢蘭州理工大學(xué)計算機(jī)與通信學(xué)院,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,2,中國宮廷式,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,3,歐洲哥特式,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,4,,阿拉伯風(fēng)格,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,5,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,6,印度泰姬陵,

2、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,7,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,8,計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系,9,,1. 課程名稱 Computer Architecture 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 建筑物的設(shè)計或式樣, 通常指一個系統(tǒng)的外貌2. 研究內(nèi)容 從外部來研究計算機(jī)系統(tǒng) 使用者所看到的物理計算機(jī)的抽象 編寫出能夠在機(jī)器上正確運行的程序所必須了解到的計算機(jī)屬

3、性,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,10,我們有沒有必要學(xué)習(xí)計算機(jī)設(shè)計技術(shù)？,答案：肯定有必要，并且非常必要。放棄微處理器的設(shè)計與OS的研究和開發(fā)曾是我們的國策。后來已開始反省這一國策，提出開發(fā)自己的微處理器和OS。在今天后PC時代更有必要。因為在后PC時代，計算機(jī)的主要作用不再是獨立使用的機(jī)器，而是一個應(yīng)用系統(tǒng)或設(shè)備的組件（如馬達(dá)一樣）,？,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,11,◆ 體系結(jié)構(gòu)非常重要

4、◆ 從系統(tǒng)這一級來看計算機(jī),◆ 建立計算機(jī)系統(tǒng)概念,◆ 總體設(shè)計（設(shè)計策略,注重原理和方法）,◆ 站得高，看得遠(yuǎn)，講得透,總體結(jié)構(gòu) 總工程師,3. 本課程的意義,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹,12,4. 學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)體系結(jié)構(gòu)的目的是什么？學(xué)習(xí)設(shè)計計算機(jī)的技術(shù)建立計算機(jī)系統(tǒng)的完整概念學(xué)習(xí)計算機(jī)系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計方法了解計算機(jī)系統(tǒng)的最新研究成果設(shè)計有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的計算機(jī),計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹,13,5. 與其他

5、學(xué)科的交叉學(xué)科交叉：計算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微計算機(jī)技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、……新內(nèi)容：超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、VLIW處理機(jī)、向量處理機(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)、互連網(wǎng)絡(luò)、……計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正處于變革時期 軟件-系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-實現(xiàn)技術(shù), 兩頭發(fā)展快中間慢 非馮計算機(jī)正興起,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹,14,6. 課程安排課內(nèi)：32學(xué)時，課內(nèi)外比例：課內(nèi)1：課外>1除完成作業(yè)之外，還要多看參考

6、書了解國內(nèi)外最新研究成果7. 教材和參考書教材： 鄭偉民 湯志忠 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第二版) ，清華大學(xué)出版社,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹,15,參考書：(1)David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Architecture: A Quantitative Approach 3 Ed. San Francisco: Morgan Kaufmann Publi

7、shers 中文：計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法(2)Kai Hwang，Advanced Computer Acrchitecture Parallelism Scalability Programmability 中文：高等計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：并行性 可擴(kuò)展性 可編程性， 清華大學(xué)出版社、廣西科學(xué)技術(shù)出版社,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,16,第1章 基本概念,1.1 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介1.2 計算機(jī)系統(tǒng)

8、的評價標(biāo)準(zhǔn)1.3 計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)1.4 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.5 計算機(jī)系統(tǒng)的分類,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,17,1.1 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介,1.1.1 為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1.2 如何認(rèn)識計算機(jī)系統(tǒng)1.1.3 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義1.1.4 計算機(jī)組成技術(shù)1.1.5 計算機(jī)實現(xiàn)技術(shù),計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,18,為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu),1. 提高處理機(jī)運算速度：MIP

9、S＝Fz ? IPC 其中: Fz為處理機(jī)的工作主頻 IPC(Instruction Per Cycle)為 每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)提高IPC：依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 過去，幾個或幾十個周期完成一條指令 現(xiàn)在，一個周期完成幾條指令提高Fz：縮短門電路延遲，依靠技術(shù)進(jìn)步 流水線技術(shù)等，依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

10、 從指令串行執(zhí)行，到P4的20級流水線,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,19,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,20,2. 計算機(jī)性能提高的幾個階段20世紀(jì)70年代末之前，大型機(jī)和小型機(jī)計算機(jī)性能每年提高25%~30%。20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)微處理機(jī)，依靠集成電路技術(shù)，性能每年提高35%20世紀(jì)80年中期，出現(xiàn)RISC技術(shù)、高級語言和操作系統(tǒng)等，性能每年提高50%1995年，先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對微處理

11、器性能的貢獻(xiàn)是單純技術(shù)進(jìn)步的5倍。3. 計算機(jī)性能按摩爾定理發(fā)展，但摩爾定律正在走向死角。4. 計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計者們要不斷創(chuàng)新。,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,21,如何認(rèn)識計算機(jī)系統(tǒng),1. 虛擬計算機(jī)定義：從不同角度所看到的計算機(jī)系統(tǒng)的屬性是不同的。主要觀察角度包括： 應(yīng)用程序員 系統(tǒng)程序員 硬件設(shè)計人員對計算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識通常只需要在某一個層次上,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念

12、,22,虛擬計算機(jī)系統(tǒng),計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,23,2. 計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機(jī)系統(tǒng)可分為7個層次 第3級至第6級由軟件實現(xiàn),稱為虛擬機(jī)從學(xué)科領(lǐng)域來劃分： 第0級和第1級屬于計算機(jī)組成原理 第2級屬于計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第3至第5級屬于系統(tǒng)軟件 第6級屬于應(yīng)用軟件它們之間有交叉 例如：第3級必須依賴第4級和第5級來實現(xiàn),計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,24,計算機(jī)系統(tǒng)的

13、層次結(jié)構(gòu),25,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,26,3. 透明性概念定義：本來存在的事物或?qū)傩裕瑥哪撤N角度看似乎不存在例如：CPU類型、型號、主存儲器容量等 對應(yīng)用程序員 透明 對系統(tǒng)程序員、硬件設(shè)計人員等 不透明例如：浮點數(shù)表示、乘法指令 對高級語言程序員、應(yīng)用程序員 透明 對匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員 不透明

14、例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序 對匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員 透明 對硬件設(shè)計人員、計算機(jī)維修人員 不透明,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,28,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義一 Amdahl于1964年在推出IBM360系列計算機(jī)時提出：程序員所看到的計算機(jī)系統(tǒng)的屬性, 即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性程序員：系統(tǒng)程序員（包括：匯編語言、機(jī)器語言、編譯程序、操作系統(tǒng)）看到的：編寫

15、出能在機(jī)器上正確運行的程序所必須了解到的,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,29,概念性結(jié)構(gòu) IBM360系列計算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu),計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,30,數(shù)據(jù)表示：硬件能夠直接認(rèn)別和處理的數(shù)據(jù)類型； 尋址技術(shù)：編址方式、尋址方式和定位方式等； 寄存器組織：操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存 器及專用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則等； 指令系統(tǒng)：操作類型、格式，指令間的排序控制等； 中

16、斷系統(tǒng)：中斷類型、中斷級別和中斷響應(yīng)方式等； 存儲系統(tǒng)：尋址空間、虛擬存儲器、Cache存儲器等； 處理機(jī)工作狀態(tài)：定義和切換方式，如管態(tài)和目態(tài)等； 輸入輸出系統(tǒng)：數(shù)據(jù)交換方式、交換過程的控制等； 信息保護(hù)：信息保護(hù)方式和硬件對信息保護(hù)的支持等。,功能特性 指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,31,2. 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義二 研究軟硬件功能分配和對軟硬件界面的確定計算機(jī)系統(tǒng)由軟件、硬件和

17、固件組成，它們在功能上是同等的。同一種功能可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件或固件實現(xiàn)。不同的組成只是性能和價格不同, 他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是相同的。系列計算機(jī)概念：相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu),不同組成和實現(xiàn)的一系列計算機(jī)系統(tǒng)。,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,32,計算機(jī)組成技術(shù),1.課程名稱 Computer Organization 計算機(jī)組成，計算機(jī)組織，計算機(jī)原理，計算機(jī)組成原理2.研究方法 從內(nèi)部研究計算機(jī)系統(tǒng)

18、 計算機(jī)組成是指計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)。,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,33,,3.主要研究內(nèi)容,確定數(shù)據(jù)通路的寬度； 確定各種操作對功能部件的共享程度； 確定專用的功能部件； 確定功能部件的并行度； 設(shè)計緩沖和排隊策略； 設(shè)計控制機(jī)構(gòu)； 確定采用何種可靠性技術(shù)。,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,34,計算機(jī)實現(xiàn)技術(shù),計算機(jī)實現(xiàn)是指計算機(jī)組成的物理實現(xiàn)主要包括： 處理機(jī)、主存儲器等部

19、件的物理結(jié)構(gòu)； 器件的集成度和速度； 專用器件的設(shè)計； 器件、模塊、插件、底版的劃分與連接； 信號傳輸技術(shù)； 電源、冷卻及裝配技術(shù)，制造工藝及技術(shù)等。隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間的界限越來越模糊。,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,35,運算速度存儲器系統(tǒng)其他性能價格標(biāo)準(zhǔn),計算機(jī)系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn),計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,36,運算速度,運算速度是表示

20、處理機(jī)性能的主要指標(biāo)。 有多種表示處理機(jī)運算速度的方法。 哪一種表示方法合理？1. 時鐘頻率（處理機(jī)主頻） 只能用于同一公司、同一類型、同一配置的處理機(jī) 如：Pentium4 2.0G比Pentium4 1.6G快25%? Pentium4 2.4G比Pentium4 1.6G快50%? 只表示CPU的指令處理能力 實際運算速度還與Cache、內(nèi)存、I/O、被執(zhí)行程序等均有關(guān)。,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

21、 第一章 基本概念,37,2.指令執(zhí)行速度 一種經(jīng)典的表示運算速度的方法 MIPS(Million Instructions Per Second), GIPS, TIPS 其中: Fz為處理機(jī)的工作主頻 CPI(Cycles Per Instruction)為 每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)

22、IPC(Instruction Per Cycle)為 每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)例1：計算 PentiumIV 2GHz 處理機(jī)的指令執(zhí)行速度。,解：由于 PentiumIV 2GHz 處理機(jī)的 IPC＝4（或CPI＝0.25）, Fz＝2000MHz 因此，MIPSPentiumIV2G＝Fz?IPC＝20

23、00?4 ＝8000MIPS＝8GIPS 即每秒鐘80億次(平均每秒鐘執(zhí)行80億條指令) 主要優(yōu)點：直觀、方便。目前還經(jīng)常使用 主要缺點: (1) 不同指令的執(zhí)行速度差別很大 (2) 指令使用頻度差別很大 (3) 有相當(dāng)多的非功能性指令,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,39,3.

24、等效指令速度： 吉普森（Gibson）法：加減法50％，乘法15％，除法5％，程序控制15％，其他15％ 靜態(tài)指令使用頻度：在程序中直接統(tǒng)計 動態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過程中統(tǒng)計,例2：我國早期研制的一種小型計算機(jī)DJS-130 定點16位，加法指令每秒50萬次，但沒有硬件乘除法指令。用軟件實現(xiàn)乘除法，速 度低100倍左右。求等效指令速度。解：等效指令速度為：,即每秒2萬次， 由于用軟件實現(xiàn)乘除法，等

25、效指令速度降低了25倍。,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,41,例3：假設(shè)在一般程序中浮點開平方操作FPSQR所占 的比例為2％，它的CPI為100；其他浮點操作 FP所占的比例為23％，它的CPI＝4.0；其余 75％指令的CPI＝1.33，計算該處理機(jī)的等效 CPI。如果FPSQR操作的CPI也為4.0，重新計算 等效CPI。解：,等效CPI1＝100?2％＋4?23

26、％＋1.33?75％＝3.92等效CPI2＝4?25％＋1.33?75％＝2.00,改進(jìn)了在用戶程序中僅占2％的開平方操作，整個機(jī)器的等效運算速度提高了近一倍。,,4. 指令執(zhí)行速度的 4 種平均方法 算術(shù)平均： 調(diào)和平均(用速率來度量)： 加權(quán)平均加權(quán)算術(shù)平均：加權(quán)調(diào)和平均：,,幾何平均： 其中：n 指不同的程序，ETR(execution time ratio) i是第i個程序相對于參考機(jī)器正交化后的執(zhí)行時間

27、 幾何平均速度與所參考的機(jī)器無關(guān)，有如下性質(zhì)： 幾何平均值的比率等于比率的幾何平均值,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,44,,5. 核心程序法 把應(yīng)用程序中使用最頻繁的那部分程序作為評價計算機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)程序。稱為基準(zhǔn)測試程序(benchmark) ? 整數(shù)測試程序：Dhrystone 用C語言編寫,100條語句。包括：各種賦值語句,數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)區(qū),控制語句,過程調(diào)用和參數(shù)傳送,整數(shù)運算和

28、邏輯操作等。 VAX-11/780的測試結(jié)果為每秒1757個Dhrystones，即：1VAX MIPS＝1757 Dhrystones／Second ? 浮點測試程序：Linpack 用FORTRAN編寫，主要是浮點加法和浮點乘法操作 用 MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second)表示，GFLOPS、TFLOPS,linpack是一個可以分解

29、和解答線性方程和線性最小平方問題的Fortran子程序集.這個包解決的線性系統(tǒng)是:矩陣是普通的,帶狀的,均衡模糊的,均衡確定的,三角形,tridiagonal square.另外在包計算QR和單值矩形矩陣分解并用它們解決最小平方根問題.　　linpack于20世紀(jì)70年代到80年代初為超級計算機(jī)而設(shè)計,linpack主要是為替代lapack.它(linpack)被設(shè)計高效運行于共享存儲器,向量的超級計算機(jī).,,? SPEC基準(zhǔn)程序

30、 System Performance Evaluation Cooperative 由30個左右世界知名計算機(jī)大廠商所支持的非盈利性國際合作組織，包括：IBM、AT&T、BULL、Compaq、CDC、DG、DEC、Fujitsu、HP、Intel、MIPS、Motolola、SGI、SUN、Unisys等； 1989年10月宣布SPEC1.0，程序量超過15萬行,包含4個定點程序和6個浮點程序, 測試結(jié)果用S

31、PECint’89和SPECfp’89表示。 1992年增加到有6個定點程序和14個浮點程序,測試結(jié)果用SPECint’92和SPECfp’92表示。 1995年推出SPECint’95和SPECfp’95 SPEC2000，12個定點程序、14個浮點程序,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,46,,? SPEC基準(zhǔn)測試程序舉例 處理機(jī) SPECint’95

32、SPECfp’95 PentiumII 450 18.5 13.3 PentiumIII 450 18.7 13.7 PentiumIII 500 20.6 14.7 PientiumIII 550 22.3

33、 15.6 Celeron 300A 12.0 9.66 Celeron 333 13.1 10.20 Celeron 366 14.1 10.70 Celeron 400 15.1

34、 11.20 Celeron 433 16.1 11.60 Celeron 466 17.0 12.00,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,47,Pentium4性能評測數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)全部來源于Intel網(wǎng)站）,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,48,計算機(jī)

35、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,49,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,50,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,51,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,52,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,53,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,54,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,55,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,56,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一

36、章 基本概念,57,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,58,6. 峰值速度 蜂值指令速度：MIPS、GIPS、TIPS 浮點蜂值速度：MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS例5：一個由36臺計算機(jī)組成的Cluster系統(tǒng)，每 臺計算機(jī)內(nèi)部由4個PentiumIII 700，計算這個Cluster系統(tǒng)的指令峰值速度。解：PentiumIII 700MHz，有3條指令流水線，

37、 峰值指令速度為：700 ? 3 ＝2100MIPS Cluster的峰值指令速度＝700 ?３?36 ?４ ＝302 400MIPS 即每秒３千億次,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,59,存儲系統(tǒng),1.存儲層次 第1層：Register Files(寄存器堆) 第2層

38、：Lookahead(先行緩沖站)　 第3層：Cache(高速緩沖存儲器) 第4層：Main Memory(主存儲器) 第5層：Online Storage(聯(lián)機(jī)存儲器) 第6層：Off-line Storage(脫機(jī)存儲器) 第1~3層在CPU芯片內(nèi)部，第4層在主板上，第5層在機(jī)箱內(nèi)(硬盤)，第6層依靠手工加載(VCD/DVD/磁帶/刻錄機(jī)等),計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,60,計算

39、機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,61,2. 尋址空間 程序員可以使用的存儲器容量，即每個程序的大小 通常有216、224、232、264、… Pentium處理機(jī)的尋址空間為4GB 與實際配置的存儲器容量無關(guān)3. 存儲容量 實際物理存儲器的大小 通常用KB、MB、GB等表示,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,62,4. 主存儲器的種類 SDRAM (Synchronous D

40、ynamic Random Access Memory) RDRAM (RAMBUS DRAM) DDR (Dual Date Rate DRAM)5. 速度 主存度與CPU系統(tǒng)總線速度相匹配 P4系統(tǒng)總線速度400MHz(3200MB/S)或533 DDR: 64bits×333MHz/8=2700MB/S RDRAM: 16bits

41、15;800MHz/8×2=3200MB/S 6. 存儲系統(tǒng) 采用軟件和硬件相結(jié)合的方法，獲得速度高、容量大、價格便宜的存儲器,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,63,其他性能,1. 字長 1～幾百位，16位、32位、64位 ? 由數(shù)據(jù)字長決定，8的倍數(shù)，32位、64位等 ? 可變字長：任意組合2. 數(shù)據(jù)表示 ? 定點、浮點、邏輯、向量、串、棧、樹、… ? 發(fā)展方向之一：自定義數(shù)

42、據(jù)表示4. 指令系統(tǒng) ? CISC(Complex Instruction Set Computer)復(fù)雜指令集計算機(jī) ? RISC(Reduced Instruction Set Computer)精簡指令集計算機(jī) ? VLIW(Very Long Instruction Word) 超長指令字,4. 輸入輸出系統(tǒng) ? 輸入輸出系統(tǒng)的組織方式 ? 中斷系統(tǒng) ? 通道處理機(jī) ? 輸入輸出處理機(jī)5. 保護(hù)和

43、診斷能力 ? 程序與數(shù)據(jù)的保護(hù) ? 診斷能力：檢錯, 糾錯, 冗余, 自診斷能力 ? 可靠性：RAS技術(shù)，可靠性R，可用性A，可維護(hù)性S,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,65,價格標(biāo)準(zhǔn),1．價格與性能的關(guān)系： ? 摩爾定理：速度每10年左右提高100倍， 但價格基本維持不變 ? 用當(dāng)前同樣的價格，在5年之后能買到性能高出10倍的計算機(jī)2．硬件與軟件的價格比例： ? 硬件在整個計算機(jī)系統(tǒng)價格

44、中所占的比例在下降，軟件所占的比例在上升 ? 目前軟件價格已經(jīng)超過硬件價格,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,66,軟件所占的成本越來越高,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,67,計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù),計算機(jī)設(shè)計者的任務(wù)軟硬件取舍軟件兼容性計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計方法,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,68,計算機(jī)設(shè)計者的任務(wù),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計：包括指令集、存儲系統(tǒng)、總線結(jié)構(gòu)、處理器設(shè)計等，是軟硬件的分界

45、面硬件實現(xiàn)技術(shù)：相當(dāng)重要，不同指令集對系統(tǒng)性能的影響在縮小應(yīng)用或市場需求性能優(yōu)化：可靠性、容錯性、價格與性能實現(xiàn)的復(fù)雜性：硬件實現(xiàn)方案、軟件復(fù)雜性、投放市場時間性能價格比：必須考慮實現(xiàn)的成本，包括軟件成本,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,70,軟硬件取舍,1. 軟硬件的關(guān)系理論上：有兩種極端實現(xiàn)方法： 全硬件機(jī)器：操作系統(tǒng)、高級語言、應(yīng)用等 硬件只有1位加法和分支操作，其他都用軟件關(guān)鍵問題：性能與

46、價格的關(guān)系軟件與硬件實現(xiàn)的特點 硬件實現(xiàn)：速度快、成本高；靈活性差、占用內(nèi)存少 軟件實現(xiàn)：速度低、復(fù)制費用低；靈活性好、占用內(nèi)存多,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,71,硬件實現(xiàn)的比例越來越高,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,72,,,2. 從價格因素考慮的軟硬件取舍 假設(shè)：硬件設(shè)計費為Dh、軟件設(shè)計費為Ds、硬件拷貝費為Ch、軟件拷貝費為Cs，R為軟件重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)(占用內(nèi)存、占用介

47、質(zhì))，當(dāng)臺數(shù)為V時，每臺的硬件費用和軟件費用之比為： 由于：Dh >> Ds，Ch >> Cs，當(dāng)R很大時，經(jīng)常使用的基本功能適宜用硬件實現(xiàn) 由于：Ds >> Cs，當(dāng)V很大時，生產(chǎn)臺數(shù)很多時適宜用硬件實現(xiàn),計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,73,,3. 從改進(jìn)性能考慮的軟硬件取舍基本方法：加快經(jīng)常性事件的執(zhí)行速度Amdahl定律：系統(tǒng)中某一部件由于采用更快的執(zhí)行方

48、式后，整個系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時間的比例有關(guān)。 在Amdahl定律中，加速比與兩個因素有關(guān)：,,改進(jìn)后整個任務(wù)的執(zhí)行時間為： 其中：Ｔ0為改進(jìn)前的整個任務(wù)的執(zhí)行時間。 改進(jìn)后整個系統(tǒng)的加速比達(dá)到： 其中：Fe表示可改進(jìn)部分所占的百分比， (1-Fe)表示不可改進(jìn)部分所占的百分比， Se表示改進(jìn)后，可改進(jìn)部分的加速比。,,例5：某部件的處理時間僅為整

49、個運行時間的 40%，如果將該部件的處理速度加快到10 倍，則采用加快措施后能使整個系統(tǒng)的 性能提高多少？解：由題意可知：Fe=0.4, Se=10， 根據(jù)Amdahl定律，加速比為：,4. 改進(jìn)性能的主要途徑 (1) 面向目標(biāo)代碼改進(jìn) 方法：用一條指令代替一串指令 根據(jù)計算結(jié)果改進(jìn)：例如，增加硬件乘法和硬件除法指令能夠,使等效指令速度提高25倍， 據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)改進(jìn)指令功能：

50、 如數(shù)據(jù)傳送指令、快速保存與恢復(fù)現(xiàn)場指令等 增加運算型指令的功能：如函數(shù)運算指令等,,(2) 面向高級語言和編譯程序改進(jìn)： 方法：增強對高級語言和編譯程序支持的指令的功能 例如：在do循環(huán)中，循環(huán)體只 有一二條的占60%左右，增加 循環(huán)控制指令。 例如：條件碼對高級語言幾乎 無用，在并行計算機(jī)中已經(jīng)取 消條件碼。,,I>m2,(3) 面向操作系統(tǒng)改進(jìn)： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計要規(guī)整

51、，消除例外情況。 寄存器定義要統(tǒng)一(如 A 寄存器等) 操作要均勻(如 A-B 與 B-A) 所有的存儲部件都要對稱 進(jìn)程的管理和切換 存儲管理和信息保護(hù) 進(jìn)程的同步與互斥，信號燈管理 處理機(jī)工作狀態(tài)和訪問方式的轉(zhuǎn)換 這類指令的使用頻度往往很低，但必須設(shè)置,軟件兼容性設(shè)計方法,原因：軟件相對于硬件的成本越來越貴， 已積累了大量成熟的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。1. 兼容種

52、類 (1)向后兼容：在某一時間生產(chǎn)的機(jī)器上運行的目標(biāo) 軟件能夠直接運行于更晚生產(chǎn)的機(jī)器上。 (2)向前兼容： (3)向上兼容：在低檔機(jī)器上運行的目標(biāo)軟件能夠直 接運行于高檔機(jī)器上。 (4)向下兼容： 向后兼容必須做到，向上兼容盡量做到 向前兼容和向下兼容，可以不考慮,方法一：系列機(jī)方法 系列機(jī)定義: 具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但組成和實現(xiàn)技術(shù)不同的一系列計算機(jī)系統(tǒng) 實現(xiàn)方法：

53、 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的性能和不同的器件，研制出多種性能和價格不同的計算機(jī)系統(tǒng)。 一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成也可以有多種物理實現(xiàn) 如IBM370系列機(jī): 115,125,135,145,158,168等,相同的指令系統(tǒng)，采用順序執(zhí)行、重迭、流水和并行處理方式相同的32位字長，數(shù)據(jù)通路寬度為8位、16位、32位、64位。如PC系列機(jī)有： 不同主頻：4.7MHz，500MHz，1G

54、Hz，2.4GHz, 3GHz, … 不同擴(kuò)展：Pentium、Pentium Pro、Pentium MMX、Pentium SSE、Pentium SSE2 不同Cache：Pentium、Celeron、Xeon 不同字長：8位、16位、32位、64位,采用系列機(jī)方法的主要優(yōu)點： (1) 系列機(jī)之間軟件兼容，可移植性好 (2) 插件、接口等相互兼容 (3) 便于實現(xiàn)機(jī)間通信

55、 (4) 便于維修、培訓(xùn) (5) 有利于提高產(chǎn)量、降低成本 采用系列機(jī)方法的主要缺點： 限制了計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 如PC系列機(jī)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常落后，使用也最普及,方法二：模擬與仿真 Simulation Emulation定義：在一臺現(xiàn)有的計算機(jī)上實現(xiàn)另一臺計算機(jī)的指令系統(tǒng)。全部用軟件實現(xiàn)的叫模擬，用軟件、硬件、固件混合實現(xiàn)的叫仿真模擬的實現(xiàn)方法 在A計算機(jī)上通過解釋或編譯實現(xiàn)B計算機(jī)的指令系統(tǒng)。A機(jī)

56、器稱為宿主機(jī)，B機(jī)器稱為虛擬機(jī)。仿真的實現(xiàn)方法 直接用A機(jī)器的一段微程序解釋執(zhí)行B機(jī)器的指令。A機(jī)器稱為宿主機(jī)，B機(jī)稱為目標(biāo)機(jī)。,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,84,優(yōu)缺點比較 模擬方法速度低，仿真方法速度高 仿真需要較多的硬件（包括控制存儲器） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差別大的機(jī)器難于用仿真方法實現(xiàn) 除了指令系統(tǒng)之外，還有存儲系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、控制臺的操作等模擬方法用于計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計過程

57、 在一臺已有的機(jī)器上用模擬方法實現(xiàn)正在設(shè)計中的機(jī)器的指令系統(tǒng)等。具體過程如下：設(shè)計方案?模擬?性能評價?修改設(shè)計?投產(chǎn),,,,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,85,方法三：統(tǒng)一高級語言 實現(xiàn)方法：采用同一種不依賴于任何具體機(jī)器的高級語言編寫系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 困難：至今還沒有這樣一種高級語言，短期內(nèi)很難實現(xiàn)。C、Ada、Java、…… 三種方法比較： 采用統(tǒng)一高級語言最好，是努力的目標(biāo)

58、系列機(jī)是暫時性方法，也是目前最好的方法 仿真的速度低，芯片設(shè)計的負(fù)擔(dān)重，目前用于同一系列機(jī)內(nèi)的兼容，1/10～1/2的芯片面積用于仿真,方法四：目標(biāo)代碼的并行編譯技術(shù) 一個新的研究課題 一種機(jī)器的目標(biāo)代碼重新編譯到另一種機(jī)器的并行目標(biāo)代碼 兩種方法： (1) 動態(tài)代碼轉(zhuǎn)換 例1：IBM公司研制 DAISY(Dynamically Architected Instruction Set from Yo

59、rktown) 處理機(jī) 例2：Transmeta公司研制Crusoe處理機(jī) 已經(jīng)大量應(yīng)用于筆記本計算機(jī)，其功耗很低。 (2) 靜態(tài)重編譯：正在研究過程中，難度很大,動態(tài)代碼轉(zhuǎn)換技術(shù),采用動態(tài)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)與X86等處理機(jī)兼容，把X86等通用處理機(jī)的程序直接映射到VLIW處理機(jī)中執(zhí)行。IBM公司推出了開放源代碼DAISY，它不僅可以實現(xiàn)IBM的VLIW處理器與X86處理機(jī)之間的二進(jìn)制兼容，還可以實現(xiàn)PowerP

60、C、S/390、IBM的Java虛擬機(jī)與VLIW處理器之間的二進(jìn)制兼容Transmeta公司推出了“Code Morphing Software”，這種軟件可以保證Transmeta公司的VLIW處理機(jī)Crusoe能夠與X86處理機(jī)之間實現(xiàn)二進(jìn)制代碼兼容,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,88,計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計過程,方法1：由上向下（Top-Down）設(shè)計過程：由上向下 面向應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型→面向應(yīng)用的高級語言→面向這

61、種應(yīng)用的操作系統(tǒng)→面向操作系統(tǒng)和高級語言的機(jī)器語言→面向機(jī)器語言的微指令系統(tǒng)和硬件實現(xiàn)應(yīng)用場合：專用計算機(jī)的設(shè)計特點：對于所面向的應(yīng)用領(lǐng)域，性能和性能價格比很高。隨著通用計算機(jī)價格降低，目前已經(jīng)很少采用,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,89,方法2：由下向上（Bottom-Up)設(shè)計過程： 根據(jù)當(dāng)時的器件水平，設(shè)計微程序機(jī)器級和傳統(tǒng)機(jī)器級→根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計多種操作系統(tǒng)、匯編語言、高級語言編譯器等→最后設(shè)計

62、面向應(yīng)用的用戶級應(yīng)用場合：通用計算機(jī)的一種設(shè)計方法，在計算機(jī)早期設(shè)計中（60～70年代）廣為采用特點：容易使軟件和硬件脫節(jié)，整個計算機(jī)系統(tǒng)的效率降低。,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,90,方法3：中間開始（Middle-Out) 用于系列計算機(jī)的設(shè)計過程中,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,91,方法3：中間開始（Middle-Out)設(shè)計過程： 首先定義軟硬件的分界面(指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)

63、、輸入輸出系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、硬件對操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)的支持等) 然后各個層次分別進(jìn)行設(shè)計(軟件設(shè)計人員設(shè)計操作系統(tǒng)、高級語言、匯編語言、應(yīng)用程序等，硬件設(shè)計人員設(shè)計傳統(tǒng)機(jī)器、微程序、硬聯(lián)邏輯等) 應(yīng)用場合：用于系列機(jī)的設(shè)計 特點：軟硬件人員結(jié)合、同時設(shè)計，軟硬件功能分配合理。,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,92,計算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展,馮·諾依曼結(jié)構(gòu)器件發(fā)展的影響應(yīng)用發(fā)展的影響改進(jìn)算法的影響,計算機(jī)系

64、統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,93,馮·諾依曼結(jié)構(gòu),Van Nenmann基本思想于1936年～1946年期 間形成，由馮·諾依曼等人于1946年提出,,1. 特點: 存儲程序、運算器為中心、集中控制存儲器是字長固定的、順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個地址是唯一定義的。 4096個字、40位。由指令形式的低級機(jī)器語言驅(qū)動。指令順序執(zhí)行，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)。

65、運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運算器。運算器、存儲器、輸入輸出設(shè)備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,95,2. 現(xiàn)代處理機(jī)對馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 不變的：存儲程序 改變的：存儲器為中心, 總線結(jié)構(gòu), 分散控制從基于串行算法變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，出現(xiàn)了向量計算機(jī)，并行計算機(jī)、多處理機(jī)等流水線處理機(jī)，超標(biāo)量處理機(jī)，超流水線處理機(jī)，超

66、標(biāo)量超流水線處理機(jī)數(shù)據(jù)庫計算機(jī)和知識庫計算機(jī)專用計算機(jī)，如過程控制計算機(jī)為獲得高可靠性而研制容錯計算機(jī) 功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種分布計算機(jī)、外圍處理機(jī)、通信處理機(jī)等,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,96,存儲器為中心、分散控制,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,97,總線結(jié)構(gòu)，分散控制總線： 連接計算機(jī)各功能部件的連線和管理信息傳輸規(guī)則的邏輯電路稱為總線。特點：在任何時刻，只能有一個部件向總線上

67、發(fā)送信息，可以有多個部件同時接收信息。組成： 數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。 單總線結(jié)構(gòu),計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,98,雙總線結(jié)構(gòu),計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,99,三總線結(jié)構(gòu),計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,100,3. 非馮計算機(jī)的發(fā)展什么是非馮計算機(jī)？非指令驅(qū)動，…從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機(jī)計算機(jī)。從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)樾枨篁?qū)動型，出現(xiàn)

68、各種圖歸約計算機(jī)。處理非數(shù)值化信息的智能計算機(jī)，自然語言、聲音、圖形和圖象處理,虛擬現(xiàn)實處理等第五代計算機(jī)，由推理機(jī)和知識庫機(jī)等組成。歷經(jīng)10年，召開過多次專題國際會議。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)，仿生計算機(jī)，…,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,101,器件發(fā)展的影響,1. 第1代至第4代計算機(jī)以器件來劃分 第一代：電子管(Valve) 第二代：晶體管(Transistor) 第三代：集成電路(LSI)

69、第四代：大規(guī)模集成電路(VLSI) 第五代：智能計算機(jī)？第五代計算機(jī)以什么作為標(biāo)志來劃分？第五代計算機(jī)什么時候誕生？,計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念,102,2. 器件發(fā)展的特點(1) 集成度迅速提高 目前水平：每個芯片有1010個晶體管 單芯片內(nèi)可以做大于1Gb存儲器， 單芯片內(nèi)可以集成2個CPU＋全部Cache 每4~5年提高一個數(shù)量級 還遠(yuǎn)沒有達(dá)到集成度的極限 問題？ 如