《计算机体系结构第一部分》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机体系结构第一部分（87页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章 计算机体系结构基本概念,1.1 引言 1.2 计算机体系结构的概念 1.3 计算机体系结构的发展 1.4 影响计算机体系结构的成本和价格因素 1.5 定量分析技术基础 1.6 计算机体系结构中并行性的发展,第一章 计算机体系结构的基本概念,1.1 引 言,1. 计算机性能的高速增长受益于： 2. 体系结构的重要性 3. 基于微处理器的系统,电路技术的发展 体系结构技术的发展,第一章 计算机体系结构的基本概念,1.2.1 计算机系统中的层次概念 1.2.2 计算机体系结构 1.2.3 计算机组成和计算机实现技术,1.2 计算机体系结构的概念,第一章 计算机体系结构的基本概念,计算机系统软
2、件硬件/固件 很复杂的一个系统！,1.2.1 计算机系统中的层次概念 A 多级层次结构 A.1 翻译 A.2 解释 A.3 虚拟机,第一章 计算机体系结构的基本概念,大家学习过TCP/IP模型，知道存在着一种对复杂系统进行分层分析的方法。 对计算机系统进行分析，是否也存在分层的分析方法呢？,1.2.1 计算机系统中的层次概念 A 多级层次结构 A.1 翻译 A.2 解释 A.3 虚拟机,第一章 计算机体系结构的基本概念,回顾下计算机语言的发展： 随着计算机系统的发展，已设计出一系列语言。 从面向机器的语言(如机器语言、汇编语言) 到各种高级程序设计语言(如Java、C/C+、FORTRAN、P
3、ascal)， 再到各种面向问题的语言或者叫应用语言(如面向数据库查询的SQL语言，面向数字系统设计的VHDL语言，面向人工智能的PROLOG语言)。 我们能不能和TCP/IP模型进行类比，从计算机语言的发展中发掘出一些规律呢？,1.2.1 计算机系统中的层次概念 A 多级层次结构 A.1 翻译 A.2 解释 A.3 虚拟机,第一章 计算机体系结构的基本概念,计算机语言就是这样由低级向高级发展，高一级语言的语句相对于低级语言功能更强，更便于应用，但又都是以低级语言为基础的。 计算机语言可分成一系列的层次(level)或级，最低层语言的功能最简单，最高层语言的功能最强。对于用某一层语言编写程序的
4、程序员来说，他一般不管其程序在机器中是如何执行的，只要程序正确，他终能得到预期的结果。这样，对这层语言的程序员来说，他似乎有了一种新的机器，这层语言就是这种机器的机器语言，该机器能执行用该层语言编写的全部程序。因此计算机系统就可以按语言的功能划分成多级层次结构。每一层以一种不同的语言为特征。这样，可以把现代计算机系统画出如图所示的层次结构,1.2.1 计算机系统中的层次概念 A 多级层次结构 A.1 翻译 A.2 解释 A.3 虚拟机,第一章 计算机体系结构的基本概念,这级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序一般是直接由硬件解释实现的。,第2级是传统机器级。这级的机器语言是该机的指
5、令集，程序员用机器指令集编写的程序可以由微程序进行解释。这个解释程序运行在第1级上。由微程序解释指令集又称作仿真(emulation)。实际上，在第1级可以有一个或数个能够在它上面运行的解释程序，每一个解释程序都定义了一种指令集。因此，可以通过仿真在一台机器上实现多种指令集,第2级是传统机器级。这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令集编写的程序可以由微程序进行解释。这个解释程序运行在第1级上。由微程序解释指令集又称作仿真(emulation)。,第2级是传统机器级。这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令集编写的程序可以由微程序进行解释。这个解释程序运行在第1级上。由微程序解释指
6、令集又称作仿真(emulation)。,实际上，在第1级可以有一个或数个能够在它上面运行的解释程序，每一个解释程序都定义了一种指令集。因此，可以通过仿真在一台机器上实现多种指令集,计算机系统中也可以没有微程序机器级。在这些计算机系统中是用硬件直接实现传统机器的指令集，而不必由任何解释程序进行干预。我们目前使用的RISC技术就是采用这样的设计思想，处理器的指令集全部用硬件直接实现以提高指令的执行速度。,第4级是汇编语言虚拟机。这级的机器语言是汇编语言，用汇编语言编写的程序，首先翻译成第3级和第2级语言，然后再由相应的机器执行。完成汇编语言翻译的程序就叫做汇编程序。,第4级上出现了一个重要变化。通
7、常的第1、2和3级是用解释(interpretation)方法实现的，而第4级或更高级则经常是用翻译(translation)方法实现,翻译和解释是语言实现的两种基本技术。它们都是以执行一串N级指令来实现N+1级指令，但二者仍存在着差别：翻译技术是先把N+1级程序全部变换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。而解释技术是每当一条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。在这个过程中不产生翻译出来的程序，因此解释过程是边变换边执行的过程。在实现新的虚拟机器时，这两种技术都被广泛使用。一般来说，解释执行
8、比翻译花的时间多，但存储空间占用较少。,1.2.1 计算机系统中的层次概念 A 多级层次结构 A.1 翻译 A.2 解释 A.3 虚拟机,第一章 计算机体系结构的基本概念,第5级是高级语言虚拟机。这级的机器语言就是各种高级语言，目前高级语言已达数百种。用这些语言所编写的程序一般是由称为编译程序的翻译程序翻译到第4级或第3级上，如C/C+、Pascal、FORTRAN等等，个别的高级语言也用解释的方法实现，如绝大多数BASIC语言系统。,第6级是应用语言虚拟机。这一级是为使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。可以设计专门用于人工智能、教育、行政管理、计算机设
9、计等方面的虚拟机，这些虚拟机也是当代计算机应用领域的重要研究课题。应用语言编写的程序一般是由应用程序包翻译到第5级上。,图中第4级以上完全由软件实现。我们称由软件实现的机器为虚拟机器(virtual machine)，以区别于由硬件或固件实现的实际机器。,1.2.1 计算机系统中的层次概念 A 多级层次结构 A.1 翻译 A.2 解释 A.3 虚拟机,第一章 计算机体系结构的基本概念,软件,硬件或固件,1.2.1 计算机系统中的层次概念 1.2.2 计算机体系结构 1.2.3 计算机组成和计算机实现技术,1.2 计算机体系结构的概念,第一章 计算机体系结构的基本概念,1.2.2 计算机体系结构
10、 A 计算机体系结构的定义 B 透明性 C Amdahl提出的体系结构 D 机器级所具有的属性 E 经典计算机体系结构概 念的实质：,1.2 计算机体系结构的概念,计算机体系结构(computer architecture)这个词目前已被广泛使用。Architecture本来用在建筑方面，译为“建筑学、建筑术、建筑样式、构造、结构”等。这个词被引入计算机领域后，最初的译法也各有不同，以后趋向译为“体系结构”， 经典的“计算机体系结构”定义是1964年C. M. Amdahl在介绍IBM 360系统时提出的：计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。,1.2.2 计算机
11、体系结构 A 计算机体系结构的定义 B 透明性 C Amdahl提出的体系结构 D 机器级所具有的属性 E 经典计算机体系结构概 念的实质：,1.2 计算机体系结构的概念,按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。例如，传统机器程序员所看到计算机的主要属性是该机指令集的功能特性。而高级语言虚拟机程序员所看到计算机的主要属性是该机所配置的高级语言所具有的功能特性。显然，不同的计算机系统，从传统机器级程序员或汇编语言程序员看，是具有不同的属性的。但是，从高级语言(如Pascal)程序员看，它们就几乎没有什么差别，是具有相同属性的。或者说，这些传统机器级所存在的差别是高
12、级语言程序员所“看不见”的，也是不需要他们知道的。在计算机技术中，对这种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。,1.2.2 计算机体系结构 A 计算机体系结构的定义 B 透明性 C Amdahl提出的体系结构 D 机器级所具有的属性 E 经典计算机体系结构概 念的实质：,1.2 计算机体系结构的概念,通常，在一个计算机系统中，低层机器的属性对高层机器的程序员往往是透明的，如传统机器级的概念性结构和功能特性，对高级语言程序员来说是透明的。由此看出，在层次结构的各个级上都有它的体系结构。Amdahl提出的体系结构是指传统机器级的体系结构，即一般所说的机器语言程序员所看
13、到的传统机器级所具有的属性。,1.2.2 计算机体系结构 A 计算机体系结构的定义 B 透明性 C Amdahl提出的体系结构 D 机器级所具有的属性 E 经典计算机体系结构概 念的实质：,1.2 计算机体系结构的概念,这些属性是机器语言程序设计者(或者编译程序生成系统)为使其所设计(或生成)的程序能在机器上正确运行，所需遵循的计算机属性，包含其概念性结构和功能特性两个方面。,数据表示(硬件能直接辩认和处理的数据类型)； 寻址规则(包括最小寻址单元、寻址方式及其表示)； 寄存器定义(包括各种寄存器的定义、数量和使用方式)； 指令集(包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构等)； 中
14、断系统(中断的类型和中断响应硬件的功能等)； 机器工作状态的定义和切换(如管态和目态等)； 存储系统(主存容量、程序员可用的最大存储容量等)； 信息保护(包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持)； I/O结构(包括I/O联结方式、处理机/存储器与I/O设备间数据传送的方式和格式以及I/O操作的状态等)。,1.2.2 计算机体系结构 A 计算机体系结构的定义 B 透明性 C Amdahl提出的体系结构 D 机器级所具有的属性 E 经典计算机体系结构概 念的实质：,1.2 计算机体系结构的概念,这些属性是计算机系统中由硬件或固件完成的功能，程序员在了解这些属性后才能编出在传统机器上正确运行的程序。
15、因此，经典计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。 这里比较全面地讨论了经典的计算机体系结构概念。随着计算机技术的发展，计算机体系结构所包含的内容是不断变化和发展的。目前经常使用的是广义的计算机体系结的概念，它既包括经典的计算机体系结构的概念范畴，还包括了对计算机组成和计算机实现技术的研究。,1.2.1 计算机系统中的层次概念 1.2.2 计算机体系结构 1.2.3 计算机组成和计算机实现技术,1.2 计算机体系结构的概念,第一章 计算机体系结构的基本概念,1.2.3 计算机组成和计算机实现技术 A 计算机组成 B 计算机
16、实现 C 计算机体系结构、 组成和实现三者的关系 D 系列机 D.1 IBM PC系列机 D.2 软件兼容 D.2.1 向上（下、前、后） 兼容 H 兼容机,1.2 计算机体系结构的概念,计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现,1.2.3 计算机组成和计算机实现技术 A 计算机组成 B 计算机实现 C 计算机体系结构、 组成和实现三者的关系 D 系列机 D.1 IBM PC系列机 D.2 软件兼容 D.2.1 向上（下、前、后) 兼容 H 兼容机,1.2 计算机体系结构的概念,计算机实现是计算机组成的物理实现,1.2.3 计算机组成和计算机实现技术 A 计算机组成 B 计算机实现 C 计算机体系结构、 组成和实现三者的关系 D 系列机 D.1 IBM PC系列机 D.2 软件兼容 D.2.1 向上（下、前、后） 兼容 H 兼容机,1.2 计算机体系结构的概念,一种体系结构可以有多种组成 一种组成可以有多种物理实现 下面以系列机为例进行说明,1.2.3 计算机组成和计算机实现技术 A 计算机组成 B
