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1、计算机系统结构（第二版）,主讲教师资料姓名：陈平华电话：13380039225邮箱：,“计算机系统结构”是计算机科学与技术一门专业课程。主要研究计算机系统顶层设计技术和高性能计算机体系结构。 “计算机系统结构”以计算机并行化的概念、方法与技术为主线，以性能评价方法为依托，讲授当前高性能计算机体系结构的主要技术和方法。 本课程的学习目的是建立计算机系统的完整概念，学习计算机系统的分析方法和设计方法，掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理。本课程介绍计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法。内容包括计算机系统结构的基本概念、指令系统、存储系统、输入输出系统、标量处理机、向量处理
2、机互连网络、并行处理机和多处理机等。 本课程概念性和理论性强，课程内容比较广泛，比较抽象，不易掌握，尤其在结构设计和性能的定量计算方面，需要灵活运用所学基本理论和方法。,课程定位与研究内容：,第一章 计算机系统结构的基本概念,计算机的分代 第一代：以电子管为主要逻辑器件（1945-1954） 第二代：以晶体管为主要逻辑器件（1955-1964） 第三代：以中、小规模集成电路为主要逻辑器件（1965-1974） 第四代：大规模集成电路（1975-1990） 第五代：VLSI工艺，高速器件（1991-现在）,换代标志：器件 系统结构,1.1 计算机系统结构,计算机系统结构的变化,本章重点内容,1.
3、 熟练掌握内容:计算机系统层次结构，系统结构定义，计算机组成定义，计算机实现定义，系统结构、组成与实现的三者关系，透明性，Amdahl定律，CPU性能公式，局部性原理，MIPS定义，MFLOPS定义。 2. 掌握内容:系统结构分类，冯诺依曼计算机特征。 3. 了解内容:计算机系统结构的发展，计算机系统设计的主要方法，价格、应用、VLSI和算法对系统结构的影响。,计算机系统多级层次结构模型,早期计算机使用机器指令编写程序机器指令与机器硬件直接对应，能被直接识别并执行,后来计算机使用汇编语言编写程序汇编语言源程序必须经过汇编（翻译或解释），换成等效的机器语言程序（目标程序），才能执行并获得结果,计
4、算机系统多级层次结构模型,汇编语言机器具有汇编语言,机器语言机器（实际机器）具有机器指令系统,汇编,汇编语言程序设计者,机器语言程序设计者,高级语言机器具有高级语言,高级语言程序设计者,计算机系统多级层次结构模型,算法+数据结构,汇编语言机器具有汇编语言,机器语言机器（实际机器）具有机器指令系统,汇编语言程序设计者,机器语言程序设计者,透明性: 在计算机技术中,一种本来存在的事物或属性,但从某种角度看似乎不存在,成为透明性现象。注：传统“透明”：公开，什么都能看到。计算机系统“透明”：看不到。,计算机系统多级层次结构模型,第5级 专用应用语言机器 特定应用用户 （使用特定应用语言） （经应用程
5、序翻译成高级语言） 第4级 通用高级语言机器 高级语言程序员（使用通用高级语言） （经编译程序翻译成汇编语言） 第3级 汇编语言机器 汇编语言程序员 （使用汇编语言） （经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语） 第2级 操作系统语言机器 操作系统用户 （使用操作系统原语） （经原语解释子程序翻译成机器语言） 第1级 传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言） （由微程序解释成微指令序列） 第0级 微指令语言机器 微指令程序员 （使用微指令语言） （由硬件译码器解释成控制信号序列）,说明：每一层以一种不同的语言为特征。对每一层的使用者来说，都可以把此机器级看成一立的机器，都可以应用相
6、应的机器级语言。微程序机器级和用组合逻辑控制的传统机器语言机器级都用硬件实现，而采用微程序控制的传统机器语言机器级是用固件（Firmware，一种具有软件功能的硬件）实现的。以硬件或固件为主实现的机器称为实际机器。,虚拟机的概念:,传统机器级以上的所有机器都称为虚拟机（VM），它们是由软件实现的机器。,软硬件的功能在逻辑上是等价的，即绝大多部分硬件的功能都可用软件来实现，反之亦然。 软件硬件化是目前计算机系统发展的主要趋势。,计算机系统结构定义,计算机系统结构指的是什么? 是一台计算机的外表? 还是是指一台计算机内部的一块块板卡安放结构? 都不是，那么它是什么? 定义：计算机系统结构就是计算机
7、的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性。任务：主要研究软件、硬件功能分配和对软硬件界面的确定。,软件,硬件,软件与硬件的交界面（从机器语言程序员角度看）,计算机系统结构研究内容,数据表示（硬件能够直接识别和处理的数据类型和格式等）；寻址方式（包括最小寻址单位、寻址方式的种类、表示和地址计算等）；寄存器组织（包括各种寄存器的配置数目和功能定义）；指令系统（包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序方式和控制机构等）；存储系统（包括编址方式、存储容量、最大编址空间等）；中断机构（中断源的分类管理和中断服务功能设计）；机器工作状态（如管态、目态等
8、）的定义和切换；输入/输出子系统结构与管理；信息保护手段及其实现。,计算机组成与实现,计算机组成 计算机系统结构的逻辑实现，主要研究硬件系统在逻辑上是如何组织的，包括机器内部的数据流和控制流组成以及逻辑设计等。其任务是研究各组成部分内部构造和相互联系，包括各功能配件的配置、相互连接和相互作用。各功能部件性能参数相互匹配是计算机组成合理的重要标志，因而就有了许多计算机组织方法。如：为了使存储器容量大、速度快，研究了虚拟存储器、高速缓存、多模交叉等；为了提高处理机速度，研究了先行控制、流水线等。 计算机组成研究设计内容： 数据通路宽度、专用部件设置（乘除法专用部件、浮点运算部件）、部件共享程度、部
9、件并行度、控制机构组成方式（硬布线OR微程序）、缓冲和排队技术、预估预判技术等,计算机实现 计算机组成的物理实现。包括处理机、主存、等部件的物理结构，器件集成度、速度、信号传输，它着眼于器件技术和微组装技术。,计算机组成与实现,系统结构、组成、实现三者关系和相互影响,相同系统结构的计算机可以采用不同的组成。一种系统结构可以有多种计算机组成，同样，一种计算机组成可以有多种不同的计算机实现 。计算机实现是计算机系统结构和计算机组成的基础。计算机系统结构的设计应考虑减少对各种组成及其实现技术的使用限制。不同时期，系统结构、组成和实现所包含的内容会有所不同。,计算机系统结构分类,1、Flynn分类法
10、指令流（Instruction stream,IS) ：机器执行的指令序列 数据流（Data stream，DS）：由指令流调用的数据序列 多倍性（Multiplicity)SISD(Single Instruction stream single Data Stream)SIMD(Single Instruction stream Multiple Data stream)MISD(Multiple Instruction stream Single Data stream)MIMD(Multiple Instruction stream Multiple Data stream),MIMD
11、,按最大并行度的冯氏分类法,最大并行度：横坐标纵坐标,2、冯氏分类法,一个字中同时处理的二进制位数,一个位片中同时处理的字数,WSBS(Word serial and bit setial)，n=1,m=1WPBS(Word parallel and bit serial) ，n1,m=1WSBP(Word serial and bit parallel ), ，n=1,m1WPBP(Word parallel and bit parallel), ，n1,m1Pm:最大并行度，指单位时间内能处理的最大二进制位数。,3、Hndler分类法根据并行度和流水线提出的另一种分类法。程序控制部件（PC
12、U）的个数k；算术逻辑部件（ALU）或处理部件（PE）的个数d；每个算术逻辑部件包含基本罗辑线路（ELC）的套数w 。 t(系统型号）=（k,d,w),1.2 计算机系统设计技术,计算机系统设计的定量原理,1. 加快经常性事件的速度 这是最重要也是最广泛采用的计算机设计准则。因为加快处理频繁出现事件对系统的影响远比加速处理很少出现事件的影响要大。 2. Amdahl（IBM360系列机主要设计者）定律 系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。,T0：没有采用改进措施前执行某任务的时间Tn：采用改进措施后执行某任务的时间Fe：
13、计算机执行某个任务的总时间中可被改进部分的时间所占比例,Se：改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施的性能提高倍数。（加速比）,T可改进=T0*Fe T改进后=T0*Fe /Se,代入后，得下式：,Tn=T0-T可改进+T改进后,Tn=T0-T可改进+T改进后T可改进=T0*Fe T改进后=T0*Fe /Se以此类推：Tn=T0-(T可改进i-T改进后i)T可改进i=T0*Fei T改进后i=T0*Fei /Sei,Sn=,T0,Tn,=,1,（1-Fei+,),从图1.2可以看出，增大Se和Fe对Sn都有提升作用；但当Fe固定时，一味增大Se对Sn的作用会越来越不显著。,例 1.1 假设某
14、一系统的某一部件的处理速度加快到10倍，但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？ 解：Fe=0.4 Se=10 根据Amdahl定律,采用加快措施后能使整个系统性能提高56%,例1.2 假设FPSQR操作占整个测试程序执行时间的20%。改进的一种方法是采用FPSQR硬件，使FPSQR操作的速度加快到10倍。另一种方法是使FP指令的速度提高到2倍，FP指令占整个执行时间的50%。比较两个设计方案。 解：分别计算两种方案的加速比：,使所有FP指令的速度提高这一方案更好。,计算机性能,计算机系统性能指标主要取决于计算机时空属性。衡量计算机性能唯一固定且可靠的标准就是真正执行程序的时间,CPU性能公式CPI（ Clock cycles Per Instruction ）：衡量CPU执行指令效率的重要指标IC（Instruction Count),CPI=CPU时钟周期数/IC或CPU时钟周期数= CPI IC,
