计算机系统结构教程第一章计算机系统结构的基础知识

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1、计算机系统结构 天津商业大学 计算机科学与技术教研室,专业基础课，学位必/选修课 内容多、理论性强、难度较大 总结性课程 （硬件方面：数字逻辑、组成原理等， 软件方面：操作系统、汇编语言、数据结构等 再通过学习计算机系统结构建立起计算机系统的完整概念）,课 程 特 点,第一章 计算机系统结构的基本概念 （6学时） 第二章 指令系统的设计 （8学时） 第三章 流水线技术 （10学时） 第四章 向量处理机 （4学时） 第五章 存储系统 （10学时） 第六章 输入输出系统 （6学时） 第七章 多处理机（自学） （8学时） 习题课1-3次,课程内容与课时分配,作业： 每个章节留若干课后作业上交； 未布

2、置的习题课下尽量全部完成； 成绩： 平时成绩-出勤率、课堂表现 15% 作业成绩 15% 期末考试成绩 70% 课程邮箱：tjcu2012 key:jsjtxjg,作业与成绩计算,计算机系统结构教程 张晨曦 清华大学出版社,教学参考书,计算机从1946年诞生至今，经历了多次更新换代。一般将主要电子器件的使用作为计算机更新换代的最突出标志。 例如：电子管、晶体管、集成电路、中小规模IC、超大规模IC等。 实际上，还有一个计算机更新换代的重要标志就是系统结构技术的不断出现与运用。,引言：为什么要讨论系统结构？,第一代：（1946-1954） 元器件：电子管、继电器存储器、 绝缘导线互联 软硬件：单

3、个CPU、顺序定点计算 采用机器语言或汇编语言 用CPU程序控制I/O 代表机型：ENIAC、IBM701,分析：计算机各代的关键技术,第二代：（1955-1964） 元器件：分立式晶体三极管、二极管 铁氧体的磁芯存储器、印刷电路板 软硬件：单个CPU、变址寄存器、浮点计算 多路存储器、 I/O处理机 采用高级语言、子程序库、批处理监控程序 代表机型：Univac LARC、CDC1604、IBM7030,分析：计算机各代的关键技术,第三代：（1965-1974） 元器件：中小规模集成电路、多层印刷电路 软硬件：微程序控制、流水线、高速缓存、 先行处理机 代表机型：IBM360-370系列、

4、CDC6600/7600系列、 PDP系列,分析：计算机各代的关键技术,第四代：（1974-1991） 元器件：大或超大规模集成电路、半导体存储器、 软硬件：各种不同结构的并行计算机出现 （采用共享存储器、分布存储器、向量硬件等） 用于并行处理的多处理OS、专用语言、 编译器，用于并行或分布处理的软件工具和环境 代表机型：VAX9000、CRAY X-MP、IBM3090V,分析：计算机各代的关键技术,第五代：（1991-至今） 元器件：VLSI工艺更加完善的高密度、高速处理机和存储器芯片 软硬件：大规模并行处理，采用可扩展的和容许时延的系统结构 代表机型：Fujitsu VPP500、CRA

5、Y MPP、 Intel Paragon、SUN 10000,分析：计算机各代的关键技术,系统结构的不断改进、新概念的不断提出与实现使计算机性能不断提高。 例1： P.H.Enslow比较了1965-1975年共10年的变化： 元器件性能 10倍 计算机系统性能 100倍,结论：为什么要讨论系统结构？,例2：INTEL奔腾系列微机CPU换代 Pentium(P5): 基于UV两条指令流水线 Pentium mmx(P55): 基于mmx技术 Pentium pro: 基于动态执行技术 PII: 基于P55和 P pro技术的结合 PIII: 基于SSE(数据流单指令多数据扩展)概念 PIV:

6、基于SSE2(双精度SIMD指令集),结论：为什么要讨论系统结构？,计算机系统结构是从程序和计算机设计的角度来研究计算机本身，以及由计算机组成的各种系统的体系结构和组成科学。 Computer Architecture 计算机系统结构 计算机体系结构 计算机体系结构学科=系统结构+组成,课 程 介 绍,从外部来研究计算机系统 定性：软硬两方面 研究软、硬件功能分配以及如何最佳、最合理的实现分配给硬件的功能。 评价计算机的性能价格比,研究内容,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 交叉点内容：提高，建立完整概念 新内容：流水线、超

7、标量、超流水线处理机、向量处理机、并行处理机、多处理机等,学习目的,计算机系统结构正处于变革时期 软件系统结构组成技术，两头发展快、中间慢 非冯计算机正兴起 系统结构的发展时期已经到来 课时安排 课内：48学时；课本+补充知识 课外：参考书,第一章 计算机系统结构的基础知识 天津商业大学,1.1 计算机系统结构的基本概念 1.2 计算机系统的设计 1.3 计算机系统的性能评测 1.4 计算机系统结构的发展 1.5 计算机系统结构中并行性的发展,1.1.1 计算机系统的层次结构 计算机系统硬件/固件软件 计算机语言从低级向高级发展 高一级语言的语句相对于低一级语言来说功能更强， 更便于应用，但又

8、都以低级语言为基础。 从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成 多级层次结构。 每一层以一种语言为特征,1.1 计算机系统结构的基本概念,1.1 计算机系统结构的基本概念,虚拟机,物理机,1.1 计算机系统结构的基本概念,1.1 计算机系统结构的基本概念,物理机: 用硬件/固件实现的机器 (最下面的两级机器) 虚拟机：由软件实现的机器 虚拟机中有些操作可以由硬件或固件实现。 固件：具有软件功能的硬件。,1.1 计算机系统结构的基本概念,各机器级的实现主要靠翻译或解释，或两者的结合。 翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功

9、能。 解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。 解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的存储空间较少。,1.1 计算机系统结构的基本概念,1.1.2 计算机系统结构的定义,计算机系统结构的经典定义 1964年G.M.Amdahl在介绍IBM360系统提出：计算机系统结构是程序员所看到的计算机属性，即程序员编写出能在机器上正确运行的程序所必须了解到的概念性结构和功能特性。计算机系统的外特性,1.1 计算机系统结构的基本概念,外特性,用一个不恰当的比喻

10、：比如动物的“系统结构”是指什么呢？它的概念性结构和功能特性，就相当于动物的器官组成及其功能特性。 如人有胃，胃可以消化食物。至于胃是什么形状的、又什么组成就不是“系统结构”研究的问题了。系统结构只管到这一层。,1.1 计算机系统结构的基本概念,问题：从计算机系统的多级层次结构出发，不同级的程序员所看到的计算机属性不一样的。,例如： 高级语言程序员：软件 （程序语言、OS、编译程序） 机器语言程序员：硬件 （数据表示、寻址方式、寄存器定义、 指令系统、中断、输入输出）,1.1 计算机系统结构的基本概念,传统机器存在的差别是高级程序员不需要看见的，对他是透明的。 透明性 一种本来存在的事物或属性

11、，从某个角度看却好像不存在。 通常： 计算机系统中，低层机器级的概念性结构和功能特性对高层机器级的程序员来说，基本是透明的。,1.1 计算机系统结构的基本概念,由于从不同层次(级)的程序员看计算机的属性是不同的，这个属性就是计算机系统不同层次的界面。 定义2：“系统结构”就是指的计算机系统中对各级之间界面的定义，及其上下的功能分配。 各个机器级都有自己的系统结构。设计者要研究好各级的透明性，进行合理的分析、取舍。,1.1 计算机系统结构的基本概念,讨论：G.M.Amdahl列举的属性 处理机、存储系统、I/O方式、中断机构 -机器语言或汇编程序设计者了解的属性， 既有软件，又有硬件 系统结构研

12、究的内容 本书传统机器级的系统结构 软件与硬(固)件的交界面 内容：计算机软硬件功能的分配以及对机器级界面 的确定。,1.1 计算机系统结构的基本概念,计算机系统结构的实质： 确定计算机系统中软硬件的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。,1.1 计算机系统结构的基本概念,1.1.3 计算机组成和计算机实现,1、计算机组成 计算机系统结构的逻辑实现，包括物理机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。 任务：系统结构确定了分配各硬件子系统的功能及概念性结构后，研究各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的要求。 设计要求：按性价比要求，最佳最合理地把各种设备

13、和部件组合成计算机，而且性能参数互相匹配。,1.1 计算机系统结构的基本概念,2、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，器件的集 成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接， 信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。 着眼于：器件技术（起主导作用）、微组装技术。 任务：器件的选择和组装技术 要求：性能价格比要求,1.1 计算机系统结构的基本概念,举例：,胃的例子： 系统结构外特性，胃具有消化功能； 组成计算机系统结构的内特性：将那些外特性加以“逻辑实现”的基本属性。 比如胃的功能是消化食物外特性。那怎么消化呢，胃的蠕动、分泌胃酸等操作就是内特性。 实现胃由那些组织，

14、几条肌肉和神经来促使它运动。,1.1 计算机系统结构的基本概念,例. 指令系统的确定（条数、类型、方式） 系统结构 取指、取操作数、运算、送结果等具体操作及其排序方式 组成 具体电路、器件的设计及装配技术等 实现,1.1 计算机系统结构的基本概念,具有相同系统结构的计算机可以采用不同的计算机组成。同一种计算机组成又可以采用多种不同的计算机实现。 系列机 由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有 不同组成和实现的一系列不同型号的机器。 例如 IBM公司的IBM370系列，Intel公司的x86系列等。,1.1 计算机系统结构的基本概念,1.1.4 计算机系统结构的分类,常见的计算机系统结构分类法

15、有3种： Flynn分类法 冯氏分类法 Handler分类法,1.1 计算机系统结构的基本概念,Flynn分类法 按照指令流和数据流的多倍性进行分类。 指令流：计算机执行的指令序列 数据流：由指令流调用的数据序列 多倍性：在系统最受限的部件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大数目。,1.1 计算机系统结构的基本概念,把计算机系统的结构分为4类 单指令流单数据流SISD （Single Instruction stream Single Data stream） 单指令流多数据流SIMD （Single Instruction stream Multiple Data stream） 多指

16、令流单数据流MISD （Multiple Instruction stream Single Data stream） 多指令流多数据流MIMD （Multiple Instruction stream Multiple Data stream）,1.1 计算机系统结构的基本概念,4类计算机的基本结构 IS：指令流 DS：数据流 CS：控制流 CU：控制部件 PU：处理部件 MM和SM：存储器,1.1 计算机系统结构的基本概念,冯氏分类法 用系统的最大并行度对计算机进行分类。 最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理 的最大的二进制位数。 用平面直角坐标系中的一个点代表一个计算机系统，其横坐标表示字宽（n位），纵坐标表示一次能同时