第一章计算机系统基本概念

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1、第一章 计算机系统的基本概念,第一章 基本概念,1.1 计算机系统的层次结构 1.2 计算机系统结构、组成、实现 1.3 计算机系统的设计思路 1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 1.5 并行性概念 1.6 计算机系统的分类,1.1 计算机系统的层次结构,1.1.1 虚拟机概念 1.1.2 层次结构 1.1.3 透明性概念,1.1.1 虚拟机的概念,虚拟计算机 从不同角度（观察者）所看到的计算机系统属性是不同的 主要观察者： 应用程序员 高级程序员 汇编语言程序员 系统管理员 硬件设计人员 对计算机系统的认识是需要在某一个层次上,虚拟计算机系统模型,1.1.2 层次结构,分为7个层次 第

2、0、1级由硬件实现 第26级由软件实现，称为虚拟机 从学科领域来划分 第0、1级属于“计算机组成与计算机系统结构” 第25级是系统软件 第6级是应用软件 它们之间有交叉 例如：第3级必须依靠第4级、第5级来实现,系统结构层次结构,翻译和解释,1.1.3 透明性概念,透明性定义： 本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在 例如，浮点数表示和乘法指令等对高级语言程序员和应用程序员是透明的，而对汇编语言程序员和机器语言程序员是不透明的。,1.1.4 计算机系统结构的定义,计算机系统结构定义1 Amdahl等人在1964年把系统结构定义为：由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功

3、能特性。 程序设计者：汇编语言，机器语言、编译语言、操作系统 看到的：编写出能在机器上正确运行的程序所必须了解的,概念性结构,功能特性：指令系统及其执行模式,计算机系统结构定义二 主要研究软件、硬件和固件（被固化在ROM中的软件）的功能分配，并确定软件和硬件的分界面，即哪些功能由软件实现，哪些功能由硬件实现。 计算机系统由软件，硬件和固件组成，它们在功能上是同等的 不同的组成只能是性能和价格不同，它们的系统结构是相同的 系列计算机的概念：相同系统结构，不同组成和实现的一系列计算机系统,1.2计算机系统结构、组成、实现,计算机组成 Computer Organization 计算机组成，计算机组

4、织，计算机原理，计算机组成原理 研究方法 从内部研究计算机系统 计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现,主要研究内容 1 确定机器内部数据通路的宽度； 2 确定各种操作对功能部件的共享程度； 3 确定专用的功能部件及功能部件的数量； 4 确定功能部件的并行度； 5 设计缓冲和排队策略； 6 设计控制机构； 7 确定采用何种可靠性技术。,计算机实现技术 计算机实现是指计算机组成的物理实现 主要包括 处理机、主存储器等部件的物理结构； 器件的集成度和速度； 专用器件的设计； 器件、模块、插件、底版的划分与连接； 信号传输技术； 电源、冷却及装配技术； 相关制造工艺及技术。,书上例【1-2】、 【1

5、-3】,计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。系统结构是计算机系统的软、硬件的界面，计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，计算机实现是计算机组成的物理实现。它们各自包含不同的内容，但又有紧密的关系。但是，随着技术、器件和应用的发展，三者之间的界限变得越来越模糊。 本课程实际包括了系统结构和组成两个方面的内容,1.3 计算机系统的设计思路,1.3.1 软硬件取舍的基本原则 1.3.2 计算机系统的设计思路,1.3.1 软硬件取舍的基本原则,软硬件的关系 软件和硬件从逻辑功能上是等效的 理论上：有两种极端的实现方法 全硬件机器：os，高级语言，应用等 硬件只有一位加法和分支操作，

6、其他都用软件 关键问题：性能与价格的关系 软件与硬件实现的特点 硬件实现：速度快、成本高、灵活性差、占用内存少 软件实现：速度低、复制费用低、灵活性好、占用内存高,硬件实现比例越来越高,实现费用对软硬件取舍的影响,实现费用对软硬件取舍的影响,假设：硬件设计费用微Dh，软件设计费用为Ds，硬件重复生产费用为Mh，软件拷贝费用Ms。R为软件重复出现的次数（占用内存、占用介质），当台数为V时，每台用硬件实现费用为： Dh/V+Mh 用软件实现费用为： CDs/V+RMs 由于：DhDs ，MhMs,当R很大时，经常使用的基本功能适宜用硬件实现 由于：DsMs,当V很大时，生产台数很多时适宜用硬件实现

7、,三个原则,性能价格比高 方便各种组成、实现技术的采用 对操作系统、编译实现和高级语言的设计提供更好的硬件支持,1.3.2 计算机系统的设计思路,“由上往下”（Top-Down）设计 这是一种自然直观的设计方法。 首先确定用户级虚拟机器的基本特征、数据类型和基本命令等，而后再逐级向下设计，直到由硬件执行或解释那级为止。 应用场合：专用计算机的设计 特点：对于所面向的应用领域，性能价格比很高。随着通用计算机价格降低，目前已经很少采用。,“由下往上” （Bottom-Up）设计 它是根据硬件技术条件，特别是器件水平，首先把微程序机器级和传统机器研制出来。在此基础上，再设计操作系统、汇编语言、高级语

8、言等虚拟机器级。最后设计面向应用的虚拟机器级。 应用场合：通用计算机。设计早期（6070年代）广为采用 特点：容易使软件和硬件脱节，使整个系统的效率降低,“由中间开始” （Middle-Out） 设计 应用场合：用于系列计算机的设计过程中 特点：软硬件人员结合，同时设计，软硬件功能分配合理。,1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响,1.4.1 软件的可移植性 1.4.2 应用对系统结构的影响 1.4.3 器件发展对系统结构的影响,1.4.1 软件的可移植性,原因：软件相对于硬件的成本越来越贵，已积累了大量成熟的系统软件和应用软件。 兼容种类 向后兼容：在某一时间生产的机器上运行的软件能够直接

9、运行于更晚生产的机器上（c语言、windows） 向前兼容 向上兼容：低档机器上的软件能够直接运行于高档机器上 向下兼容 向后兼容必须做到，向上兼容尽量做到 系统结构不能随意改动（千年虫），所以设计时要充分考虑软件兼容性的问题,提高兼容性的方法,方法一：统一高级语言 实现方法：采用同一种不依赖于任何具体机器的高级语言编写系统软件和应用软件 困难：至今还没有这样一种语言，短期那很难实现。C、Java、Ada,一个Ada语言编写的“你好世界“Hello world program程序： withAda.Text_IO; procedureHello isbegin Ada.Text_IO.Put_

10、Line(“Hello, world!“); end Hello;,系列机方法 系列机定义： 具有相同的系统结构，但组成和实现技术不同的一系列计算机系统 实现方法： 在系统结构基本不变的基础上，根据不同的性能和不同的器件，研制出多种性能和价格不同的计算机系统。 一种系统结构可以有多种组成，一种组成也可以有多种物理实现 如Inter系列机：80186，80286，80386Pentium4,相同的指令系统，采用顺序执行、重叠、流水和并行处理方式 相同的字长。8、16、32、64 如PC系列机： 不同的主频：4.7MHz、 500MHz 、1GHz、 3GHz、。 不同的扩展：Pentium、Pe

11、ntium Pro、Pentium MMX、Pentium SSE、PentiumSSE2 不同的Cache：Pentium、celeron、Xeon 不同的字长：8位、16位、32位、64位,采用系列机的优点： 系列机之间软件兼容，可移植性好 插件、接口相互兼容 便于实现机间通讯 便于维修培训 有利于提高产量、降低成本 缺点 限制了计算机系统结构的发展 如PC系列机，系统结构非常落后，但使用最普及,方法三：模拟和仿真 定义：在一台现有计算机上实现另一台计算机的指令系统。全部用软件实现的叫模拟。用软件、硬件、固件混和实现叫仿真 模拟的实现方法 在A计算机上通过解释或编译实现B计算机的指令系统。

12、A为宿主机，B为虚拟机 仿真的实现方法 直接用A机器的一段微程序解释执行B机器的指令。A为宿主机，B为目标机 目的：向后兼容,优缺点比较 模拟方法速度低，仿真方法速度高 仿真需要较多的硬件 系统结构差别大的机器难于仿真 模拟方法用于计算机系统的设计过程 设计方案模拟性能评价修改设计投产,三种方法比较： 采用统一高级语言最好，是努力的目标 系列机是暂时性方法，也是目前最好的方法 仿真速度低，芯片设计负担重，1/101/2的芯片面积用于仿真。目前用于同一系列机内的兼容，,1.4.2 应用对系统结构的影响,应用需求 高结构化数值计算：气象模型，流体流动。 非结构化的数值计算 实时多因素问题：语音识别

13、、图象处理、计算机视觉 海量存储和输入输出密集问题：数据库、事务处理 图形学和设计系统：计算机辅助设计 三个时期 通用计算机：主要是通用科学计算 专用计算机：科学计算、实时控制、事务处理 高性能通用机：满足多种需求 目前又开始多种专用计算机的研制,两个发展趋势 维持价格不变，利用VLSI（大规模集成电路）技术等，提高性能 Xeon 维持性能不变，价格迅速下降 Celeron 三种设计思想 最高性能价格比：商用机，主要的发展方向 最高性能：国家安全需要、科技发展方向 如 银河系列，神州计算机 最低价格：家用学习机,1.4.3 器件发展对系统结构的影响,第一代至第四代计算机以器件来划分 第一代：电

14、子管（Valve） 第二代：晶体管（Transistor） 第三代：集成电路（LSI） 第四代：大规模集成电路（VLSI） 器件发展是提高计算机速度的主要途径 MIPSFzIPC（每周期执行的指令） 器件发展对提高处理机主频起决定性作用 需要研究新的器件来提高主频 目前即依靠提高Fz，也提高IPC,器件发展的特点 集成度迅速提高 每0.25inch21010个晶体管(0.13um) 单芯片集成2个CPU，1Gb存储器 每4年提高一个数量级，还没有到极限(甚大规模集成电路) 问题？如何利用器件集成度的提高改善计算机系统的性能 速度接近极限 器件速度提高的余地很小 将来提高处理机速度更多依靠系统结

15、构的发展（IPC）目前IPC2可以达到8以上 关键是依靠并行编译技术，依靠并行算法,如果将英特尔用于企业级服务器的主频为800MHz的安腾处理器(英特尔的最高级系列CPU)与用于台式机的主频为1800MHz的奔腾4处理器进行对比，我们就会发现：主频仅为800MHz的安腾处理器在性能上竟然比主频高达1800MHz的奔腾4处理器还要强大。,价格直线下降 可靠性越来越高 芯片可靠性达到108小时，连续使用1万年以上（不包括显示器等）,1.5 并行性概念,1.5.1 并行性的含义与并行性级别 并行性:解题中具有可以同时进行运算或操作的特性。目的是为了能并行处理，提高解题效率。 广义并行性 只要在同一时

16、刻或是在同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作，在时间上能相互重叠，都称为并行性。包括同时性与并发性。 同时性：两个或多个事情在同一时刻发生。 并发性：两个或多个事情在同一时间间隔内发生。,1.5 并行性概念,从计算机系统中执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可以分为四级。它们分别是： 指令内部一条指令内部各个微操作之间的并行。 指令之间多条指令的并行执行。 任务或进程之间多个任务或程序段的并行执行。 作业或程序之间多个作业或多道程序的并行。 并行性等级由高到低反映了硬件实现的比例在增大。所以并行性的实现是一个软硬件功能分配的问题，需要折衷权衡。,硬件比例增大,从计算机系统中处理数据的并行性来看，并行性等级从低到高可以分为： 位串字串同时只对一个字的一位进行处理，这通常是指传统的串行单处理机，没有并行性。 位并字串同时对一个字的全部位进行处理，这通常是指传统的并行单处理机，开始出现并行性。 位片串字并同时对许多字的同一位(称位片)进行处理， 开始进入并行处理领域。 全并行同时对许