计算机系统结构讲义课件

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1、计算机系统结构计算机系统结构（第（第2版）版）清华大学计算机系列教材清华大学计算机系列教材 郑纬民郑纬民 汤志忠汤志忠 编著编著课程介绍课程介绍6/16/20222计算机系统结构 第一章 基本概念1. 课程名称课程名称 Computer Architecture 计算机系统结构计算机系统结构 计算机体系结构计算机体系结构 建建筑筑物物的的设设计计或或式式样样, 通通常常指指一一个个系系统统的的外外貌貌2. 研究内容研究内容 从外部来研究计算机系统从外部来研究计算机系统 使用者所看到的物理计算机的抽象使用者所看到的物理计算机的抽象 编写出能够在机器上正确运行的程序所必须编写出能够在机器上正确运行

2、的程序所必须了解到的计算机属性了解到的计算机属性6/16/20223计算机科学与技术系3. 学习目的学习目的建立计算机系统的建立计算机系统的完整概念完整概念学习计算机系统的学习计算机系统的分析方法和设计方法分析方法和设计方法了解计算机系统的了解计算机系统的最新研究成果最新研究成果4. 学科方向学科方向一级学科一级学科 1 个：计算机科学与技术个：计算机科学与技术二级学科二级学科 3 个：个：计算机系统结构计算机系统结构、计算机软、计算机软件及理论、计算机应用技术件及理论、计算机应用技术全国重点学科：全国重点学科：计算机系统结构计算机系统结构、计算机应、计算机应用技术用技术6/16/20224计

3、算机系统结构 课程介绍5. 与其他学科的交叉与其他学科的交叉学科交叉：学科交叉：计算机组成、操作系统、汇编语言、计算机组成、操作系统、汇编语言、数据结构、微计算机技术、计算机网络、数据结构、微计算机技术、计算机网络、新内容：新内容：超标量处理机、超流水线处理机、超标量处理机、超流水线处理机、VLIW处理机、向量处理机、并行处理机、处理机、向量处理机、并行处理机、多处理机、互连网络、多处理机、互连网络、计算机系统结构正处于变革时期计算机系统结构正处于变革时期 软件软件-系统结构系统结构-实现技术实现技术, 两头发展快中间慢两头发展快中间慢 非冯计算机正兴起非冯计算机正兴起 系统结构的发展时期已经

4、到来系统结构的发展时期已经到来6/16/20225计算机系统结构 课程介绍6. 课程安排课程安排课内：课内：60学时，学时，课内外比例：课内外比例：课内课内1：课外：课外1除完成作业之外，还要多看参考书除完成作业之外，还要多看参考书 多看好论文多看好论文(被被 SCI、EI 收录收录)，了解国内外，了解国内外最新研究成果最新研究成果7. 教材和参考书教材和参考书教材：教材：清华大学计算机系列教材：清华大学计算机系列教材：计算机系统计算机系统结构结构(第二版第二版) ，清华大学出版社，清华大学出版社6/16/20226计算机系统结构 课程介绍参考书：参考书：(1)David A. Patters

5、on and John L. Hennessy, Computer Architecture: A Quantitative Approach 3 Ed. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers 中文：计算机系统结构：一种定量的方法（第中文：计算机系统结构：一种定量的方法（第二版二版,第三版即将出版），清华大学出版社第三版即将出版），清华大学出版社 (2)Kai Hwang，Advanced Computer Acrchitecture Parallelism Scalability Programmability 中文：高等计算机系统结构：并行性中

6、文：高等计算机系统结构：并行性 可扩展可扩展性性 可编程性，清华大学出版社、广西科学技可编程性，清华大学出版社、广西科学技术出版社术出版社6/16/20227计算机系统结构 课程介绍1.1 计算机系统结构简介计算机系统结构简介1.2 计算机系统的评价标准计算机系统的评价标准1.3 计算机系统的设计技术计算机系统的设计技术1.4 计算机系统结构的发展计算机系统结构的发展1.5 计算机系统的分类计算机系统的分类第第1章章 基本概念基本概念6/16/20228计算机系统结构 第一章 基本概念1.1 计算机系统结构简介计算机系统结构简介1.1.1 为什么要研究系统结构为什么要研究系统结构1.1.2 如

7、何认识计算机系统如何认识计算机系统1.1.3 计算机系统结构的定义计算机系统结构的定义1.1.4 计算机组成技术计算机组成技术1.1.5 计算机实现技术计算机实现技术6/16/20229计算机系统结构 第一章 基本概念1.1.1 1.1.1 为什么要研究系统结构为什么要研究系统结构1. 提高处理机运算速度：提高处理机运算速度：MIPSFz IPC其中:Fz为处理机的工作主频 IPC(InstructionPerCycle)为每个时钟周期平均执行的指令条数每个时钟周期平均执行的指令条数提高提高IPC：依靠先进系统结构：依靠先进系统结构 过去，几个或几十个周期完成一条指令过去，几个或几十个周期完成

8、一条指令 现在，一个周期完成几条指令现在，一个周期完成几条指令提高提高Fz：缩短门电路延迟，依靠技术进步缩短门电路延迟，依靠技术进步 流水线技术等，依靠先进系统结构流水线技术等，依靠先进系统结构 从指令串行执行，到从指令串行执行，到P4的的20级流水线级流水线6/16/202210计算机系统结构 第一章 基本概念6/16/202211计算机系统结构 第一章 基本概念2. 计算机性能提高的几个阶段计算机性能提高的几个阶段20世世纪纪70年年代代末末之之前前，大大型型机机和和小小型型机机计计算算机机性性能能每每年年提高提高25%30%。20世世纪纪80年年代代初初，出出现现微微处处理理机机，依依靠

9、靠集集成成电电路路技技术术，性能性能每年提高每年提高35%20世世纪纪80年年中中期期，出出现现RISC技技术术、高高级级语语言言和和操操作作系系统等，性能统等，性能每年提高每年提高50%1995年年，先先进进系系统统结结构构对对微微处处理理器器性性能能的的贡贡献献是是单单纯纯技技术进步的术进步的5倍。倍。3. 近几年及将来，计算机性能按摩尔定理发展。近几年及将来，计算机性能按摩尔定理发展。4. 计算机系统的设计者们要不断创新。计算机系统的设计者们要不断创新。6/16/202212计算机系统结构 第一章 基本概念1.1.2 如何认识计算机系统如何认识计算机系统1. 1. 虚拟计算机虚拟计算机定

10、义：定义：从不同角度所看到的计算机系统的属性从不同角度所看到的计算机系统的属性是不同的。是不同的。主要观察角度包括：主要观察角度包括： 应用程序员应用程序员 系统程序员系统程序员 硬件设计人员硬件设计人员对计算机系统的认识通常只需要在某一个层次对计算机系统的认识通常只需要在某一个层次上上6/16/202213计算机系统结构 第一章 基本概念虚拟计算机系统虚拟计算机系统6/16/202214计算机系统结构 第一章 基本概念2. 2. 计算机系统的计算机系统的层次结构层次结构计算机系统可分为计算机系统可分为7 7个层次个层次 第第3 3级至第级至第6 6级由级由软件实现软件实现, ,称为称为虚拟机

11、虚拟机从学科领域来划分：从学科领域来划分： 第第0 0级和第级和第1 1级属于级属于计算机组成原理计算机组成原理 第第2 2级属于级属于计算机系统结构计算机系统结构 第第3 3至第至第5 5级属于级属于系统软件系统软件 第第6 6级属于级属于应用软件应用软件它们之间有交叉它们之间有交叉 例如：第3级必须依赖第4级和第5级来实现6/16/202215计算机系统结构 第一章 基本概念计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构6/16/202216计算机系统结构 第一章 基本概念176/16/202218计算机系统结构 第一章 基本概念3. 3. 透明性概念透明性概念定义：定义：本来存在的事物或属性，

12、从某种角度本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在看似乎不存在例如：例如：CPUCPU类型、型号、主存储器容量等类型、型号、主存储器容量等 对对应用程序员应用程序员 透明透明 对对系统程序员、硬件设计人员系统程序员、硬件设计人员等等 不透明不透明例如：浮点数表示、乘法指令例如：浮点数表示、乘法指令 对对高级语言程序员、应用程序员高级语言程序员、应用程序员 透明透明 对对汇编语言程序员、机器语言程序员汇编语言程序员、机器语言程序员 不透明不透明例如：数据总线宽度、微程序例如：数据总线宽度、微程序 对对汇编语言程序员、机器语言程序员汇编语言程序员、机器语言程序员 透明透明 对对硬件设计人员、计

13、算机维修人员硬件设计人员、计算机维修人员 不透明不透明6/16/202219计算机系统结构 第一章 基本概念1.1.3 1.1.3 计算机系统结构的定义计算机系统结构的定义计算机系统结构定义一计算机系统结构定义一 Amdahl于于1964年在推出年在推出IBM360系列计系列计算机时提出算机时提出：程序员程序员所所看到的看到的计算机系统的属性计算机系统的属性, 即即概念性概念性结构结构和和功能特性功能特性程序员程序员：系统程序员系统程序员（包括：汇编语言、机器（包括：汇编语言、机器语言、编译程序、操作系统）语言、编译程序、操作系统）看到的看到的：编写出能在机器上正确运行的程序所编写出能在机器上

14、正确运行的程序所必须了解到必须了解到的的6/16/202220计算机系统结构 第一章 基本概念概念性结构概念性结构 IBM360系列计算机的概念性结构系列计算机的概念性结构6/16/202221计算机系统结构 第一章 基本概念 数据表示：数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型；硬件能够直接认别和处理的数据类型； 寻址技术：寻址技术：编址方式、寻址方式和定位方式等；编址方式、寻址方式和定位方式等； 寄存器组织：寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存 器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等；器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等； 指令系统：指令系统：

15、操作类型、格式，指令间的排序控制等；操作类型、格式，指令间的排序控制等； 中断系统：中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；中断类型、中断级别和中断响应方式等； 存储系统：存储系统：寻址空间、虚拟存储器、寻址空间、虚拟存储器、CacheCache存储器等；存储器等； 处理机工作状态：处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和目态等；定义和切换方式，如管态和目态等； 输入输出系统：输入输出系统：数据交换方式、交换过程的控制等；数据交换方式、交换过程的控制等； 信息保护：信息保护：信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。功能特性功能特性 指令系统及其执行模式

16、指令系统及其执行模式6/16/202222计算机系统结构 第一章 基本概念2. 计算机系统结构定义二计算机系统结构定义二 研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功能上是同等的。功能上是同等的。同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。固件实现。不同的组成只是性能和价格不同不同的组成只是性能和价格不同, 他们的系统他们的系统结构是相同的。结构是相同的。系列计算机概念：系列计算机概念：相同系统结构相同系统结构,不同组成和实不同组成和实现的一系列计算机系统。现的一系列计算机系统。6/16/202223计算机系统结构 第一章 基本概念1.1.4 1.1.4 计算机组成技术计算机组成技术1.1.课程名称课程名称 Computer Organization 计计算算机机组组成成，计计算算机机组组织织，计计算算机机原原理理，计计算机组成原理算机组成原理2.2.研究方法研究方法 从内部研究计算机系统从内部研究计算机系统 计算机组成是指计算