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1、计算机体系结构课程简介计算机体系结构课程简介 Computer Architecture计算机体系结构（计算机体系结构（Computer Architecture）计算机体系结构（ComputerArchitecture）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。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。一般来说，低级机器的属性对于高层机器程序员基本是透明的，通常所说的计算机体系结构主要指机器语言级机器的系统结构。经典的关于“计算机体系结构（computerarchitecture）”的定义是1964年C.M.Amdahl在介绍IBM360系统时提出的
2、，其具体描述为“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”2024/7/27School of Information Science and Technology 2体系结构体系结构包括一组部件以及部件之间的联系。自1964年G.Amdahl首次提出体系结构这个概念，人们对计算机系统开始有了统一而清晰的认识，为从此以后计算机系统的设计与开发奠定了良好的基础。近四十年来，体系结构学科得到了长足的发展，其内涵和外延得到了极大的丰富。特别是网络计算技术的发展，使得网络计算体系结构成为当今一种主要的计算模式结构。微电子技术的飞速发展使芯片级体系结构研究成为一个挑战性课题。体
3、系结构与系统软件，应用软件，程序设计语言的紧密结合与相互作用也使今天的计算机与以往有很大的不同，并触发了大量的前沿技术、相关产品开发与基础研究课题。2024/7/27School of Information Science and Technology 3相关词条：体系；架构；构架；系统体系结构；计算机体系结构（系统结构）；网络体系结构；软件体系结构 体系结构2024/7/27School of Information Science and Technology 4Architecture vs Organization2024/7/27School of Information Scie
4、nce and Technology 5相关词条与参考相关词条与参考 http:/ of Information Science and Technology 6相关词条与参考相关词条与参考软件体系结构是具有一定形式的结构化元素，即构件的集合，包括处理构件、数据构件和连接构件。处理构件负责对数据进行加工，数据构件是被加工的信息，连接构件把体系结构的不同部分组组合连接起来。这一定义注重区分处理构件、数据构件和连接构件，这一方法在其他的定义和方法中基本上得到保持。结构体系是指结构抵抗外部作用的构件组成方式。在高层建筑中，抵抗水平力是设计的主要矛盾，因此抗侧力结构体系的确定和设计成为结构设计的关键问
5、题。2024/7/27School of Information Science and Technology 7计算机系统的组成计算机系统的组成计算机系统由硬件计算机系统由硬件/ /固件部分和软件部分组成。固件部分和软件部分组成。按照传统划分，按照传统划分，硬件部分硬件部分主要由运算器、控制器、存储器、输入部分主要由运算器、控制器、存储器、输入部分和输出部分组成；和输出部分组成；软件部分软件部分则由系统软件和应用软件两部分组成。则由系统软件和应用软件两部分组成。现代计算机中将运算器和控制器集成在一块芯片上，称为中央处理器现代计算机中将运算器和控制器集成在一块芯片上，称为中央处理器（CPUCP
6、U），因此，通常认为现代计算机硬件部分由），因此，通常认为现代计算机硬件部分由CPUCPU、存储器和输入、存储器和输入输出系统构成输出系统构成 。冯诺依曼结构存储程序计算机的结构存储程序计算机的结构 基本点：指令驱动程序预先存放在计算机存储器中，计算机一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。2024/7/27What is Computer Architecture?ApplicationPhysicsGaptoolargetobridgeinonestep(but there are exceptions, e.g. magnetic compass
7、)Initsbroadestdefinition,computerarchitectureisthedesign of theabstraction layersthatallowustoimplementinformationprocessingapplicationsefficientlyusingavailablemanufacturingtechnologies.2024/7/27Abstraction Layers in Modern SystemsAlgorithmGates/Register-TransferLevel(RTL)ApplicationInstructionSetA
8、rchitecture(ISA)OperatingSystem/VirtualMachineMicroarchitectureDevicesProgrammingLanguageCircuitsPhysicsOriginaldomainofthecomputerarchitect(50s-80s)Domainofrecentcomputerarchitecture(90s)Reliability,power,Parallel computing,security,Reinvigorationofcomputerarchitecture,mid-2000sonward.计算机系统按功能划分的计算
9、机系统按功能划分的多级层次结构多级层次结构2024/7/27School of Information Science and Technology 12计算机系统结构计算机系统结构：概念性结构和功能属性概念性结构和功能属性即程序员所看到的即程序员所看到的机器属性机器属性2024/7/27计算机体系结构的定义计算机体系结构的定义ComputerArchitecture=InstructionSetArchitecture+MachineOrganization+.InstructionSetArchitecture.theattributesofacomputingsystemasseenby
10、theprogrammer,i.e. theconceptualstructureandfunctionalbehavior,asdistinctfromtheorganizationofthedataflowsandcontrols，thelogicdesign,andthephysicalimplementation.Amdahl,Blaaw,andBrooks,1964AmdahlAmdahl提出的体系结构提出的体系结构 传统机器语言级程序员所看到的计算机属性。即概念性结构和功能属性。计算机体系结构的概念计算机体系结构的概念2024/7/27School of Information S
11、cience and Technology 14计算机体系结构概念的实质：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。计算机体系结构经典定义程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性概念性结构与功能特性。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。透明性：在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。计算机体系结构：计算机系统的软、硬件的界面即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。计算机结构、组成和实现三者的关联计算机结构、组成和实现三者的关联2024/7/27Sc
12、hool of Information Science and Technology 15计算机系统结构计算机系统结构：计算机系统的软、硬件的界面计算机系统的软、硬件的界面即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。计算机组成：计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现计算机系统结构的逻辑实现包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等着眼于着眼于：物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的联系。计算机实现：计算机实现：计算机组成的物理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
13、及整机装配技术等。着眼于着眼于：器件技术（起主导作用）、微组装技术。例如设计一部计算机，先要考虑功能（如是否需要乘法），再考虑方案（乘法器或加法器），最后是实现技术（电路组成,TTL或MOS电路等）2024/7/27instruction setsoftwarehardwareISA: a Critical Interface2024/7/27ISA的的7个主要方面（个主要方面（MIPS和和80x86为例）为例）ClassofISAMemoryaddressingAddressingmodesTypesandsizesofoperandsOperationsControlflowinstruc
14、tionsEncodinganISA现代计算机系统的层次结构现代计算机系统的层次结构2024/7/27School of Information Science and Technology 18功能界面虚拟机器虚拟机器物理机器物理机器2024/7/27School of Information Science and Technology 19计算机体系结构和计算机系统结构是一个概念，它们的英文名都是ComputerArchitecture。是以计算机系统的外部特性为主来讲解计算机系统基本结构的一门学科。所谓外部特性是指一个软件设计者编写出能够在计算机系统上正确运行的程序所必须了解到的计算机
15、系统的特性。作为计算机科学领域的一个重要分支，计算机体系结构强调从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统。本课程主要讲述现代大多数计算机采用的比较成熟的思想、结构和方法。Computer Architecture 计算机体系结构（量化研究）的主要内容包括：计算机体系结构（量化研究）的主要内容包括：计算机系统的设计基础、指令集结构设计、流水线计算机系统的设计基础、指令集结构设计、流水线与指令级并行技术（与指令级并行技术（ILPILP）、层次化存储系统与存储）、层次化存储系统与存储设备、互连网络以及多处理器系统等。设备、互连网络以及多处理器系统等。 JohnL.HennessyandDavid
16、A.Patterson，Computer Architecture A Quantitative Approach 第四版教材增加了第一章芯片设计中电源及功耗第四版教材增加了第一章芯片设计中电源及功耗的内容，去掉了指令集结构设计一章，将流水技术放的内容，去掉了指令集结构设计一章，将流水技术放在附录，对于单芯片的在附录，对于单芯片的多核处理器多核处理器中提及的线程级并中提及的线程级并行（行（TLPTLP）和数据级并行（）和数据级并行（DLPDLP）做了详细介绍。）做了详细介绍。课程教材课程教材2024/7/27School of Information Science and Technolog
17、y 20最新版的教材对新平台（个人移动设备和仓库级计算机）和新体系结构（多核和GPU）进行了重点介绍。Computer Architecture 5E 另一条主线是讨论了并行的所有不同形式：在第1章指出了两种应用级别的并行，一个是数据级并行（DLP），它的出现是因为有许多数据项允许同时对其进行操作；另一个是任务级并行（TLP），它的出现是因为创建了一些可以在很大程度上并行、独立执行的工作任务。JohnL.HennessyandDavidA.Patterson，Computer Architecture A Quantitative Approach一是介绍了计算规模的两个极端：以移动电话和平板
18、电脑之类的个人移动设备（PMD）为客户端，以提供云计算的仓库级计算机为服务器。解释四种利用DLP和TLP的体系结构样式，第3章介绍的指令级并行（ILP）；第4章是向量体系结构和图形处理器（GPU；第5章是线程级并行；第6章通过仓库级计算机介绍需求级并行（RLP），第6章首次公布了Google仓库级计算机的最新细节。其它参考教材与参考网站其它参考教材与参考网站2024/7/27School of Information Science and Technology 21计算机系统结构实践教程共8个实验（MIPS指令集）：指令系统和体系结构、流水线及流水线中的冲突、指令调度和延迟分支、Cache性
19、能分析、Tomasulo算法、再定序缓冲（ROB）工作原理、多Cache一致性监听协议、多Cache一致性目录协议。完成相关实验。有利于加深对系统结构知识的理解。随书光盘提供了专门为系统结构实验开发的一套运行于Windows平台的模拟器。http:/ of Information Science and Technology 222024/7/27为什么学这门课为什么学这门课深入理解计算机体系结构有助于:WritebetterprogramsUnderstandtheperformanceimplicationsofalgorithms,datastructures,andprogrammin
20、glanguagechoicesWritebettercompilersModerncomputersneedbetteroptimizingcompilersandbetterprogramminglanguagesWritebetteroperatingsystemsNeedtore-evaluatethecurrentassumptionsandtradeoffsExample:gigabitnetworksDesignbettercomputerarchitecturesTherearestillmanychallengesleftExample:theCPU-memorygap.20
21、24/7/27Moores Law“CrammingMoreComponentsontoIntegratedCircuits”GordonMoore,Electronics,1965#ontransistorsoncost-effectiveintegratedcircuitdoubleevery18months24Single Processor PerformanceRISCMovetomulti-processor计算机性能的变迁计算机性能的变迁-从单处理器到多核从单处理器到多核第一台采用冯第一台采用冯诺依曼结构的计算机诺依曼结构的计算机EDSAC, University of Camb
22、ridge, UK, 1949EDSACEDSAC，电子延迟存储自动计算机Electronic Delay Storage Automatic Calculator） 是世界上首次实现存储程序计算机 ，EDSAC由英国剑桥大学莫里斯.文森特.威尔克斯（Maurice Vincent Wilkes）领导、设计和制造的，并于1949年投入运行。它使用了水银延迟线作存储器，利用穿孔纸带输入和电传打字机输出。计算机的分类和划代计算机的分类和划代第一代计算机（第一代计算机（1945-1954）第一代计算机的标志是采用电子管作为逻辑元件，包含五个基本部分：运算器、控制器、存储器、输入、输出。第二代计算机（
23、第二代计算机（1955-1964）第二代计算机采用晶体管作为逻辑元件按，普遍增加了浮点运算，计算能力实现了一次飞跃。 第三代计算机（第三代计算机（1965-1974）第三代计算机的最重要特征就是采用半导体集成电路作为逻辑电路由于IBM S/360/370的相继问世，引发了结构化程序设等系列变革，首次实行软硬件价格分离策略。第四代计算机（第四代计算机（1975-19901975-1990） 第四代计算机大规模和超大规模集成电路，计算机开始分化成通用大型机、巨型机、小型机和微型机。2024/7/27School of Information Science and Technology 27第五代
24、电子计算机基本解释第五代电子计算机基本解释：这是一种进一步接近人脑功能的这是一种进一步接近人脑功能的“能听能听”、“会说会说”的知识信息处理机。的知识信息处理机。(在线新华词典）第五代计算机（第五代计算机（1991- 1991- ） 器件特征器件特征：高性能微处理器、高密度电路 结构特征：结构特征：超标量、超流水、SMP、MPP、机群 软件特征：软件特征：大规模、可扩展、并行与分布处理SMP（SymmetricalMulti-Processing）对称多处理机系统MPP(MassivelyParallelProcessor）大规模并行处理机集群系统集群系统(Clusting)：均衡负载的双机或
25、多机系统。 摘自：http:/ 计算机发展和应用的计算机发展和应用的四个阶段四个阶段 数据数据处理处理 信息信息处理处理 知识知识处理处理 智能智能处理处理现代计算机按应用分为三个领域：现代计算机按应用分为三个领域：桌面计算桌面计算；服务器服务器；嵌入式应用嵌入式应用 （它们分别面向不同应用，具有不同要求，采用不同技术）（它们分别面向不同应用，具有不同要求，采用不同技术）桌面计算指的是台式计算机以及笔记本电脑等；桌面计算指的是台式计算机以及笔记本电脑等；服务器常用于数据中心，按不同档次来分类；服务器常用于数据中心，按不同档次来分类；嵌入式应用领域非常广泛，如智能家电、娱乐、移动通信等；嵌入式应
26、用领域非常广泛，如智能家电、娱乐、移动通信等；超级计算机主要用于解决重大计算难题。超级计算机主要用于解决重大计算难题。个人计算机（个人计算机（Personal ComputerPersonal Computer）普适计算（普适计算（P Pervasive Computing）传统的计算机分类（传统的计算机分类（机器规模机器规模）：）：大型机、小型机、巨型机（或超级计算机）大型机、小型机、巨型机（或超级计算机）19801980年代产生的新机型（按用途）：年代产生的新机型（按用途）：PCPC机、工作站，服务器机、工作站，服务器IBM则称之为普适计算和深度计算注意缩写词“PC”的涵义发生的变化199
27、0年代产生了嵌入式系统（微处理器已成为设备的一个组件）亚微计算机(嵌入式计算机):以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中现代计算机应用新的分类现代计算机应用新的分类2024/7/27School of Information Science and Technology 301. 1. 个人移动设备（个人移动设备（Personal Mobile Device，PMD），开始于智能），开始于智能手机（手机（phonesphones）、平板电脑）、平板电脑( (tabletcomputers) )等，强调高效和实时等，强调高效和实时性。性。2. 2. 桌面计算（桌面计算（Desktop C
28、omputingDesktop Computing）：）：PCPC业务，包括桌面电脑、笔业务，包括桌面电脑、笔记本电脑等，强调的是性价比。记本电脑等，强调的是性价比。3.3. 服务器（服务器（ServServers）：主要提供大规模的、可靠的文件服务和计）：主要提供大规模的、可靠的文件服务和计算服算服 务，是网络环境下大规模企业计算的主要手段。强调的是可用务，是网络环境下大规模企业计算的主要手段。强调的是可用性（性（availability）、规模化（、规模化（scalability）和吞吐率和吞吐率（throughput）。4. 4. 仓库级计算机（仓库级计算机（Clusters / War
29、ehouse Scale Computers ，WSCWSC），一种创新的软件应用模式：软件即服务（，一种创新的软件应用模式：软件即服务（Software as a Service ，SaaSSaaS)；客户按使用时间或使用量付费。强调的是可用性客户按使用时间或使用量付费。强调的是可用性和性价比。和性价比。超级计算机（超级计算机（SupercomputersSupercomputers），强调的是浮点性能和），强调的是浮点性能和快速因特网。快速因特网。5. 5. 嵌入式计算（嵌入式计算（Embedded ComputersEmbedded Computers）嵌入在其他设备之中的计）嵌入在其他
30、设备之中的计算设备，应用领域非常广泛，如智能家电、娱乐、移动通信等。强算设备，应用领域非常广泛，如智能家电、娱乐、移动通信等。强调的是价格和实时性。调的是价格和实时性。2024/7/27Uniprocessor PerformanceVAX:25%/year1978to1986RISC+x86:52%/year1986to2002RISC+x86:?%/year2002topresentFrom Hennessy and Patterson, Computer Architecture: A Quantitative Approach, 4th edition, October, 2006Wh
31、at happened?处处理理器器性性能能的的增增长长2024/7/27School of Information Science and Technology 32Single Processor PerformanceRISCMovetomulti-processor单处理器性能的变迁单处理器性能的变迁多核计算机多核计算机Copyright 2012, Elsevier Inc. All rights reserved.2024/7/27School of Information Science and Technology 35性能的发展趋势性能的发展趋势-带宽优于时延带宽优于时延Lo
32、g-logplotofbandwidthandlatencymilestones计计算算机机性性能能发发展展里里程程碑碑2024/7/27School of Information Science and Technology 362024/7/27Chapter1.37提高性能的手段提高性能的手段Technology芯片集成度提高芯片速度提高MachineOrganization/Implementation流水线级数增多指令并行度提高InstructionSetArchitectureReducedInstructionSetComputers(RISC)多媒体指令(MMX)显式指令并行C
33、ompilertechnology挖掘代码的并行性更深层次的优化Multi-coreprocessorMemory Hierarchy2024/7/27School of Information Science and Technology 38Memory Performance Gap2024/7/27School of Information Science and Technology 392024/7/27评价指标评价指标执行时间（CPU时间、wall-clocktime,ElapsedTime）峰值速度（PeakPerformance），负载（load）、开销（Overhead）利
34、用率（UtilizationRatio）、饱和性能（SaturatePerformance）带宽（Bandwidth）、延迟（Latency）吞吐率（Throughput）加速比（Speedup）、Amdahl定律(AmdahlLaw)效率（Efficiency）基准测试Benchmark微基准测试Micro-benchmark：测量系统某一方面的分离性能,如核心程序,合成测试程序等宏基准测试Macro-benchmark：测量系统总体性能,如实际应用程序等响应时间（ResponseTime）计算机体系结构计算机体系结构:量化研究方法量化研究方法:第第5版版第1章量化设计与分析基础第2章存储器
35、层次结构设计第3章指令级并行及其开发第4章向量、simd和gpu体系结构中的数据级并行第5章线程级并行第6章以仓库级计算机开发请求级并行、数据级并行附录a指令集基本原理附录b存储器层次结构回顾附录c流水线：基础与中级概念2024/7/27School of Information Science and Technology 41现代计算机体系结构教学思路的变迁1. 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念1-1 1-1 计算机发展简史计算机发展简史 1-1-1 1-1-1 计算历史的回顾计算历史的回顾 1-1-2 1-1-2 计算机发展阶段（划代和分型）计算机发展阶段（划代和分型）
36、1-1-3 PC 1-1-3 PC的历史作用的历史作用1-2 1-2 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念 1-2-1 1-2-1 计算机系统的组成计算机系统的组成 1-2-2 1-2-2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 1-2-3 1-2-3 计算机体系结构的分类计算机体系结构的分类 1-2-4 1-2-4 计算机设计的目标和任务计算机设计的目标和任务1-3 1-3 定量分析技术定量分析技术 1-3-1 1-3-1 量化原理量化原理 1-3-2 1-3-2 计算机系统评测技术计算机系统评测技术 1-3-3 1-3-3 影响计算机性能高速提升的主要因素影响计算机性能高速提
37、升的主要因素2024/7/27School of Information Science and Technology 42计算机体系结构教学内容和技术2. 2. 计算机体系结构发展计算机体系结构发展2024/7/27School of Information Science and Technology 432-2 计算机体系结构中并行性的发展（新的应用平台的出现）2-1 影响计算机体系结构发展的主要因素2-3 国内外计算机体系结构发展概况（多核和GPU）2-1-1冯诺依曼结构2-1-2软件对体系结构的影响2-1-3器件发展对体系结构的影响2-1-4应用对体系结构的影响2-1-5体系结构的生
38、命周期2-2-1并行性的基本概念2-2-2单机系统中并行性的发展2-2-3多机系统中并行性的发展3.3.计算机体系结构主要技术计算机体系结构主要技术3-1 3-1 指令级并行开发技术（指令级并行开发技术（ILPILP）3-1-1RISC与CISC3-1-2流水线技术3-1-3指令级并行性技术3-2 3-2 指令多发射技术指令多发射技术3-2-1指令多发射技术概述3-2-2超标量处理器3-2-3超长指令字处理器3-2-4多发射处理器的技术要点3-2-5多核处理器（线程级并行TLP、数据级并行DLP）2024/7/27School of Information Science and Techno
39、logy 443-3 Cache3-3 Cache技术技术3-3-1程序局部性与Cache技术引入3-2-2Cache层次的存储系统对提高计算机性能的影响3-2-3Cache技术的普遍应用3-4 3-4 多处理器技术（多处理器技术（进一步讨论线程级并行TLP）3-4-1并行计算机体系结构分类3-4-2集中共享存储器型多处理计算机3-4-3分布式存储器型多处理器计算机3-4-4同步机制与同时多线程3-4-5机群计算机2024/7/27School of Information Science and Technology 453-5 仓库级计算机（仓库级计算机（WCS， Warehouse-Sc
40、ale Computer）以仓库级计算机开发请求级并行（RLP）、数据级并行（DLP）课程实践（实验内容）课程实践（实验内容）指令系统和体系结构(mips指令系统与模拟器的实验)流水线及流水线中的冲突指令调度和延迟分支Cache性能分析Tomasulo算法再定序缓冲（ROB）工作原理多Cache一致性监听协议多Cache一致性目录协议结合课程内的知识点，叙述你对计算机体系结构变迁理解和未来的发展预测2024/7/27School of Information Science and Technology 46课程实践（论文）课程实践（论文）课程要求课程要求2024/7/27School of
41、Information Science and Technology 47课程教材：J.HennessyandD.Patterson.计算机体系结构计算机体系结构：量化研究方法，英文版量化研究方法，英文版.第五版第五版 .机械工业出版社机械工业出版社2012,ISBN978-111-36458-0参考教材：张晨曦、王志英等，计算机系统结构教程，北京：清华大学出版社，2009，ISBN978-7-302-19434-7参考教学网站：http:/ of Information Science and Technology 48 MIPS 64常用指令子集常用指令子集2024/7/27School of Information Science and Technology 492024/7/27School of Information Science and Technology 50相相关关公公式式和和经经验验规规律律5E2024/7/27School of Information Science and Technology 51相相关关公公式式和和经经验验规规律律5E
