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1、计算机系统结构的基本概念计算机系统结构的基本概念中科院研究生院中科院研究生院工程教育学院工程教育学院叶齐祥叶齐祥写在前面写在前面写在前面写在前面人们越来越多地使用计算机系统人们越来越多地使用计算机系统计算机系统不是计算机系统不是PC机系统机系统PC在现有计算机系统中占有很小的一部分在现有计算机系统中占有很小的一部分计算机从计算走向计算机从计算走向“信号处理信号处理”、“多媒体多媒体”、“工业控制工业控制”我国的计算机系统从起步走向繁荣我国的计算机系统从起步走向繁荣写在前面写在前面第第 1 1 章章 计算机系统结构的基本概念计算机系统结构的基本概念 1.1 计算机系统结构计算机系统结构1.2 计
2、算机系统设计技术计算机系统设计技术 1.3 系统结构的评价标准系统结构的评价标准1.4 计算机系统结构的发展计算机系统结构的发展写在前面写在前面为什么学习计算机系统结构？为什么学习计算机系统结构？从结构上了解计算机从结构上了解计算机提高软件提高软件/硬件设计的合理度硬件设计的合理度借鉴前人的设计思想借鉴前人的设计思想 1.1 1.1 计算机系统结构计算机系统结构1.1.1 计算机系统层次结构计算机系统层次结构1.1.2 计算机系统结构定义计算机系统结构定义 1.1.3 计算机系统结构计算机系统结构的组成与实现的组成与实现1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构的分类的分类1.1.1 1.1.1
3、 计算机系统层次结构计算机系统层次结构应用语言应用语言 M6应用程序应用程序应用程序应用程序 信息处理系统信息处理系统 高级语言高级语言/高级语言机高级语言机 解释解释（编译）程序（编译）程序 运行程序运行程序 汇编语言汇编语言 M4汇编语言机汇编语言机 汇编程序汇编程序 运行程序运行程序 键盘命令系统源语键盘命令系统源语 M3操作员操作员 操作系统操作系统 系统资源系统资源 机器指令系统机器指令系统 机器语言机机器语言机 中中央处理机央处理机 机器语言程序机器语言程序 机器指令时序机器指令时序 微程序控制微程序控制微程序机微程序机 寄存器传送门寄存器传送门 时序电路时序电路 硬联逻辑硬联逻辑
4、 硬件逻辑硬件逻辑 逻辑线路内核逻辑线路内核 用户用户 高级语言程序员高级语言程序员 汇编程序员汇编程序员 操作员操作员 机器语言程序员机器语言程序员 逻辑程序员逻辑程序员 硬件维护人员硬件维护人员 M0,M1是机器的核心部分，某些机器不用微程序解释是机器的核心部分，某些机器不用微程序解释执行指令，直接用硬件逻辑实现机器指令系统，执行指令，直接用硬件逻辑实现机器指令系统，M0和和M1就合而为一。就合而为一。 有些机器用毫微程序实现微程序，则有些机器用毫微程序实现微程序，则M0还可以划分为还可以划分为两级。两级。 M2机器语言机器机器语言机器 用指令系统编写程序，是机器语言程用指令系统编写程序，
5、是机器语言程序员的工作。微机原理的指令系统编程为这一级。序员的工作。微机原理的指令系统编程为这一级。1.1.1 1.1.1 计算机系统层次结构计算机系统层次结构M3操作系统机器操作系统机器 该级上支持两类指令；机器语言指令，该级上支持两类指令；机器语言指令，操作系统指令（打开文件，读操作系统指令（打开文件，读/写文件，关闭文件等）。写文件，关闭文件等）。操作系统是运行在第二级上的解释程序。操作系统是运行在第二级上的解释程序。M4汇编语言机器汇编语言机器 使用汇编语言编程，先译成使用汇编语言编程，先译成M3或或M2的语言后执行。的语言后执行。 1.1.1 1.1.1 计算机系统层次结构计算机系统
6、层次结构M5 高级语言机器高级语言程序先译成高级语言机器高级语言程序先译成M4或或M3级语级语言而后执行。解释执行只是边译边执行。言而后执行。解释执行只是边译边执行。M6应用语言机器应用语言机器 这类语言程序大多是用高级语言编写这类语言程序大多是用高级语言编写的语言程序实现的，用户不必是计算机专业人员，仅用的语言程序实现的，用户不必是计算机专业人员，仅用终端键盘、鼠标器等发出一些命令进行操作。例用终端键盘、鼠标器等发出一些命令进行操作。例用FoxPro, DBASE等编写的管理系统控制系统等。等编写的管理系统控制系统等。1.1 .1 1.1 .1 计算机系统层次结构计算机系统层次结构从学科领域
7、来划分从学科领域来划分n第第0和第和第1级属于计算机组成与系统结构级属于计算机组成与系统结构n第第2至第至第4级是系统软件级是系统软件n第第5级是应用软件级是应用软件它们之间仍有交叉它们之间仍有交叉n第第1级涉及汇编语言程序设计的内容级涉及汇编语言程序设计的内容n第第2级与计算机系统结构密切相关级与计算机系统结构密切相关 在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在。在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在。1.1.1 1.1.1 计算机系统层次结构计算机系统层次结构虚拟机概念虚拟机概念 在计算机系统的多层次结构中，除第在计算机系统的多层次结构中，除第0、1级外，上级外，上面四级均为虚拟机。面四级
8、均为虚拟机。 虚拟计算机是指这个计算机只对该级的观察者存在。虚拟计算机是指这个计算机只对该级的观察者存在。对某一层次的观察者来说，它只能是通过该层次的语言对某一层次的观察者来说，它只能是通过该层次的语言来了解和使用计算机，至于下层是如何工作和实现的就来了解和使用计算机，至于下层是如何工作和实现的就不必关心了。简而言之，虚拟计算机即是由软件实现的不必关心了。简而言之，虚拟计算机即是由软件实现的机器。机器。1.1.1 1.1.1 计算机系统层次结构计算机系统层次结构 从使用语言的角度上，将计算机系统看成按功从使用语言的角度上，将计算机系统看成按功能划分的多级层次结构。能划分的多级层次结构。机器语言
9、机器语言汇编语言汇编语言高级语言高级语言应用语言应用语言 低级低级高级高级 特点：特点：后者以前者为基础；比前者功能强、使用更方便。后者以前者为基础；比前者功能强、使用更方便。1.1.1 1.1.1 计算机系统层次结构计算机系统层次结构计算机只能直接识别和执行机器语言。计算机只能直接识别和执行机器语言。汇编语言是一种符号式程序设计语言。汇编语言是一种符号式程序设计语言。 可可以以想想象象在在使使用用机机器器指指令令的的实实际际机机器器上上出出现现了了用用汇汇编编语语言言作为机器语言的作为机器语言的“虚拟虚拟”机器。机器。1.1.1 1.1.1 计算机系统层次结构计算机系统层次结构 翻翻译译(T
10、ranslation)：先先用用转转换换程程序序将将高高一一级级机机器器级级上上的的程程序序整整个个地地变变换换成成低低一一级级机机器器级级上上可可运运行行的的等等效效程程序序，然然后后再再在在低低一一级级机机器器级级上上去去实实现现的的技技术术。（先先翻翻译译后后执行）执行）例：英语翻译例：英语翻译 解解释释（Interpretation）：在在低低一一级级机机器器级级上上用用它它的的一一串串语语句句或或指指令令来来等等效效高高一一级级机机器器上上的的一一条条语语句句或或指指令令的的功功能能，通通过过对对高高一一级级机机器器语语言言程程序序中中的的每每条条语语句句或或指令逐条解释来实现的技术
11、指令逐条解释来实现的技术 。（边解释边执行）。（边解释边执行）例：解释一件事例：解释一件事1.1.1 1.1.1 计算机系统层次结构计算机系统层次结构翻翻译译和和解解释释是是语语言言实实现现的的两两种种基基本本技技术术。一一般般来来说说，解解释执行比翻译花的时间多，但占用存储空间较少。释执行比翻译花的时间多，但占用存储空间较少。 在在多多层层次次结结构构中中，通通常常第第1、2级级是是用用解解释释方方法法实实现现的的，而第而第3级或更高级则用翻译方法实现。级或更高级则用翻译方法实现。 1.1.1 1.1.1 计算机系统层次结构计算机系统层次结构系系统统结结构构定定义义：计计算算机机系系统统结结
12、构构主主要要研研究究软软硬硬件件功功能能分配和对软硬件界面的确定。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，它们在功能上计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功能上是同等的。是同等的。同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。现。1.1.2 1.1.2 计算机系统结构计算机系统结构定义定义 系统结构？系统结构？1.1.3 1.1.3 计算机系统结构计算机系统结构组成与实现组成与实现计算机组成？计算机组成？计算机实现？计算机实现？Computer Architecture计算机系统软件、硬件/固件功能分配及其界面的确定。
13、 Computer Organization计算机系统结构的逻辑实现 , 包括数据流、控制流组成及逻辑设计。 Computer Implementation 计算机组成的物理实现：物理结构物理结构 器件技术器件技术 组装技术组装技术 1.1.3 1.1.3 计算机系统结构计算机系统结构组成与实现组成与实现三种常用的分类方法：三种常用的分类方法：1. Flynn 分类分类 2. 冯泽云分类冯泽云分类3. Handler分类分类1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类1.弗林（Flynn）分类法 1966年由年由 Michael.J.Flynn 提出。提出。 按照指令流和数据流
14、的多倍性特征对计算机系统进行分类。按照指令流和数据流的多倍性特征对计算机系统进行分类。 指令流：机器执行的指令序列。指令流：机器执行的指令序列。 数据流：由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。数据流：由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。 多多倍倍性性：在在系系统统性性能能瓶瓶颈颈部部件件上上同同时时处处于于同同一一执执行行阶阶段段的的指指令令或或数数据据的的最大可能个数。最大可能个数。1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类 数据流指令流单多单SISDSIMD多MISDMIMD1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类四种类型四种类型
15、单单指指令令流流单单数数据据流流SISD (Single Instruction Single Datastream); 单单指指令令流流多多数数据据流流SIMD (Single Instruction Multiple Datastream); 多多指指令令流流单单数数据据流流MISD (Multiple Instruction Single Datastream); 多多指指令令流流多多数数据据流流MIMD (Multiple Instruction Multiple Datastream)1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类SISD： 它每次只对一条指令译码，并只
16、对一个操作部件分配数据。它每次只对一条指令译码，并只对一个操作部件分配数据。典型单处理机，包括：典型单处理机，包括：单单功能部件处理机：功能部件处理机：IBM 1401，VAX-11多多 功功 能能 部部 件件 处处 理理 机机 ： IBM360/91， 370/168，CDC6600CUPUMMISDSSISD1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类PUMMISDS1SIMDCUPUPUDS2DSnMM1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类SIMD： 多多个个PU按按一一定定方方式式互互连连，在在同同一一个个CU控控制制下下，多多个个各各自自的的数数
17、据据完完成成同同一一条条指指令令规规定定的的操操作作；从从CU看看，指指令令顺顺序序（串串行）执行，从行）执行，从PU看，数据并行执行。看，数据并行执行。 并行处理机、阵列处理机、向量处理机、相联处理机、并行处理机、阵列处理机、向量处理机、相联处理机、。 数数据据全全并并行行：ILLIAC IV、PEPE、STAR100、TI-ASC、CRAY-1。 数据字并位串：数据字并位串：STARAN、MPP、DAP。1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类MMDSMISDPUIS1CUMMPUIS2CUPUISnCU1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类 MI
18、SD： 几几条条指指令令对对同同一一个个数数据据进进行行不不同同处处理理，因因为为它它要要求求系系统统在在指指令令级级上上并并行行，而而在在数数据据级级上上又又不不并并行行，这这是是不不太太现现实实的的。但但现现在在也也有有些些学学者者有有不不同同的的看看法法，在在有有些些文文献献中中将将超级标量机以及超长指令字计算机等看作是超级标量机以及超长指令字计算机等看作是MISD类型。类型。 1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类MMMIMDPUIS1CUMMPUIS2CUPUISnCUDS1DS2DSn冯泽云分类法冯泽云分类法1972年美籍华人冯泽云提出。年美籍华人冯泽云提出。
19、 用最大并行度来对计算机系统进行分类。用最大并行度来对计算机系统进行分类。 最最大大并并行行度度：计计算算机机系系统统在在单单位位时时间间内内能能够够处处理理的的最最大大二二进进制制位位数数。假假设设同同时时处处理理的的字字宽宽为为n，位位宽宽为为m，则则最最大并行度定义为：大并行度定义为： Pm m n1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类平平均均并并行行度度：假假设设每每个个时时钟钟周周期期ti内内能能同同时时处处理理的的二二进进位位数数为为Bi，T个时钟周期内平均并行度定义为：个时钟周期内平均并行度定义为：表示方法：表示方法：处理机名处理机名 (n, m)Pm=等于
20、整数等于整数n和和m确定的矩形面积。确定的矩形面积。1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类四种类型四种类型(1)字串位串字串位串WSBS (Word Serial and Bit Serial) 每次只处理一个字中的一位。每次只处理一个字中的一位。串行计算机；m=1，n=1；例如：EDVAC(1，1)(2) 字串位并字串位并WSBP (Word Serial and Bit Parallel) 每次只处理一个字中的n位。传统的单处理机; m=1, n1; 例如：Pentium(32,1)1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类(3) 字并位串字并位串W
21、PBS (Word Parallel and Bit Serial) 一次处理一次处理m个字中的个字中的1位。（位片处理）位。（位片处理） 并行计算机、MPP、相联计算机；m1, n=1; 例如：MPP(1, 16384), STARAN(1, 256), DAP(1,4096)1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类(4) 字并位并WPBP (Word Parallel and Bit Parallel) 一次处理m个字，每个字为n位。全并行计算机；m1, n1;例如：ILLIAC IV(64,64), ASC(64,32), PEPE(32,288), Cmmp(16,
22、16)主要缺点：主要缺点： 仅考虑了数据的并行性，没有考虑指令、任务、作业的仅考虑了数据的并行性，没有考虑指令、任务、作业的并行。并行。1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类3. 汉德勒分类法 由Wolfgan Hindler于1977年提出，又称为ESC (Erlange Classification Scheme)分类法。 根据并行度和流水线分类，计算机的硬件结构分成根据并行度和流水线分类，计算机的硬件结构分成三个层次，并分别考虑它们的可并行性和流水处理程三个层次，并分别考虑它们的可并行性和流水处理程度。度。1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类
23、4. 其他分类法其他分类法如从对执行程序或指令的控制方式上分类如从对执行程序或指令的控制方式上分类 控制驱动的控制流方式控制驱动的控制流方式 数据驱动的数据流方式数据驱动的数据流方式 需求驱动的规约方式需求驱动的规约方式 模式驱动的匹配方式模式驱动的匹配方式1.1.4 1.1.4 计算机系统结构计算机系统结构分类分类 1.2 1.2 计算机系统计算机系统设计技术设计技术1.2.1 计算机系统设计的定量原理计算机系统设计的定量原理1.2.2 计算机系统设计者的主要任务计算机系统设计者的主要任务1.2.3 系统设计的主要方法系统设计的主要方法 1.2.1 1.2.1 计算机系统计算机系统设计定量原
24、理设计定量原理Amdal 定律：系统中某一部件改进后使得整个系统的性能的提高与此部系统中某一部件改进后使得整个系统的性能的提高与此部件的执行时间占总执行时间的比例有关。件的执行时间占总执行时间的比例有关。加速比加速比=（该进后的性能）（该进后的性能）/（改进前性能）（改进前性能） 1.2.1 1.2.1 计算机系统计算机系统设计定量原理设计定量原理Amdal 定律：假设： = （可改进部分占用时间）（可改进部分占用时间）/（改进前任务总时间）（改进前任务总时间） = （改进前改进部分占用时间）（改进前改进部分占用时间）/（改进后改进部分时间）（改进后改进部分时间）改进后系统时间：改进后系统时间
25、： 改进后系统加速比：改进后系统加速比： 1.2.1 1.2.1 计算机系统计算机系统设计定量原理设计定量原理CPU性能公式：CPU时间 = CPU 时钟周期时钟周期 x 时钟周期长度时钟周期长度平均时钟周期数平均时钟周期数：CPI = CPU 时钟周期时钟周期 / ICCPU时钟周期数时钟周期数 = 其中：其中： 为指令执行次数为指令执行次数CPI = 1.2.1 1.2.1 计算机系统计算机系统设计定量原理设计定量原理访问的局部性原理程序往往重复使用他刚刚使用过的数据和指令程序往往重复使用他刚刚使用过的数据和指令实验表明：实验表明：一个程序用一个程序用90%的时间去执行的时间去执行10%的
26、程序代码的程序代码存储体系的构成就是以访问的局部性原原理为基础的 1.2.2 1.2.2 计算机计算机设计者的任务设计者的任务1.确定用户对计算机的功能、价格、性能要求确定用户对计算机的功能、价格、性能要求应用领域应用领域软件兼容层次软件兼容层次操作系统需求操作系统需求2.软硬件平衡软硬件平衡3.发展潮流和趋势发展潮流和趋势 1.2.3 1.2.3 计算机计算机系统设计的主要方法系统设计的主要方法1.“自下而上”据用户要求逐级向下设计，下级都能使上一级优化，应用效能必然是好的，据用户要求逐级向下设计，下级都能使上一级优化，应用效能必然是好的，适用于专用计算机，不适用于通用计算机。适用于专用计算
27、机，不适用于通用计算机。 2. “自上而下”只能制成通用机，而后配只能制成通用机，而后配OS，编译语言，编译语言 ，硬软脱节，很难优化软件，硬软脱节，很难优化软件3. “自中间开始”一般从硬件机器级和操作系统的界面起向两端发展。要求设计人员具有一般从硬件机器级和操作系统的界面起向两端发展。要求设计人员具有 丰富的软、硬件、器件，应用等多方面的知识。应有有效的软件设计环丰富的软、硬件、器件，应用等多方面的知识。应有有效的软件设计环境和境和 开发工具。开发工具。 1.3 1.3 计算机计算机系统结构的评价系统结构的评价1.性能（两个指标）MIPS(Million instruction per s
28、econd) MIPS =MFLOPS (Million floating point operations per second) MFLOPS= 1.3 1.3 计算机计算机系统结构的评价系统结构的评价2. 成本一次性开发成本一次性开发成本部件成本部件成本硬件成本和简单性硬件成本和简单性 1.3 1.3 计算机计算机系统结构的评价系统结构的评价评价评价可以使用性能和成本进行综合评价可以使用性能和成本进行综合评价设计简单效率高的结构比设计复杂效率底的结构竞争力强。设计简单效率高的结构比设计复杂效率底的结构竞争力强。 1.4 1.4 计算机计算机系统结构的发展历程系统结构的发展历程一种重要的计
29、算机结构冯.诺依曼结构输入设备输入设备 控制器控制器 输出设备输出设备 运算器运算器 存储器存储器 1.4 1.4 计算机计算机系统结构的发展历程系统结构的发展历程冯.诺依曼计算机组成 1).数据指令在存储器中，同等对待，程序可改；数据指令在存储器中，同等对待，程序可改； 2).程序由指令组成，指令驱动，顺序完成处理；程序由指令组成，指令驱动，顺序完成处理； 3).二进制编码数，采用二进制运算。二进制编码数，采用二进制运算。 1.4 1.4 计算机计算机系统结构的发展历程系统结构的发展历程冯.诺依曼计算机特征 1).存储器字长固定，顺序线性一维编址存储器字长固定，顺序线性一维编址; 2).一级
30、地址空间，按地址访问，地址唯一一级地址空间，按地址访问，地址唯一; 3).由指令形式的低级语言驱动，指令包括操作码、数由指令形式的低级语言驱动，指令包括操作码、数址两部分。数型由操作码指明址两部分。数型由操作码指明; 4).顺序执行指令，由转移指令实现分支顺序执行指令，由转移指令实现分支; 5).运算器为中心，运算器为中心，I/O经过运算器，各部件由控制器经过运算器，各部件由控制器控制。控制。 1.4 1.4 计算机计算机系统结构的发展历程系统结构的发展历程软件对系统结构的影响软件成本越来越高，需要解决可兼容性，可移植性问题软件成本越来越高，需要解决可兼容性，可移植性问题采用系列机方法，系列机
31、需要向后兼容采用系列机方法，系列机需要向后兼容例如：例如：IBM370-115 125 135 145 158 168采用模拟与仿真方法采用模拟与仿真方法采用统一的高级语言采用统一的高级语言,C, Fortran, Pascal, Java 1.4 1.4 计算机计算机系统结构的发展历程系统结构的发展历程价格对系统结构的影响一个简单的道理一个简单的道理机器速度提高机器速度提高10倍，价格可能提高倍，价格可能提高10倍倍机器速度提高机器速度提高100倍，价格可能提高倍，价格可能提高1000倍倍性能价格比的问题性能价格比的问题 1.4 1.4 计算机计算机系统结构的发展历程系统结构的发展历程VLS
32、I 对系统结构的影响大规模集成电路的产生大规模集成电路的产生由简化逻辑节省器件转化为选择现有器件，缩小设计周期节省成由简化逻辑节省器件转化为选择现有器件，缩小设计周期节省成本。使用通用片现场片和软件设计。用户片的设计要求器件设计本。使用通用片现场片和软件设计。用户片的设计要求器件设计和芯片设计密切结合，使用和芯片设计密切结合，使用CAD设设(Computer Aided Design)原来的大型机基本相当于现在的PC机 1.4 1.4 计算机计算机系统结构的发展历程系统结构的发展历程应用对系统结构的影响计算机分为通用计算机和专用计算机两大类。专用计算机计算机分为通用计算机和专用计算机两大类。专
33、用计算机是因机器应用范围不同，对机器有不同要求而产生的。是因机器应用范围不同，对机器有不同要求而产生的。例如：例如： 科学计算要求有浮点表示，高速计算，阵列计算等。科学计算要求有浮点表示，高速计算，阵列计算等。信息处理要求大量简单的计算，字符串处理和十进制信息处理要求大量简单的计算，字符串处理和十进制运算。实时系统要求强的实时能力，运算。实时系统要求强的实时能力，I/O，和中断系，和中断系统。当机器专用于某一方面时，硬件的利用率较低，统。当机器专用于某一方面时，硬件的利用率较低，性能比下降。性能比下降。 1.4 1.4 计算机计算机系统结构的发展历程系统结构的发展历程器件对系统结构的影响器件集
34、成度提高、速度提高，机器主频提高器件集成度提高、速度提高，机器主频提高 器件是新的系统结构和组成的基础器件是新的系统结构和组成的基础 器件的可靠性是流水技术的基础器件的可靠性是流水技术的基础 高速廉价的半导体存贮器是高速廉价的半导体存贮器是Cache和虚存的基础和虚存的基础 PROM是微程序技术广泛应用的基础是微程序技术广泛应用的基础 器件的性能价格比和速度提高是组成技术从高档向器件的性能价格比和速度提高是组成技术从高档向 低档下移的基础。低档下移的基础。 器件的发展还影响算法、语言和软件的发展。器件的发展还影响算法、语言和软件的发展。本章要点本章要点l计算机层次结构计算机层次结构l系统结构系统结构-计算机组成计算机组成-计算机实现计算机实现lAmdahl定律和定律和CPU性能公式性能公式lMIPS和和MFLOPSl冯冯.诺依曼计算机特征诺依曼计算机特征
