計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1章

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Computer Architecture計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究內(nèi)容研究內(nèi)容 從外部來研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從外部來研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 使用者所看到的物理計(jì)算機(jī)的抽象使用者所看到的物理計(jì)算機(jī)的抽象 編寫出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到的編寫出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到的計(jì)算機(jī)屬性計(jì)算機(jī)屬性學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念完整概念學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法分析方法和設(shè)計(jì)方法了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最新研究成果最新研究成果計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章第一章 基本

2、概念基本概念 介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些基本知識(shí)。包括定性知識(shí)和定介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些基本知識(shí)。包括定性知識(shí)和定量知識(shí)兩大內(nèi)容。量知識(shí)兩大內(nèi)容。 定性知識(shí)：本課程經(jīng)常使用的一些名詞概念，以及對(duì)計(jì)算定性知識(shí)：本課程經(jīng)常使用的一些名詞概念，以及對(duì)計(jì)算機(jī)的定性認(rèn)識(shí)、分析方法。機(jī)的定性認(rèn)識(shí)、分析方法。 定量知識(shí)：對(duì)計(jì)算機(jī)性能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的幾個(gè)重要公式。定量知識(shí)：對(duì)計(jì)算機(jī)性能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的幾個(gè)重要公式。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)v 計(jì)算機(jī)發(fā)展的五個(gè)階段計(jì)算機(jī)發(fā)展的五個(gè)階段 1、19451954：電子管、繼電器，定點(diǎn)運(yùn)算、機(jī)器：電子管、繼電器，定點(diǎn)運(yùn)算、機(jī)器/匯編匯編語言語言 2、19551964：分

3、立式晶體管、鐵磁心存儲(chǔ)器、單層：分立式晶體管、鐵磁心存儲(chǔ)器、單層PCB，變址寄存器，浮點(diǎn)運(yùn)算，高級(jí)語言批處理監(jiān)控；，變址寄存器，浮點(diǎn)運(yùn)算，高級(jí)語言批處理監(jiān)控； 3、19651974：SSI、MSI，多層，多層PCB，微程序控制，微程序控制，Cache，多道程序并行，分時(shí)，多道程序并行，分時(shí)OS，IBM360/370； 4、19751990：LSI、VLSI，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，并行處理，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，并行處理，分布處理；分布處理； 5、1991 ：VLSI，ULSI，大規(guī)模并行處理，大規(guī)模并行處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)v 推動(dòng)計(jì)算機(jī)性能提高的兩個(gè)關(guān)鍵因素推動(dòng)計(jì)算機(jī)性能提高的兩個(gè)關(guān)鍵因素: 組成

4、器件：電子管晶體管集成電路組成器件：電子管晶體管集成電路 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)：第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)：ENIAC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ENIAC的總成本為的總成本為48萬萬6千千8百美元。它是一個(gè)有百美元。它是一個(gè)有18000多多只電子管，只電子管，7200只晶體二極管，只晶體二極管，10000多只電容，多只電容，7000多多只電阻，只電阻，5萬多個(gè)焊點(diǎn)，萬多個(gè)焊點(diǎn)，長長30.4830.48米，寬米，寬1 1米，占地面積約米，占地面積約170170平方米，平方米，3030個(gè)操作臺(tái)，約相當(dāng)于個(gè)操作臺(tái)，約相當(dāng)于1010間普通房間的大小，間普通房

5、間的大小，重達(dá)重達(dá)3030噸，消耗功率噸，消耗功率150kW150kW。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Intel 的第一塊的第一塊CPU40044004,Intel4004,Intel最早的最早的CPUCPU，集成有，集成有2 2，250250個(gè)晶體管，個(gè)晶體管，晶體管之晶體管之間的距離是間的距離是10微米微米（即（即10000納米），納米），主頻主頻0.74MHz。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第第 6 級(jí)級(jí) ： 應(yīng)應(yīng) 用用 程程 序序 第第 5 級(jí)級(jí) ： 高高 級(jí)級(jí) 語語 言言 第第 4 級(jí)級(jí) ： 匯匯 編編 語語 言言 第第 3 級(jí)級(jí) ： 操操 作作 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第第 2 級(jí)級(jí) ： 機(jī)機(jī)

6、器器 語語 言言 第第 1 級(jí)級(jí) ： 微微 程程 序序 第第 0 級(jí)級(jí) ： 硬硬 聯(lián)聯(lián) 邏邏 輯輯 應(yīng)應(yīng) 用用 軟軟 件件 系系 統(tǒng)統(tǒng) 軟軟 件件 硬硬 件件 軟軟 硬硬 件件 分分 界界 1.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次模型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次模型 1.1 1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 應(yīng)應(yīng)用用語語言言 第第 6 6 級(jí)級(jí) 應(yīng)應(yīng)用用程程序序 應(yīng)應(yīng)用用程程序序 信信息息處處理理系系統(tǒng)統(tǒng) 用用 戶戶 高高級(jí)級(jí)語語言言 第第 5 5 級(jí)級(jí) 高高級(jí)級(jí)語語言言 解解釋釋程程序序 編編譯譯程程序序 可可執(zhí)執(zhí)行行程程序序 高高級(jí)級(jí)語語言言程程序序員員 匯匯編編語語言言

7、第第 4 4 級(jí)級(jí) 匯匯編編語語言言 匯匯編編程程序序 可可執(zhí)執(zhí)行行程程序序 匯匯編編語語言言程程序序員員 系系統(tǒng)統(tǒng)原原語語 鍵鍵盤盤命命令令 第第 3 3 級(jí)級(jí) 操操作作系系統(tǒng)統(tǒng) 操操作作系系統(tǒng)統(tǒng) 系系統(tǒng)統(tǒng)資資源源 系系統(tǒng)統(tǒng)操操作作員員 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 指指令令系系統(tǒng)統(tǒng) 第第2 2 級(jí)級(jí) 機(jī)機(jī)器器語語言言 中中央央處處理理機(jī)機(jī) 目目標(biāo)標(biāo)程程序序 機(jī)機(jī)器器語語言言程程序序員員 指指令令時(shí)時(shí)序序 第第1 1 級(jí)級(jí) 微微程程序序控控制制 微微程程序序控控制制 寄寄存存器器邏邏輯輯 邏邏輯輯設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)員員 操操作作時(shí)時(shí)序序 第第0 0 級(jí)級(jí) 硬硬聯(lián)聯(lián)邏邏輯輯 硬硬聯(lián)聯(lián)邏邏輯輯 邏邏輯輯線

8、線路路 硬硬件件設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)員員 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義 計(jì)算機(jī)軟件硬件計(jì)算機(jī)軟件硬件兩種定義：兩種定義：u定義定義1：Amdahl于于1964年提出：年提出：程序員所看到的程序員所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)屬性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)屬性，即，即概念性結(jié)構(gòu)概念性結(jié)構(gòu)和和功能特性功能特性看到的看到的：編寫出能在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必編寫出能在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須須 了解到的。了解到的。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主主存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器主主存存控控制制器器打打印印機(jī)機(jī)磁磁盤盤機(jī)機(jī)卡卡片片機(jī)機(jī)磁磁帶帶機(jī)機(jī)終終 端端概念結(jié)構(gòu)概念結(jié)構(gòu)IOP：IO控制器控制器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

9、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能特性：指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式功能特性：指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式 數(shù)據(jù)表示：數(shù)據(jù)表示：硬件能夠直接認(rèn)別和處理的數(shù)據(jù)類型和硬件能夠直接認(rèn)別和處理的數(shù)據(jù)類型和格式；格式； 尋址方式：尋址方式：最小尋址單位、尋址方式的種類和地址最小尋址單位、尋址方式的種類和地址運(yùn)算等；運(yùn)算等； 寄存器組織：寄存器組織：操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存器及專用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則等；存器及專用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則等； 指令系統(tǒng)：指令系統(tǒng)：機(jī)器指令的操作類型、格式，指令間的機(jī)器指令的操作類型、格式，指令間的排序和控制機(jī)制；排序和控制機(jī)制；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系

10、統(tǒng)結(jié)構(gòu)中斷系統(tǒng)：中斷系統(tǒng)：中斷類型、中斷級(jí)別和中斷響應(yīng)方式等；中斷類型、中斷級(jí)別和中斷響應(yīng)方式等；存儲(chǔ)系統(tǒng)：存儲(chǔ)系統(tǒng)：最小編址單位、編址方式、主存容量、最最小編址單位、編址方式、主存容量、最大尋址空間等；大尋址空間等；輸入輸出系統(tǒng)：輸入輸出系統(tǒng)：連接方式、數(shù)據(jù)交換方式、數(shù)據(jù)交換連接方式、數(shù)據(jù)交換方式、數(shù)據(jù)交換過程的控制等；過程的控制等；信息保護(hù)信息保護(hù): 信息保護(hù)方式和硬件對(duì)信息保護(hù)的支持等。信息保護(hù)方式和硬件對(duì)信息保護(hù)的支持等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)透明性概念透明性概念 本來存在的事物或?qū)傩?，從某種角度看似乎不存在本來存在的事物或?qū)傩裕瑥哪撤N角度看似乎不存在例如：浮點(diǎn)數(shù)表示、乘法指令例

11、如：浮點(diǎn)數(shù)表示、乘法指令 對(duì)高級(jí)語言程序員、應(yīng)用程序員透明對(duì)高級(jí)語言程序員、應(yīng)用程序員透明 對(duì)匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員不透明對(duì)匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員不透明例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序 對(duì)匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員透明對(duì)匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員透明 對(duì)硬件設(shè)計(jì)者、計(jì)算機(jī)維修人員不透明對(duì)硬件設(shè)計(jì)者、計(jì)算機(jī)維修人員不透明 透明度越高，編程越簡單，執(zhí)行效率降低透明度越高，編程越簡單，執(zhí)行效率降低 透明度越低，編程越復(fù)雜，執(zhí)行效率提高透明度越低，編程越復(fù)雜，執(zhí)行效率提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)u定義定義2： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配和對(duì)軟計(jì)

12、算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配和對(duì)軟硬件界面的確定硬件界面的確定 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們?cè)诠τ?jì)算機(jī)系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們?cè)诠δ苌鲜峭鹊摹Ｄ苌鲜峭鹊摹?同一種功能可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件或固同一種功能可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件或固件實(shí)現(xiàn)。件實(shí)現(xiàn)。系列計(jì)算機(jī)概念：系列計(jì)算機(jī)概念：相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同組成和實(shí)現(xiàn)相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。的一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.1.3 計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成 計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，主要包括指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，主要包括： 確定數(shù)據(jù)通路的寬度確定數(shù)據(jù)通

13、路的寬度 確定各種操作對(duì)功能部件的共享程度確定各種操作對(duì)功能部件的共享程度 確定專用的功能部件確定專用的功能部件 確定功能部件的并行度確定功能部件的并行度 設(shè)計(jì)緩沖和排隊(duì)策略設(shè)計(jì)緩沖和排隊(duì)策略 設(shè)計(jì)控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)控制機(jī)構(gòu) 確定采用何種可靠性技術(shù)確定采用何種可靠性技術(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1.4 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括：是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括： 處理機(jī)、主存儲(chǔ)器等部件的物理結(jié)構(gòu)處理機(jī)、主存儲(chǔ)器等部件的物理結(jié)構(gòu) 器件的集成度和速度器件的集成度和速度 專用器件的設(shè)計(jì)專用器件的設(shè)計(jì) 器件、模塊、插件、底版的劃分與連接器件、模塊、插件、底

14、版的劃分與連接 信號(hào)傳輸技術(shù)信號(hào)傳輸技術(shù) 電源、冷卻及裝配技術(shù)，相關(guān)制造工藝及技術(shù)等電源、冷卻及裝配技術(shù)，相關(guān)制造工藝及技術(shù)等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的關(guān)系： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成實(shí)現(xiàn)，組成和實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)推動(dòng)系統(tǒng)結(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成實(shí)現(xiàn)，組成和實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)推動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)步；構(gòu)的進(jìn)步； 隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者間界限越來越模糊。隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者間界限越來越模糊。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2.1 性能評(píng)測(cè)的常用方法性能評(píng)測(cè)

15、的常用方法 1.2.2 其他性能其他性能1.2.3 價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2.1 性能評(píng)測(cè)的常用方法性能評(píng)測(cè)的常用方法 以運(yùn)算速度為主以運(yùn)算速度為主1、時(shí)鐘頻率（主頻）時(shí)鐘頻率（主頻）：如：只表示只表示CPU的指令處理能力的指令處理能力實(shí)際運(yùn)算速度還與實(shí)際運(yùn)算速度還與Cache、內(nèi)存、內(nèi)存、I/O、被執(zhí)行程序、被執(zhí)行程序等均有關(guān)等均有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2、指令執(zhí)行速度、指令執(zhí)行速度一種經(jīng)典的表示運(yùn)算速度的方法一種經(jīng)典的表示運(yùn)算速度的方法MIPS（Million Instructions Per Second）

16、以及）以及 KIPS、GIPS、TIPS其中：其中：Fz為處理機(jī)的工作主頻為處理機(jī)的工作主頻 CPI(Cycles Per Instruction)為為 每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù) IPC為每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)為每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)Fz IPCCPIFz10MIPS6執(zhí)行時(shí)間指令條數(shù)MFLOPS、GFLOPS、 TFLOPS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)例例1：計(jì)算：計(jì)算PentiumII 450處理機(jī)的運(yùn)算速度。處理機(jī)的運(yùn)算速度。解：由于解：由于PentiumII 450處理機(jī)的處理機(jī)的IPC2（或（或CPI0.5），），F(xiàn)z450MHz （1

17、）不同指令的速度差別很大）不同指令的速度差別很大（2）指令使用頻度差別很大）指令使用頻度差別很大 MIPS9004502 Fz IPCMIPS450PentiumII主要優(yōu)點(diǎn)：直觀、方便。目前還經(jīng)常使用主要優(yōu)點(diǎn)：直觀、方便。目前還經(jīng)常使用 主要缺點(diǎn)主要缺點(diǎn):計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3、等效指令速度：吉普森（、等效指令速度：吉普森（Gibson）法）法其中：其中：Wi：指令使用頻度，：指令使用頻度，i：指令種類：指令種類靜態(tài)指令使用頻度：在程序中直接統(tǒng)計(jì)靜態(tài)指令使用頻度：在程序中直接統(tǒng)計(jì)動(dòng)態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過程中統(tǒng)計(jì)動(dòng)態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過程中統(tǒng)計(jì)在計(jì)算機(jī)發(fā)展的早期，用加法指令

18、的運(yùn)算速度來衡量計(jì)算機(jī)的在計(jì)算機(jī)發(fā)展的早期，用加法指令的運(yùn)算速度來衡量計(jì)算機(jī)的速度。速度。通常：加、減法通常：加、減法50，乘法，乘法15，除法，除法5，程序控制，程序控制15，其，其他他15）（等效等效指令速度等效指令執(zhí)行時(shí)間niiiniiiniiiWCPICPIMIPSWMIPSTWT1111)(計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)例例2：我國最早研制的小型計(jì)算機(jī)：我國最早研制的小型計(jì)算機(jī)DJS-130，定點(diǎn)，定點(diǎn)16位，位，加法速度每秒加法速度每秒50萬次，但沒有硬件乘法和除法等指令。萬次，但沒有硬件乘法和除法等指令。用軟件實(shí)現(xiàn)乘法和除法，速度降低用軟件實(shí)現(xiàn)乘法和除法，速度降低100倍左右，求定

19、倍左右，求定點(diǎn)等效速度。點(diǎn)等效速度。解：解： 即每秒即每秒2萬次，由于乘法和除法用軟件實(shí)現(xiàn)，等效速萬次，由于乘法和除法用軟件實(shí)現(xiàn)，等效速度降低了度降低了25倍。倍。 MIPS0.02100/0.80/1MIPS）（等效指令速度計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)例例3：如果浮點(diǎn)開平方操作：如果浮點(diǎn)開平方操作FPSQR的比例為的比例為2%，CPI為為100，其他浮點(diǎn)操作的比例為其他浮點(diǎn)操作的比例為23%，CPI4.0，其余指令的，其余指令的CPI1.33，計(jì)算該處理機(jī)的等效，計(jì)算該處理機(jī)的等效CPI。如果。如果FPSQR操作操作的的CPI也為也為4.0，重新計(jì)算等效，重新計(jì)算等效CP

20、I。解：解： 等效等效CPI1100 2 4 23 1.33 753.92 等效等效CPI24 251.33 752.00 由于改進(jìn)了僅占由于改進(jìn)了僅占2的的FPSQR操作的操作的CPI，使等效速度提，使等效速度提高了近一倍高了近一倍計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4、數(shù)據(jù)處理速率、數(shù)據(jù)處理速率PDR（processing data rate） PDRL/R其中：其中：L0.85G0.15H0.4J0.15K；R0.85M0.09N0.06P其中：其中：G是每條定點(diǎn)指令的位數(shù)是每條定點(diǎn)指令的位數(shù)M是平均定點(diǎn)加法時(shí)間是平均定點(diǎn)加法時(shí)間H是每條浮點(diǎn)指令的位數(shù)是每條浮點(diǎn)指令的位數(shù)N是平均浮點(diǎn)加法時(shí)間是平

21、均浮點(diǎn)加法時(shí)間J是定點(diǎn)操作數(shù)的位數(shù)是定點(diǎn)操作數(shù)的位數(shù)P是平均浮點(diǎn)乘法時(shí)間是平均浮點(diǎn)乘法時(shí)間K是浮點(diǎn)操作數(shù)的位數(shù)是浮點(diǎn)操作數(shù)的位數(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5、核心程序法、核心程序法 把應(yīng)用程序中用的最頻繁那部分核心程序作為評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)把應(yīng)用程序中用的最頻繁那部分核心程序作為評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)程序。稱為性能的標(biāo)準(zhǔn)程序。稱為基準(zhǔn)程序基準(zhǔn)程序benchmark 整數(shù)測(cè)試程序：整數(shù)測(cè)試程序：Dhrystone 浮點(diǎn)測(cè)試程序：浮點(diǎn)測(cè)試程序：Linpack用用FORTRAN語言編寫，主要是浮點(diǎn)加法和浮點(diǎn)乘法操作。語言編寫，主要是浮點(diǎn)加法和浮點(diǎn)乘法操作。用用MFLOPS（Million Floating

22、Point Operations Per Second）表示表示GFLOPS、TFLOPS Whetstone基準(zhǔn)測(cè)試程序基準(zhǔn)測(cè)試程序計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6、基準(zhǔn)測(cè)試程序套件（、基準(zhǔn)測(cè)試程序套件（SPEC基準(zhǔn)程序基準(zhǔn)程序 ）SPEC：System performance evaluation Cooperative目前使用最為廣泛、最具權(quán)威性的測(cè)試規(guī)矩目前使用最為廣泛、最具權(quán)威性的測(cè)試規(guī)矩 由約由約30個(gè)世界知名計(jì)算機(jī)大廠商所支持的非盈利合作組織，個(gè)世界知名計(jì)算機(jī)大廠商所支持的非盈利合作組織，包括：包括：IBM、AT&T、BULL、Compaq、CDC、

23、DG、DEC、Fujitsu、HP、Intel、MIPS、Motolola、SGI、SUN、Unisys等；等；SPEC能夠全面反映機(jī)器的性能，具有很高的參考價(jià)值；能夠全面反映機(jī)器的性能，具有很高的參考價(jià)值；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2.2 其他性能其他性能1存儲(chǔ)能力存儲(chǔ)能力存儲(chǔ)容量，速度，編址單位，編址方式，尋址方式存儲(chǔ)容量，速度，編址單位，編址方式，尋址方式2字長字長 關(guān)鍵問題：指令字長與數(shù)據(jù)字長的協(xié)調(diào)關(guān)鍵問題：指令字長與數(shù)據(jù)字長的協(xié)調(diào)原因：程序與數(shù)據(jù)共用同一個(gè)主存儲(chǔ)器原因：程序與數(shù)據(jù)共用同一個(gè)主存儲(chǔ)器早期：由指令字長決定早期：由指令字長決定當(dāng)前：由數(shù)據(jù)字長決定，當(dāng)前：由數(shù)據(jù)字長決定

24、，8的倍數(shù)，如：的倍數(shù)，如：32位、位、64位等位等可變字長：任意組合可變字長：任意組合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型目前常用：定點(diǎn)、浮點(diǎn)、邏輯、目前常用：定點(diǎn)、浮點(diǎn)、邏輯、已有類型：向量、串、棧、樹、已有類型：向量、串、棧、樹、發(fā)展方向：自定義發(fā)展方向：自定義數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)表示4、指令系統(tǒng)、指令系統(tǒng)CISC：復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)：復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)RISC：精簡指令集計(jì)算機(jī)：精簡指令集計(jì)算機(jī) VLIW：超長指令字：超長指令字(Very Long Instruction Word) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5、輸入輸出能力、輸入輸出能力輸入輸出方式輸入輸出方式中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)輸入輸

25、出接口輸入輸出接口6、兼容性、兼容性共分共分12級(jí)：級(jí)：011，0級(jí)為完全不兼容，級(jí)為完全不兼容，11級(jí)為自身級(jí)為自身7、保護(hù)和診斷能力、保護(hù)和診斷能力程序與數(shù)據(jù)的保護(hù)程序與數(shù)據(jù)的保護(hù)診斷能力：檢錯(cuò)、糾錯(cuò)、冗余、自診斷能力診斷能力：檢錯(cuò)、糾錯(cuò)、冗余、自診斷能力可靠性：可靠性：RAS技術(shù)技術(shù)，可靠性，可靠性R、可用性、可用性A、可維護(hù)性、可維護(hù)性S計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2.3 價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)1價(jià)格與性能的關(guān)系：價(jià)格與性能的關(guān)系：摩爾定理：摩爾定理：每隔每隔3 年芯片的集成度翻兩翻年芯片的集成度翻兩翻 用同樣的價(jià)格，五年之后能買到性能高十倍的機(jī)器用同樣的價(jià)格，五年之后能買到性能高十倍的

26、機(jī)器 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)每年的折舊率為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)每年的折舊率為75左右左右2硬件與軟件的價(jià)格比例：硬件與軟件的價(jià)格比例： 硬件的比例下降，軟件的比例上升硬件的比例下降，軟件的比例上升 目前軟件價(jià)格已經(jīng)超過硬件價(jià)格目前軟件價(jià)格已經(jīng)超過硬件價(jià)格計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微電子發(fā)展的神奇規(guī)律微電子發(fā)展的神奇規(guī)律Moores Law成本 硬件 軟件 年代 70 年代軟件所占的成本越來越高軟件所占的成本越來越高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)1.3.1 幾個(gè)定量原理幾個(gè)定量原理 1.3.2 軟硬件取舍軟硬件取舍1.3.3 軟件兼容性軟件兼容性1.3.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)

27、計(jì)方法計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1 1、AmdahlAmdahl定律（加快經(jīng)常性事件原理定律（加快經(jīng)常性事件原理）其中：其中：S Sn n 全局加速比；全局加速比； T To o 原執(zhí)行時(shí)間（原執(zhí)行時(shí)間（oldold）；）； T Tn n 新執(zhí)行時(shí)間（新執(zhí)行時(shí)間（newnew）；）； S Se e 被改進(jìn)部分的局部加速比；被改進(jìn)部分的局部加速比； F Fe e 被改進(jìn)部分原執(zhí)行時(shí)間占原來總時(shí)間被改進(jìn)部分原執(zhí)行時(shí)間占原來總時(shí)間的百分比。的百分比。eeenonSFFTTS)1(11.3.1 幾個(gè)定量原理幾個(gè)定量原理性能改善的極限值受Fe值限制。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 例

28、例4：假設(shè)將某一部件的處理速度加快到：假設(shè)將某一部件的處理速度加快到10倍，該部倍，該部件的原處理時(shí)間為整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的件的原處理時(shí)間為整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采用加快，則采用加快措施后能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？措施后能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？Sn10 60 41 010 6 41 5 6.解：解： 由題意可知：由題意可知：Fe=0.4, Se=10，根據(jù)，根據(jù)Amdahl定律，定律，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2、 CPI與程序執(zhí)行時(shí)間與程序執(zhí)行時(shí)間Te CPI是衡量是衡量CPU執(zhí)行指令效率的重要指標(biāo)。執(zhí)行指令效率的重要指標(biāo)。的加權(quán)平均值。為所有，它表明）（或者寫為）（的關(guān)系與一式，可以得

29、到比較上面第一式與最后寫另一方面，我們又可以，iniiiniiiniiiniiiniieniiiiieCPICPICPIICICCPICPIICCPIICCYCLECPIICCYCLECPIICTTICICfCYCLECYCLECPIICTCYCLECPIICT CPICPI)()( 1 其中： 11i1111計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3、 存儲(chǔ)器訪問的局部性原理存儲(chǔ)器訪問的局部性原理實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)：根據(jù)程序運(yùn)行的最近情況，可以較為精確的預(yù)測(cè)出最根據(jù)程序運(yùn)行的最近情況，可以較為精確的預(yù)測(cè)出最近的將來將要訪問哪些指令和數(shù)據(jù)。近的將來將要訪問哪些指令和數(shù)據(jù)。訪問的局部性原理是構(gòu)成層次化存儲(chǔ)系統(tǒng)的理論

30、基礎(chǔ)。訪問的局部性原理是構(gòu)成層次化存儲(chǔ)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。時(shí)間局部性：時(shí)間局部性：最近訪問過的代碼在很短的時(shí)間內(nèi)有可能最近訪問過的代碼在很短的時(shí)間內(nèi)有可能被再次訪問；主要對(duì)應(yīng)于循環(huán)語句；被再次訪問；主要對(duì)應(yīng)于循環(huán)語句；空間局部性：空間局部性：與剛被訪問過的指令或數(shù)據(jù)相鄰的指令或數(shù)與剛被訪問過的指令或數(shù)據(jù)相鄰的指令或數(shù)據(jù)有可能馬上被訪問；主要對(duì)應(yīng)于順序執(zhí)行的語句。據(jù)有可能馬上被訪問；主要對(duì)應(yīng)于順序執(zhí)行的語句。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3.2 軟硬件取舍軟硬件取舍關(guān)鍵問題：關(guān)鍵問題：性能與價(jià)格的關(guān)系性能與價(jià)格的關(guān)系軟件與硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)：軟件與硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)：硬件實(shí)現(xiàn)：速度快、成本高；靈活性差、占

31、用內(nèi)存少硬件實(shí)現(xiàn)：速度快、成本高；靈活性差、占用內(nèi)存少軟件實(shí)現(xiàn)：速度低、復(fù)制費(fèi)用低；靈活性好、占用內(nèi)存多軟件實(shí)現(xiàn)：速度低、復(fù)制費(fèi)用低；靈活性好、占用內(nèi)存多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兼容種類：兼容種類：1）向后兼容：在某一時(shí)間生產(chǎn)的機(jī)器上運(yùn)行的目標(biāo)軟件能）向后兼容：在某一時(shí)間生產(chǎn)的機(jī)器上運(yùn)行的目標(biāo)軟件能夠直接運(yùn)行于更晚生產(chǎn)的機(jī)器上。夠直接運(yùn)行于更晚生產(chǎn)的機(jī)器上。2）向前兼容：）向前兼容：3）向上兼容：在低檔機(jī)器上運(yùn)行的目標(biāo)軟件能夠直接運(yùn)行）向上兼容：在低檔機(jī)器上運(yùn)行的目標(biāo)軟件能夠直接運(yùn)行于高檔機(jī)器上。于高檔機(jī)器上。4）向下兼容：）向下兼容：其中向后兼容是最根本特征，必須做到。其中向后兼容是最根

32、本特征，必須做到。原因原因：軟件相對(duì)于硬件的成本越來越貴：軟件相對(duì)于硬件的成本越來越貴已積累了大量成熟的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。已積累了大量成熟的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。1.3.3 軟件兼容性設(shè)計(jì)方法軟件兼容性設(shè)計(jì)方法計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)方法：實(shí)現(xiàn)方法：在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同性能的要求和當(dāng)時(shí)的器件發(fā)展情況，設(shè)計(jì)出各種性能、性能的要求和當(dāng)時(shí)的器件發(fā)展情況，設(shè)計(jì)出各種性能、價(jià)格不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。價(jià)格不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成可以有多種一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成可以有多種物理實(shí)現(xiàn)。物理實(shí)現(xiàn)。 系列機(jī)定義：

33、系列機(jī)定義：具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同組成和實(shí)現(xiàn)具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)方法方法1：系列機(jī)方法：系列機(jī)方法計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 采用系列機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)：采用系列機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)： 軟件兼容，可移植性好軟件兼容，可移植性好 插件、接口等兼容插件、接口等兼容 便于實(shí)現(xiàn)機(jī)間通信便于實(shí)現(xiàn)機(jī)間通信 便于維修、培訓(xùn)便于維修、培訓(xùn) 有利于提高產(chǎn)量、降低成本有利于提高產(chǎn)量、降低成本 采用系列機(jī)的主要缺點(diǎn)：采用系列機(jī)的主要缺點(diǎn)：限制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展限制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方法方法2：模擬與仿真：模擬與仿真 Simulation vs Emul

34、ation 定義：定義：在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。令系統(tǒng)。全部用軟件實(shí)現(xiàn)的叫全部用軟件實(shí)現(xiàn)的叫模擬模擬用硬件、固件或軟件、硬件、固件混合實(shí)現(xiàn)的叫用硬件、固件或軟件、硬件、固件混合實(shí)現(xiàn)的叫仿真仿真計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 模擬的實(shí)現(xiàn)方法模擬的實(shí)現(xiàn)方法 在在A計(jì)算機(jī)上通過解釋方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)上通過解釋方法實(shí)現(xiàn)B計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，即即B機(jī)器的每一條指令用一段機(jī)器的每一條指令用一段A機(jī)器的程序進(jìn)行解釋執(zhí)機(jī)器的程序進(jìn)行解釋執(zhí)行。行。 A機(jī)器稱為宿主機(jī)，機(jī)器稱為宿主機(jī)，B機(jī)器稱為虛擬機(jī)。機(jī)器稱為虛擬機(jī)。 仿真的實(shí)現(xiàn)方法仿真的

35、實(shí)現(xiàn)方法直接用直接用A機(jī)器的一段微程序解釋執(zhí)行機(jī)器的一段微程序解釋執(zhí)行B機(jī)器的每條指令。機(jī)器的每條指令。A機(jī)器稱為宿主機(jī)，機(jī)器稱為宿主機(jī)，B機(jī)稱為目標(biāo)機(jī)。機(jī)稱為目標(biāo)機(jī)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 優(yōu)缺點(diǎn)比較優(yōu)缺點(diǎn)比較模擬方法速度低，仿真方法速度高模擬方法速度低，仿真方法速度高仿真需要較多的硬件（包括控制存儲(chǔ)器）仿真需要較多的硬件（包括控制存儲(chǔ)器）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差別大的機(jī)器難于完全用仿真方法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差別大的機(jī)器難于完全用仿真方法來實(shí)現(xiàn)除了解釋方法之外，也可以通過編譯方法實(shí)現(xiàn)除了解釋方法之外，也可以通過編譯方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方法方法3：統(tǒng)一高級(jí)語言：統(tǒng)一高級(jí)語言 方法：采用同一

36、種不依賴于任何具體機(jī)器的高級(jí)語方法：采用同一種不依賴于任何具體機(jī)器的高級(jí)語言編寫各種系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。言編寫各種系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)。短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 三種方法比較：三種方法比較： 采用統(tǒng)一高級(jí)語言最好，是努力的目標(biāo)采用統(tǒng)一高級(jí)語言最好，是努力的目標(biāo) 系列機(jī)是暫時(shí)性方法，也是目前最好的方法系列機(jī)是暫時(shí)性方法，也是目前最好的方法仿真的速度低，芯片設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)重仿真的速度低，芯片設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)重計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程方法方法1：由上向下（：由上向下（Top-Down） 設(shè)計(jì)過程：由上向下設(shè)計(jì)過程：由上向

37、下 面向應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型面向應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型面向應(yīng)用的高級(jí)語言面向應(yīng)用的高級(jí)語言面向這種應(yīng)面向這種應(yīng)用的操作系統(tǒng)用的操作系統(tǒng)面向操作系統(tǒng)和高級(jí)語言的機(jī)器語言面向操作系統(tǒng)和高級(jí)語言的機(jī)器語言面面向機(jī)器語言的微指令系統(tǒng)和硬件實(shí)現(xiàn)向機(jī)器語言的微指令系統(tǒng)和硬件實(shí)現(xiàn) 應(yīng)用場(chǎng)合：應(yīng)用場(chǎng)合： 專用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)（早期計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)）專用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)（早期計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)） 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 對(duì)于所面向的應(yīng)用領(lǐng)域，性能（性能價(jià)格比）很高對(duì)于所面向的應(yīng)用領(lǐng)域，性能（性能價(jià)格比）很高 隨著通用計(jì)算機(jī)價(jià)格降低，目前已經(jīng)很少采用隨著通用計(jì)算機(jī)價(jià)格降低，目前已經(jīng)很少采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方法方法2：由下向上（：由下向上（Bo

38、ttom-Up) 設(shè)計(jì)過程：設(shè)計(jì)過程：1)根據(jù)當(dāng)時(shí)的器件水平，設(shè)計(jì)微程序機(jī)器級(jí)和傳統(tǒng)機(jī)器根據(jù)當(dāng)時(shí)的器件水平，設(shè)計(jì)微程序機(jī)器級(jí)和傳統(tǒng)機(jī)器2)根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)多種操作系統(tǒng)、匯編語言、高根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)多種操作系統(tǒng)、匯編語言、高級(jí)語言編譯器等級(jí)語言編譯器等3)最后設(shè)計(jì)面向應(yīng)用的虛擬機(jī)器級(jí)。最后設(shè)計(jì)面向應(yīng)用的虛擬機(jī)器級(jí)。 應(yīng)用場(chǎng)合：應(yīng)用場(chǎng)合：在計(jì)算機(jī)早期設(shè)計(jì)中（在計(jì)算機(jī)早期設(shè)計(jì)中（6070年代）廣為采用年代）廣為采用 特點(diǎn)：特點(diǎn)：容易使軟件和硬件脫節(jié)，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率降低。容易使軟件和硬件脫節(jié)，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率降低。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方法方法3：中間開始（：中間開始（Mi

39、ddle-Out)用于系列計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)過程中用于系列計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用虛擬機(jī)應(yīng)用虛擬機(jī)高級(jí)語言虛擬機(jī)高級(jí)語言虛擬機(jī)匯編語言虛擬機(jī)匯編語言虛擬機(jī) 向上向上操作系統(tǒng)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)虛擬機(jī) 從中間開始從中間開始傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)微程序級(jí)微程序級(jí) 向下向下硬聯(lián)邏輯級(jí)硬聯(lián)邏輯級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4.1 馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)諾依曼結(jié)構(gòu)1.4.2 器件發(fā)展的影響器件發(fā)展的影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 于于1936年年1946年形成，馮年形成，馮諾依曼等人于諾依曼等人于1946年提出年提出輸 入 設(shè) 備輸 出 設(shè) 備運(yùn) 算 器ALU控 制 器存

40、儲(chǔ) 器1.4.1 馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、特點(diǎn)：存儲(chǔ)程序，運(yùn)算器為中心、特點(diǎn)：存儲(chǔ)程序，運(yùn)算器為中心1)存儲(chǔ)器是字長固定的、順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)器是字長固定的、順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)。2)存儲(chǔ)器提供可按地址訪問的一級(jí)地址空間，每個(gè)地址存儲(chǔ)器提供可按地址訪問的一級(jí)地址空間，每個(gè)地址是唯一定義的。是唯一定義的。3)由指令形式的低級(jí)機(jī)器語言驅(qū)動(dòng)。由指令形式的低級(jí)機(jī)器語言驅(qū)動(dòng)。4)指令順序執(zhí)行，即一般按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順指令順序執(zhí)行，即一般按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。5)運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)

41、備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運(yùn)算器。運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備的送都途經(jīng)運(yùn)算器。運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 不變的：不變的：存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序 改變的：改變的：存儲(chǔ)器為中心存儲(chǔ)器為中心1) 從基于串行算法變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，出現(xiàn)了向量計(jì)從基于串行算法變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，出現(xiàn)了向量計(jì)算機(jī)，并行計(jì)算機(jī)、多處理機(jī)等。算機(jī)，并行計(jì)算機(jī)、多處理機(jī)等。2) 高級(jí)語言與機(jī)器語言的語義距離縮小。高級(jí)語言與機(jī)器語言的語義距離縮小。3) 硬件子系統(tǒng)與操作系

42、統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件相適硬件子系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件相適應(yīng)，出現(xiàn)了面向操作系統(tǒng)機(jī)器和數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)等。應(yīng)，出現(xiàn)了面向操作系統(tǒng)機(jī)器和數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)等。4) 從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型和需求驅(qū)動(dòng)從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型和需求驅(qū)動(dòng)型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機(jī)器和歸約機(jī)。型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機(jī)器和歸約機(jī)。2、現(xiàn)代處理機(jī)對(duì)馮、現(xiàn)代處理機(jī)對(duì)馮諾依曼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)諾依曼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5) 為適應(yīng)特定應(yīng)用環(huán)境而出現(xiàn)了各種專用計(jì)算機(jī)，如為適應(yīng)特定應(yīng)用環(huán)境而出現(xiàn)了各種專用計(jì)算機(jī)，如過程控制計(jì)算機(jī)等。過程控制計(jì)算機(jī)等。6) 為獲得高可靠性而研制容錯(cuò)計(jì)算機(jī)。為獲得高可靠性而研制容錯(cuò)計(jì)

43、算機(jī)。7) 功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種功能分布計(jì)算機(jī)，功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種功能分布計(jì)算機(jī)，包含外圍處理機(jī)、通信處理機(jī)等。包含外圍處理機(jī)、通信處理機(jī)等。8) 出現(xiàn)了與大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路相適應(yīng)的計(jì)算出現(xiàn)了與大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路相適應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。9) 出現(xiàn)了處理非數(shù)值化信息的智能計(jì)算機(jī)，例如自然出現(xiàn)了處理非數(shù)值化信息的智能計(jì)算機(jī)，例如自然語言、聲音、圖形和圖象處理等。語言、聲音、圖形和圖象處理等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.4.2 器件發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響器件發(fā)展對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響第第1代至第代至第4代計(jì)算機(jī)以器件來劃分代計(jì)算機(jī)以器件來劃分: 第一代：電子

44、管第一代：電子管(Valve) 第二代：晶體管第二代：晶體管(Transistor) 第三代：集成電路第三代：集成電路(LSI) 第四代：大規(guī)模集成電路第四代：大規(guī)模集成電路(VLSI)在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)，是提高計(jì)算機(jī)速度的主要途徑在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)，是提高計(jì)算機(jī)速度的主要途徑 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、器件發(fā)展的特點(diǎn)：、器件發(fā)展的特點(diǎn)：1) 集成度迅速提高集成度迅速提高摩爾定律摩爾定律可從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)方面提高處理機(jī)速度：可從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)方面提高處理機(jī)速度： 提高提高IPC，提高到，提高到8以上，以上， 采用更深度的流水線和并行處理技術(shù)采用更深度的流水線和并行處理技術(shù)2) 提高提高速度空間不

45、大速度空間不大器件速度提高的余地已經(jīng)很小，將來提高處理機(jī)速度更多依靠器件速度提高的余地已經(jīng)很小，將來提高處理機(jī)速度更多依靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)、組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展的發(fā)展 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(3) 價(jià)格直線下降價(jià)格直線下降 CPU芯片的價(jià)格每年要下降芯片的價(jià)格每年要下降80%(4) 可靠性越來越高可靠性越來越高 芯片可靠性達(dá)到芯片可靠性達(dá)到108小時(shí)。小時(shí)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 器件速度與處理機(jī)工作主頻器件速度與處理機(jī)工作主頻2、器件發(fā)展對(duì)組成技術(shù)的影響、器件發(fā)展對(duì)組成技術(shù)的影響 器件速度與指令執(zhí)行時(shí)間器件速度與指令執(zhí)行時(shí)間40多年來，器件速度提高小于多年來，器件

46、速度提高小于104；指令執(zhí)行加快；指令執(zhí)行加快108。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3、器件發(fā)展對(duì)設(shè)計(jì)方法的影響、器件發(fā)展對(duì)設(shè)計(jì)方法的影響 計(jì)算機(jī)組成技術(shù)下移計(jì)算機(jī)組成技術(shù)下移原來只有在巨型機(jī)、大型機(jī)種采用的技術(shù)，已經(jīng)用到微型機(jī)中原來只有在巨型機(jī)、大型機(jī)種采用的技術(shù)，已經(jīng)用到微型機(jī)中 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法下移計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法下移第第1代計(jì)算機(jī)，幾乎全部由硬件人員設(shè)計(jì)代計(jì)算機(jī)，幾乎全部由硬件人員設(shè)計(jì)第第2、3、4代，由軟件、硬件人員共同設(shè)計(jì)代，由軟件、硬件人員共同設(shè)計(jì)將來：除器件設(shè)計(jì)之外，主要是軟件設(shè)計(jì)將來：除器件設(shè)計(jì)之外，主要是軟件設(shè)計(jì) 邏輯設(shè)計(jì)方法改變邏輯設(shè)計(jì)方法改變過去邏輯設(shè)計(jì)很重要，盡量節(jié)省每一個(gè)

47、芯片，每一個(gè)門過去邏輯設(shè)計(jì)很重要，盡量節(jié)省每一個(gè)芯片，每一個(gè)門目前的設(shè)計(jì)主要考慮：了解市場(chǎng)，盡量選擇通用芯片、標(biāo)準(zhǔn)芯片目前的設(shè)計(jì)主要考慮：了解市場(chǎng)，盡量選擇通用芯片、標(biāo)準(zhǔn)芯片結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，規(guī)整、易讀、易診斷結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，規(guī)整、易讀、易診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.5.1 常見分類方法常見分類方法1.5.2 三三種通用分類方法種通用分類方法1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類 1.5.1 常見分類方法常見分類方法1、按規(guī)模劃分、按規(guī)模劃分 種類：巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型種類：巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微

48、型機(jī)等。機(jī)等。 劃分原則：以性能為表征，按價(jià)格來劃分劃分原則：以性能為表征，按價(jià)格來劃分 存在問題：劃分的標(biāo)準(zhǔn)是隨時(shí)間而變化，存在問題：劃分的標(biāo)準(zhǔn)是隨時(shí)間而變化，每年每年左右降低一個(gè)等級(jí)左右降低一個(gè)等級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2、按用途劃分、按用途劃分 種類：科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制、工作站、服務(wù)器種類：科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制、工作站、服務(wù)器、家用計(jì)算機(jī)等。、家用計(jì)算機(jī)等。 發(fā)展方向：具備上述所有功能的通用處理機(jī)發(fā)展方向：具備上述所有功能的通用處理機(jī)3、按數(shù)據(jù)類型劃分、按數(shù)據(jù)類型劃分 種類：定點(diǎn)機(jī)、浮點(diǎn)機(jī)、向量機(jī)等。種類：定點(diǎn)機(jī)、浮點(diǎn)機(jī)、向量機(jī)等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4、

49、按處理機(jī)個(gè)數(shù)和種類劃分、按處理機(jī)個(gè)數(shù)和種類劃分 種類：單處理機(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)、分布處理機(jī)、種類：單處理機(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)、分布處理機(jī)、關(guān)聯(lián)處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、關(guān)聯(lián)處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、SMP（對(duì)（對(duì)稱多處理機(jī)）、稱多處理機(jī)）、MPP（大規(guī)模并行處理機(jī)）、機(jī)群（大規(guī)模并行處理機(jī)）、機(jī)群（Cluster）系統(tǒng)等。）系統(tǒng)等。5、按所使用的器件劃分、按所使用的器件劃分 種類：第一代（種類：第一代（Valve）、第二代（）、第二代（Transitor）、第三代（）、第三代（SSI和和MSI）、第四）、第四代（代（LSI和和VLSI）等。）等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

50、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、佛林（、佛林（Flynn）分類法）分類法1966年年Michael J Flynn提出提出按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類指令流：指令流：機(jī)器執(zhí)行的指令序列機(jī)器執(zhí)行的指令序列數(shù)據(jù)流：數(shù)據(jù)流：指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果多倍性（多倍性（multiplicity）：）：在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時(shí)處于同一在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時(shí)處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個(gè)數(shù)執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個(gè)數(shù)1.5.2 三種通用分類方法三種通用分類方法計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)

51、算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1)單指令流單數(shù)據(jù)流單指令流單數(shù)據(jù)流SISD(Single Instruction Single Datastream)MMPUCUDSISIS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2)單指令流多數(shù)據(jù)流單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD(Single Instruction Multiple Datastream)MM1PU2CU.ISISPUnPU1MM2MMnDS2DSnDS1SIMD 并行處理機(jī)多個(gè)并行處理機(jī)多個(gè)PU按一定方式互連，在同一個(gè)按一定方式互連，在同一個(gè)CU控制下，多數(shù)據(jù)完成同一條指令規(guī)定的操作；從控制下，多數(shù)據(jù)完成同一條指令規(guī)定的操作；從CU看，指令順序（串行）執(zhí)行，從看，指令順序（

52、串行）執(zhí)行，從PU看，數(shù)據(jù)并行執(zhí)行看，數(shù)據(jù)并行執(zhí)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3)多指令流單數(shù)據(jù)流多指令流單數(shù)據(jù)流MISD(Single Instruction Multiple Datastream)PU2CU1.IS3IS1PUnPU1MMDSDSCU2CUn.IS2MISD 幾條指令對(duì)同一數(shù)據(jù)進(jìn)行不同處理幾條指令對(duì)同一數(shù)據(jù)進(jìn)行不同處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4)多指令流多數(shù)據(jù)流多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD(Single Instruction Multiple Datastream)PU2CU1.IS3IS1PUnPU1MM1DS1CU2CUn.IS2MM2DS2MM2DS2IS1IS2

53、IS3多處理機(jī)多處理機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 主要缺點(diǎn)：主要缺點(diǎn)： (1) 分類太粗分類太粗例如：在例如：在SIMD中包括有多種處理機(jī)中包括有多種處理機(jī)對(duì)流水線處理機(jī)的劃分不明確，對(duì)流水線處理機(jī)的劃分不明確，標(biāo)量流水線為標(biāo)量流水線為SISD，向量流水線為，向量流水線為SIMD Flynn分類法得到廣泛應(yīng)用分類法得到廣泛應(yīng)用(2) 根本問題是把兩個(gè)不同等級(jí)的功能并列對(duì)待根本問題是把兩個(gè)不同等級(jí)的功能并列對(duì)待通常，數(shù)據(jù)流受指令流控制，從而造成通常，數(shù)據(jù)流受指令流控制，從而造成MISD不存在不存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1972年美籍華人馮澤云提出，年美籍華人馮澤云提出， 用最大并行度來對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類。用最大并行度來對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類。最大并行度最大并行度：系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能處理的最大二進(jìn)制位數(shù)：系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)能處理的最大二進(jìn)制位數(shù)字寬字寬n，一個(gè)字