第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

1計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院廖建明liaojm@辦公室地址：主樓B1-302(左側(cè)門)教學(xué)安排總教學(xué)時(shí)數(shù)為56，其中課堂講授54學(xué)時(shí)，習(xí)題課2學(xué)時(shí)。課程成績(jī)?cè)u(píng)定方法：平時(shí)考評(píng)與作業(yè)占20％，半期測(cè)驗(yàn)占10％，期末考試占70％。教材：《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》(第2版).袁春風(fēng)主編.清華大學(xué)出版社，2015.8參考教材:《計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)-硬件/軟件接口》（第四版)(美)DavidA.Patterson，JohnL.Hennessy著，機(jī)械工業(yè)出版社,2011.11

《計(jì)算機(jī)組成原理》（第3版），紀(jì)祿平等編，電子工業(yè)出版社，2014.92教學(xué)安排（續(xù)）關(guān)于實(shí)驗(yàn)：與本課程同步開設(shè)了“計(jì)算機(jī)組成原理綜合實(shí)驗(yàn)”課程，16學(xué)時(shí)，獨(dú)立開課，獨(dú)立學(xué)分，該課程是計(jì)算機(jī)學(xué)院各專業(yè)的必修課。3

Ch1:ComputerAbstractions

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述第1講：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介第2講：計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)第一講計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史IAS通用計(jì)算機(jī)模型機(jī)：馮.諾依曼結(jié)構(gòu)IBM360系列機(jī)：引入兼容性（系列機(jī)）概念DECPDP-8：引入總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史第一代：真空管計(jì)算機(jī)（電子管VacuumTube）1946～1957年1946年誕生第1臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）體積大，重30噸，有18000多個(gè)真空管，5000次加法/s十進(jìn)制表示/運(yùn)算，存儲(chǔ)器由20個(gè)累加器組成，每個(gè)累加器存10位十進(jìn)制數(shù)，每一位由10個(gè)真空管表示。采用手動(dòng)編程，通過(guò)設(shè)置開關(guān)和插拔連線來(lái)實(shí)現(xiàn)。馮·諾依曼機(jī)（VonNeumannMachine）1945年馮·諾依曼提出“存儲(chǔ)程序(Stored-program)”思想，并于46年開始設(shè)計(jì)“存儲(chǔ)程序”計(jì)算機(jī)。“存儲(chǔ)程序”思想：

將事先編好的程序和原始數(shù)據(jù)送入主存中，然后啟動(dòng)執(zhí)行。在不需操作人員干預(yù)下，自動(dòng)完成逐條取出指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。

SKIP真空管TheFirstGeneration:VacuumTubeComputers(1946-1957)Thefirstgeneral-purposecomputer-ENIACENIAC----NonvonNeumannModelBACK馮·諾依曼的故事1944年，馮·諾依曼參加原子彈的研制工作，涉及到極為困難的計(jì)算。1944年夏的一天，諾依曼巧遇美國(guó)彈道實(shí)驗(yàn)室的軍方負(fù)責(zé)人戈?duì)査固?，他正參與ENIAC的研制工作。馮·諾依曼被戈?duì)査固菇榻B加入ENIAC研制組，1945年，在共同討論的基礎(chǔ)上，馮·諾依曼起草了一份“關(guān)于EDVAC的報(bào)告草案”，報(bào)告長(zhǎng)達(dá)101頁(yè)，這就是全新的“存儲(chǔ)程序通用電子計(jì)算機(jī)方案”。一向?qū)８憷碚撗芯康钠樟炙诡D高等研究院批準(zhǔn)讓馮·諾依曼建造計(jì)算機(jī)，其依據(jù)就是這份報(bào)告。ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的主要思想計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個(gè)基本部件組成。各基本部件的功能是：存儲(chǔ)器不僅能存放數(shù)據(jù)，而且也能存放指令，形式上兩者沒有區(qū)別，但計(jì)算機(jī)應(yīng)能區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)還是指令；控制器應(yīng)能自動(dòng)執(zhí)行指令；運(yùn)算器應(yīng)能進(jìn)行加/減/乘/除四種基本算術(shù)運(yùn)算，并且也能進(jìn)行一些邏輯運(yùn)算和附加運(yùn)算；操作人員可以通過(guò)輸入設(shè)備和輸出設(shè)備與主機(jī)進(jìn)行通信。內(nèi)部以二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù)。每條指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼指出操作類型，地址碼指出操作數(shù)的地址。由一串指令組成程序。采用“存儲(chǔ)程序”工作方式。計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史第二代：晶體管計(jì)算機(jī)1958～64年元器件：邏輯元件采用晶體管，內(nèi)存由磁芯構(gòu)成，外存為磁鼓與磁帶。

特點(diǎn)：變址，浮點(diǎn)運(yùn)算，多路存儲(chǔ)器，I/O處理機(jī)，中央交換結(jié)構(gòu)(非總線結(jié)構(gòu))。軟件：使用高級(jí)語(yǔ)言，提供了系統(tǒng)軟件。代表機(jī)種：IBM7094(scientific)、1401(business)和DECPDP-1DECPDP-1晶體管：Transistor磁芯存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史第三代：中小規(guī)模集成電路(SSI/MSI)計(jì)算機(jī)1965～71年元器件：邏輯元件與主存儲(chǔ)器均由集成電路（IC）實(shí)現(xiàn)。特點(diǎn)：微程序控制，Cache，虛擬存儲(chǔ)器，流水線等。代表機(jī)種：IBM360和DECPDP-8（大/巨型機(jī)與小型機(jī)同時(shí)發(fā)展）巨型機(jī)(Supercomputer)：Cray-1大型機(jī)(Mainframe)：IBM360系列小型機(jī)(Minicomputer)：DECPDP-8Cray-1IBMSystem/360系列計(jì)算機(jī)IBM公司于1964年研制成功引入“兼容機(jī)”(系列機(jī))概念兼容機(jī)的特征：相同的或相似的指令集相同或相似的操作系統(tǒng)更高的速度更多的I/O端口數(shù)更大的內(nèi)存容量更高的價(jià)格低端機(jī)指令集是高端機(jī)的一個(gè)子集，稱為“向后兼容”。原來(lái)機(jī)器上的程序可以不改動(dòng)而在新機(jī)器上運(yùn)行，但性能不同。IBM360問(wèn)題1：引入“兼容機(jī)”有什么好處？問(wèn)題2：保持“兼容”的關(guān)鍵是什么？DEC公司的PDP-8機(jī)它同樣在1964年出現(xiàn)。與IBM360相比，價(jià)格更低、更小巧，因而被稱為小型機(jī)（Minicomputer）PDP-8“創(chuàng)造了小型機(jī)概念，并使之成為數(shù)十億美元的工業(yè)”，使DEC成為了最大的小型機(jī)制造商。主要特點(diǎn)：首次采用總線結(jié)構(gòu)。具有高度的靈活性，允許將模塊插入總線以形成各種配置。PDP–8/E計(jì)算機(jī)系統(tǒng)框圖問(wèn)題：“總線結(jié)構(gòu)”有什么好處？可擴(kuò)充性好（允許將新的符合標(biāo)準(zhǔn)的模塊插入總線，形成各種配置）、節(jié)省器件，體積小，價(jià)格便宜Omni總線包含了96個(gè)獨(dú)立的信號(hào)通道，用以傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信號(hào)。計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史第四代：大規(guī)模/超大規(guī)模計(jì)算機(jī)LSI/VLSI/ULSI1972～至今微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)發(fā)展迅猛，微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)。使計(jì)算機(jī)以辦公設(shè)備和個(gè)人電腦的方式走向普通用戶。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器1970年Fairchild公司生產(chǎn)出第一個(gè)相對(duì)大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器1974年位價(jià)格低于磁芯的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器出現(xiàn)，并快速下跌從1970年起，存儲(chǔ)密度幾乎是每3年提高4倍微處理器微處理器芯片密度不斷增加，使CPU中所有元件放在一塊芯片上成為可能。1971年開發(fā)出第一個(gè)微處理器芯片Intel4004。特點(diǎn)：共享存儲(chǔ)器，分布式存儲(chǔ)器及大規(guī)模并行處理系統(tǒng)以后幾代（標(biāo)準(zhǔn)、意見不一）

（注：有稱第四代是VLSI，從80年代開始；也有稱第四代是LSI，從1972年開始；有的又分成LSI時(shí)代和VLSI時(shí)代）PCEra:Mid1980s-Mid

2000s19Usingmicroprocessors,Apple,IBM,…build$1kcomputerfor1person=>Basic,Java,WindowsOS資料來(lái)源：UC-Berkeley,CourseCS61C,Spring2011Lecture#1IBMPCServer,Rack,Array20資料來(lái)源：UC-Berkeley,CourseCS61C,Spring2011Lecture#1服務(wù)器，機(jī)架式，陣列式第一講計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史IAS通用計(jì)算機(jī)模型機(jī)：馮.諾依曼結(jié)構(gòu)IBM360系列機(jī)：引入兼容性（系列機(jī)）概念DECPDP-8：引入總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)硬件：CPU+MM+I/O計(jì)算機(jī)軟件：系統(tǒng)軟件+應(yīng)用軟件計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)什么是計(jì)算機(jī)？計(jì)算機(jī)是一種能對(duì)數(shù)字化信息進(jìn)行自動(dòng)、高速的算術(shù)和邏輯運(yùn)算的處理裝置。計(jì)算機(jī)的基本部件及功能運(yùn)算器（數(shù)據(jù)運(yùn)算）：ALU、GPRs、標(biāo)志寄存器等存儲(chǔ)器（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）：存儲(chǔ)陣列、地址譯碼器、讀寫控制電路總線（數(shù)據(jù)傳送）：數(shù)據(jù)(MDR)、地址(MAR)和控制線控制器（控制）：對(duì)指令譯碼生成控制信號(hào)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的所有任務(wù)都是通過(guò)執(zhí)行一條一條指令完成的！計(jì)算機(jī)的基本組成與基本功能計(jì)算機(jī)硬件：打開PC來(lái)看看PC主板CPU插座內(nèi)存條PCI總線插槽現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的原型

1946年，普林斯頓高等研究院（theInstituteforAdvanceStudyatPrinceton，IAS）開始設(shè)計(jì)“存儲(chǔ)程序”計(jì)算機(jī)，被稱為IAS計(jì)算機(jī)（1951年才完成，它并不是第一臺(tái)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)，1949年由英國(guó)劍橋大學(xué)完成的EDSAC是第一臺(tái)）。在那個(gè)報(bào)告中提出的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)被稱為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)最重要的思想是什么？“存儲(chǔ)程序(Stored-program)”工作方式：

任何要計(jì)算機(jī)完成的工作都要先被編寫成程序，然后將程序和原始數(shù)據(jù)送入主存并啟動(dòng)執(zhí)行。一旦程序被啟動(dòng)，計(jì)算機(jī)應(yīng)能在不需操作人員干預(yù)下，自動(dòng)完成逐條取出指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)也稱為馮·諾依曼機(jī)器（VonNeumannMachine）。幾乎現(xiàn)代所有的通用計(jì)算機(jī)都采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，因此，IAS計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的原型機(jī)。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)采用存儲(chǔ)程序工作方式：

任何要計(jì)算機(jī)完成的工作都要先被編寫成程序，然后將程序和原始數(shù)據(jù)送入主存并啟動(dòng)執(zhí)行。一旦程序被啟動(dòng)，計(jì)算機(jī)應(yīng)能在不需操作人員干預(yù)下，自動(dòng)完成逐條取出指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。你認(rèn)為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)是怎樣的？程序由指令構(gòu)成，指令描述如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。應(yīng)該有個(gè)主存，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)應(yīng)該有一個(gè)自動(dòng)逐條取出指令的部件還應(yīng)該有具體執(zhí)行指令（即運(yùn)算）的部件應(yīng)該有將程序和原始數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)的部件應(yīng)該有將運(yùn)算結(jié)果輸出計(jì)算機(jī)的部件你還能想出更多嗎？你猜得八九不離十了IAS計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)模型早期，部件之間用分散方式相連現(xiàn)在，部件之間大多用總線方式相連趨勢(shì)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（分散方式）高速連接回顧：馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的主要思想計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個(gè)基本部件組成。各基本部件的功能是：存儲(chǔ)器不僅能存放數(shù)據(jù)，而且也能存放指令，形式上兩者沒有區(qū)別，但計(jì)算機(jī)應(yīng)能區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)還是指令；控制器應(yīng)能自動(dòng)取出指令來(lái)執(zhí)行；運(yùn)算器應(yīng)能進(jìn)行加/減/乘/除四種基本算術(shù)運(yùn)算，并且也能進(jìn)行一些邏輯運(yùn)算和附加運(yùn)算；操作人員可以通過(guò)輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和主機(jī)進(jìn)行通信。內(nèi)部以二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù)。每條指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼指出操作類型，地址碼指出操作數(shù)的地址。由一串指令組成程序。采用“存儲(chǔ)程序”工作方式。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的主要思想是什么呢？控制器CPUPC輸入設(shè)備輸出設(shè)備MARMDRALU標(biāo)志寄存器

IR地址數(shù)據(jù)控制GPRs0123存儲(chǔ)器01234567你還記得馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)嗎？工廠、飯店？計(jì)算機(jī)是如何工作的呢？你能想到計(jì)算機(jī)相當(dāng)于現(xiàn)實(shí)生活中的什么呢？現(xiàn)代計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模型認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)中最基本的部件CPU：中央處理器；PC：程序計(jì)數(shù)器；MAR：存儲(chǔ)器地址寄存器ALU：算術(shù)邏輯部件；IR：指令寄存器；MDR：存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器GPRs：通用寄存器組（由若干通用寄存器組成，早期就是累加器）控制器CPUPC輸入設(shè)備輸出設(shè)備MARMDRALU標(biāo)志寄存器

IR地址數(shù)據(jù)控制GPRs0123存儲(chǔ)器01234567計(jì)算機(jī)是如何工作的？先想象一下媽媽是怎樣做一桌你喜歡（指定）的菜的？

廚房-CPU，你媽-控制器，盤-GPRs，鍋灶等-ALU，架子-存儲(chǔ)器控制器CPUPC輸入設(shè)備輸出設(shè)備MARMDRALU標(biāo)志寄存器

IR地址數(shù)據(jù)控制GPRs0123存儲(chǔ)器01234567計(jì)算機(jī)是如何工作的？做菜前原材料（數(shù)據(jù)）和菜譜（指令）都按序放在廚房外的架子（存儲(chǔ)器）上，每個(gè)架子有編號(hào)（存儲(chǔ)單元地址）。菜譜上信息：原料位置、做法、做好的菜放在哪里等

例如，把10、11號(hào)架上的原料一起炒，并裝入3號(hào)盤然后，我告訴媽媽從第5個(gè)架上（起始PC=5）指定菜譜開始做開始做菜第一步：從5號(hào)架上取菜譜（根據(jù)PC取指令）第二步：看菜譜（指令譯碼）第三步：從架上或盤中取原材料（取操作數(shù)）第四步：洗、切、炒等具體操作（指令執(zhí)行）第五步：裝盤或直接送桌（回寫結(jié)果）第六步：算出下一菜譜所在架子號(hào)6=5+1（修改PC的值）

繼續(xù)做下一道菜（執(zhí)行下一條指令）類似“存儲(chǔ)程序”工作方式計(jì)算機(jī)是如何工作的？如果你知道你媽媽是如何做菜的，你就已經(jīng)知道計(jì)算機(jī)是如何工作的！你能告訴我計(jì)算機(jī)是如何工作的嗎？“存儲(chǔ)程序”工作方式！控制器CPUPC輸入設(shè)備輸出設(shè)備MARMDRALU標(biāo)志寄存器

IR地址數(shù)據(jù)控制GPRs0123存儲(chǔ)器01234567計(jì)算機(jī)是如何工作的？程序在執(zhí)行前

數(shù)據(jù)和指令事先存放在存儲(chǔ)器中，每條指令和每個(gè)數(shù)據(jù)都有地址，指令按序存放，指令由OP、ADDR字段組成，程序起始地址置PC （原材料和菜譜都放在廚房外的架子上，每個(gè)架子有編號(hào)。媽媽從第5個(gè)架上指定菜譜開始做）開始執(zhí)行程序第一步：根據(jù)PC取指令（從5號(hào)架上取菜譜）第二步：指令譯碼（看菜譜）第三步：取操作數(shù)（從架上或盤中取原材料）第四步：指令執(zhí)行（洗、切、炒等具體操作）第五步：回寫結(jié)果（裝盤或直接送桌）第六步：修改PC的值（算出下一菜譜所在架子號(hào)6=5+1）繼續(xù)執(zhí)行下一條指令（繼續(xù)做下一道菜）程序由指令組成（菜單由菜譜組成）指令和數(shù)據(jù)程序啟動(dòng)前，指令和數(shù)據(jù)都存放在存儲(chǔ)器中，形式上沒有差別，都是0/1序列采用”存儲(chǔ)程序“工作方式：程序由指令組成，程序被啟動(dòng)后，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)取出一條一條指令執(zhí)行，在執(zhí)行過(guò)程中無(wú)需人的干預(yù)。指令執(zhí)行過(guò)程中，指令和數(shù)據(jù)被從存儲(chǔ)器取到CPU，存放在CPU內(nèi)的寄存器中：指令在IR中，數(shù)據(jù)在GPR中。指令中需給出的信息：操作性質(zhì)（操作碼）源操作數(shù)1或/和源操作數(shù)2

（立即數(shù)、寄存器編號(hào)、存儲(chǔ)地址）目的操作數(shù)地址（寄存器編號(hào)、存儲(chǔ)地址）存儲(chǔ)地址的描述與操作數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有關(guān)！IR？GPR？硬件與軟件的界面

Hardware/SoftwareInterface機(jī)器語(yǔ)言由指令代碼構(gòu)成，能被硬件直接執(zhí)行。軟件和硬件的界面：ISA（InstructionSetArchitecture）指令集體系結(jié)構(gòu)軟件硬件？InstructionsetSoftwareSystemsoftware(系統(tǒng)軟件)-

簡(jiǎn)化編程，并使硬件資源被有效利用

操作系統(tǒng)（OperatingSystem）：硬件資源管理，用戶接口語(yǔ)言處理系統(tǒng)：翻譯程序+Linker,Debug,etc…翻譯程序(Translator)有三類：匯編程序(Assembler)：匯編語(yǔ)言源程序→機(jī)器目標(biāo)程序編譯程序(Complier)：高級(jí)語(yǔ)言源程序→匯編/機(jī)器目標(biāo)程序解釋程序(Interpreter)：將高級(jí)語(yǔ)言語(yǔ)句逐條翻譯成機(jī)器指令并立即執(zhí)行,不生成目標(biāo)文件。其他實(shí)用程序:如：磁盤碎片整理程序、備份程序等Applicationsoftware(應(yīng)用軟件)

-解決具體應(yīng)用問(wèn)題/完成具體應(yīng)用各類媒體處理程序：Word/Image/Graphics/…管理信息系統(tǒng)(MIS)Game,…第一講計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史IAS通用計(jì)算機(jī)模型機(jī)：馮.諾依曼結(jié)構(gòu)IBM360系列機(jī)：引入兼容性（系列機(jī)）概念DECPDP-8：引入總線結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)硬件：CPU+MM+I/O計(jì)算機(jī)軟件：系統(tǒng)軟件+應(yīng)用軟件計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件和軟件的接口：指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件如何在硬件上執(zhí)行ComputerHierarchy（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次）I/OCPUCompilerOperatingSystemApplicationDigitalDesignCircuitDesign°上圖給出的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)（即ISA）是軟/硬件的交界面InstructionSetArchitecture°不同用戶工作在不同層次，所看到的計(jì)算機(jī)不一樣最終用戶EndUser應(yīng)用程序員ApplicationProgrammer系統(tǒng)管理員SystemAdministrator系統(tǒng)程序員SystemProgrammerMMAssembler°中間陰影部分就是本課程主要內(nèi)容，處于最核心的部分！不同層次語(yǔ)言之間的等價(jià)轉(zhuǎn)換每條指令由操作碼和若干地址碼組成任何高級(jí)語(yǔ)言程序最終通過(guò)執(zhí)行若干條指令來(lái)完成！早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次最早的計(jì)算機(jī)用機(jī)器語(yǔ)言編程

機(jī)器語(yǔ)言稱為第一代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（Firstgenerationprogramminglanguage，1GL）后來(lái)用匯編語(yǔ)言編程

匯編語(yǔ)言稱為第二代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（Secondgenerationprogramminglanguage，2GL）應(yīng)用程序指令集體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件

匯編程序操作系統(tǒng)指令集體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件應(yīng)用程序現(xiàn)代（傳統(tǒng)）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次現(xiàn)代計(jì)算機(jī)用高級(jí)語(yǔ)言編程

第三代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（3GL）為過(guò)程式語(yǔ)言，編碼時(shí)需要描述實(shí)現(xiàn)過(guò)程，即“如何做”。第四代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（4GL）

為非過(guò)程化語(yǔ)言，編碼時(shí)只需說(shuō)明“做什么”，不需要描述具體的算法實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。語(yǔ)言處理系統(tǒng)操作系統(tǒng)指令集體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)硬件應(yīng)用程序可以看出：語(yǔ)言的發(fā)展是一個(gè)不斷“抽象”的過(guò)程，因而，相應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也不斷有新的層次出現(xiàn)語(yǔ)言處理系統(tǒng)包括：各種語(yǔ)言處理程序(如編譯、匯編、鏈接)、運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)（如庫(kù)函數(shù)，調(diào)試、優(yōu)化等功能）操作系統(tǒng)包括人機(jī)交互界面、提供服務(wù)功能的內(nèi)核例程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)抽象層的轉(zhuǎn)換程序執(zhí)行結(jié)果

不僅取決于算法、程序編寫而且取決于語(yǔ)言處理系統(tǒng)操作系統(tǒng)ISA微體系結(jié)構(gòu)不同計(jì)算機(jī)課程處于不同層次必須將各層次關(guān)聯(lián)起來(lái)解決問(wèn)題功能轉(zhuǎn)換：上層是下層的抽象，下層是上層的實(shí)現(xiàn)底層為上層提供支撐環(huán)境！最高層抽象就是點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)、拖拖圖標(biāo)、敲敲鍵盤，但這背后有多少層轉(zhuǎn)化??！計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不同用戶最終用戶工作在由應(yīng)用程序提供的最上面的抽象層系統(tǒng)管理員工作在由操作系統(tǒng)提供的抽象層應(yīng)用程序員工作在由語(yǔ)言處理系統(tǒng)（主要有編譯器和匯編器）的抽象層語(yǔ)言處理系統(tǒng)建立在操作系統(tǒng)之上系統(tǒng)程序員（實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件）工作在ISA層次，必須對(duì)ISA非常了解編譯器和匯編器的目標(biāo)程序由機(jī)器級(jí)代碼組成操作系統(tǒng)通過(guò)指令直接對(duì)硬件進(jìn)行編程控制ISA處于軟件和硬件的交界面（接口）ISA是對(duì)硬件的抽象所有軟件功能都建立在ISA之上ISA是最重要的層次！那么，什么是ISA呢？指令集體系結(jié)構(gòu)（ISA）ISA指InstructionSetArchitecture，即指令集體系結(jié)構(gòu)ISA是一種規(guī)約（Specification），它規(guī)定了如何使用硬件可執(zhí)行的指令的集合，包括指令格式、操作種類以及每種操作對(duì)應(yīng)的操作數(shù)的相應(yīng)規(guī)定；指令可以接受的操作數(shù)的類型；操作數(shù)所能存放的寄存器組的結(jié)構(gòu)，包括每個(gè)寄存器的名稱、編號(hào)、長(zhǎng)度和用途；操作數(shù)所能存放的存儲(chǔ)空間的大小和編址方式；操作數(shù)在存儲(chǔ)空間存放時(shí)按照大端還是小端方式存放；指令獲取操作數(shù)的方式，即尋址方式；指令執(zhí)行過(guò)程的控制方式，包括程序計(jì)數(shù)器、條件碼定義等。ISA在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中是必不可少的一個(gè)抽象層，Why？沒有它，軟件無(wú)法使用計(jì)算機(jī)硬件！沒有它，一臺(tái)計(jì)算機(jī)不能稱為“通用計(jì)算機(jī)”ISA和計(jì)算機(jī)組成（微結(jié)構(gòu)）之間的關(guān)系

不同ISA規(guī)定的指令集不同，如，IA-32、MIPS、ARM等計(jì)算機(jī)組成必須能夠?qū)崿F(xiàn)ISA規(guī)定的功能，如提供GPR、標(biāo)志、運(yùn)算電路等同一種ISA可以有不同的計(jì)算機(jī)組成，如乘法指令可用ALU或乘法器實(shí)現(xiàn)控制器CPUPC輸入設(shè)備輸出設(shè)備MARMDRALU標(biāo)志寄存器

IR地址數(shù)據(jù)控制GPRs0123存儲(chǔ)器01234567ISA是計(jì)算機(jī)組成的抽象第二講計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)衡量計(jì)算機(jī)性能的基本指標(biāo)響應(yīng)時(shí)間（responsetime）執(zhí)行時(shí)間（executionTime）、等待時(shí)間（latency）吞吐量（throughput）帶寬（bandwidth）

計(jì)算機(jī)性能測(cè)量

指令執(zhí)行速度（MIPS、MFLOPS/TFLOPS/PFLOPS）基準(zhǔn)程序（Benchmark）主要內(nèi)容：計(jì)算機(jī)性能的基本評(píng)價(jià)指標(biāo)“機(jī)器X的速度（性能）是Y的n倍”的含義：

ExTime(Y) Performance(X) ==n ExTime(X) Performance(Y)相對(duì)性能用執(zhí)行時(shí)間的倒數(shù)來(lái)表示！°計(jì)算機(jī)有兩種不同的性能描述°Timetodothetask響應(yīng)時(shí)間（responsetime）。執(zhí)行時(shí)間（executiontime）。等待時(shí)間或時(shí)延（latency）°Tasksperday,hour,sec,ns...吞吐率（throughput）帶寬（bandwidth）°基本的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是：CPU的執(zhí)行時(shí)間不同應(yīng)用場(chǎng)合用戶關(guān)心的性能不同：-要求吞吐率高的場(chǎng)合，例如：

多媒體應(yīng)用（音/視頻播放要流暢）-要求響應(yīng)時(shí)間短的場(chǎng)合：例如：

事務(wù)處理系統(tǒng)（存/取款速度要快）-要求吞吐率高且響應(yīng)時(shí)間短的場(chǎng)合：

文件服務(wù)器、Web服務(wù)器等程序由指令構(gòu)成。CPU執(zhí)行時(shí)間就是執(zhí)行程序中全部指令的時(shí)間。計(jì)算機(jī)性能的測(cè)量比較計(jì)算機(jī)的性能時(shí)，用執(zhí)行時(shí)間來(lái)衡量完成同樣工作量所需時(shí)間最短的那臺(tái)計(jì)算機(jī)就是性能最好的處理器時(shí)間往往被多個(gè)程序共享使用，因此，用戶感覺到的程序執(zhí)行時(shí)間并不是程序真正的執(zhí)行時(shí)間通常把用戶感覺到的響應(yīng)時(shí)間分成以下兩個(gè)時(shí)間：CPU時(shí)間：指CPU真正花在該程序執(zhí)行上的時(shí)間。又包括兩部分：用戶CPU時(shí)間：用來(lái)運(yùn)行用戶代碼的時(shí)間系統(tǒng)CPU時(shí)間：為了執(zhí)行用戶程序而需要運(yùn)行操作系統(tǒng)程序的時(shí)間其他時(shí)間：指等待I/O操作完成或CPU花在其他用戶程序的時(shí)間系統(tǒng)性能和CPU性能不等價(jià)，有一定的區(qū)別系統(tǒng)性能(Systemperformance)：系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，與CPU外的其他部分也都有關(guān)系CPU性能(CPUperformance)：用戶CPU時(shí)間本章主要討論CPU性能，即：CPU真正用在用戶程序執(zhí)行上的時(shí)間問(wèn)題：用戶CPU時(shí)間與系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間哪個(gè)更長(zhǎng)？CPU執(zhí)行時(shí)間的計(jì)算CPU執(zhí)行時(shí)間

=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序×

時(shí)鐘周期=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序÷

時(shí)鐘頻率=

指令條數(shù)/程序×CPI×

時(shí)鐘周期CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序=

指令條數(shù)/程序×

CPICPI=CPU時(shí)鐘周期數(shù)/程序÷指令條數(shù)/程序CPI用來(lái)衡量以下各方面的綜合性能InstructionSetArchitecture（ISA）Implementationofthatarchitecture（Organization&Technology）Program（Compiler、Algorithm）

CPI：CyclesPerInstruction,每條指令執(zhí)行的時(shí)鐘周期數(shù)如何計(jì)算CPI?對(duì)于某一條特定的指令而言，其CPI是一個(gè)確定的值。但是，對(duì)于某一個(gè)程序或一臺(tái)機(jī)器而言，其CPI是一個(gè)平均值，表示該程序或該機(jī)器指令集中每條指令執(zhí)行時(shí)平均需要多少時(shí)鐘周期。假定CPIi、Fi是各指令的CPI和在程序中的出現(xiàn)頻率，則程序綜合CPI為:CPI=

=x∑niiiFCPI1其中：

CountnInstructioCFii_=假定CPIi

和Ci分別為第i類指令的CPI和指令條數(shù)，則程序的總時(shí)鐘數(shù)為：=x∑niiiCCPI1總時(shí)鐘數(shù)=CPU時(shí)間=

時(shí)鐘周期x=x∑niiiCCPI1所以，CPI=(CPU時(shí)間×?xí)r鐘頻率)/指令條數(shù)=總時(shí)鐘周期數(shù)/指令條數(shù)已知CPU時(shí)間、時(shí)鐘頻率、總時(shí)鐘數(shù)、指令條數(shù)，則程序綜合CPI為:問(wèn)題：指令的CPI、機(jī)器的CPI、程序的CPI各能反映哪方面的性能？

單靠CPI不能反映CPU性能！為什么？例如，單周期處理器CPI=1，但性能差！Example1程序P在機(jī)器A上運(yùn)行需10s，機(jī)器A的時(shí)鐘頻率為400MHz。現(xiàn)在要設(shè)計(jì)一臺(tái)機(jī)器B，希望該程序在B上運(yùn)行只需6s.機(jī)器B時(shí)鐘頻率的提高導(dǎo)致了其CPI的增加，使得程序P在機(jī)器B上時(shí)鐘周期數(shù)是在機(jī)器A上的1.2倍。機(jī)器B的時(shí)鐘頻率達(dá)到A的多少倍才能使程序P在B上執(zhí)行速度是A上的10/6=1.67倍？解:CPU時(shí)間A=時(shí)鐘周期數(shù)A/時(shí)鐘頻率A

時(shí)鐘周期數(shù)A=10secx400MHz=4000M個(gè)

時(shí)鐘頻率B=時(shí)鐘周期數(shù)B/CPU時(shí)間B=1.2x

4000M/6sec=800MHz機(jī)器B的頻率是A的兩倍，但機(jī)器B的速度并不是A的兩倍！MarketingMetrics（產(chǎn)品宣稱指標(biāo)）MIPS =InstructionCount/Secondx1/106=ClockRate/CPIx1/106MillionInstructionsPerSecond（定點(diǎn)指令執(zhí)行速度）因?yàn)槊織l指令執(zhí)行時(shí)間不同，所以MIPS總是一個(gè)平均值。

不同機(jī)器的指令集不同程序由不同的指令混合而成指令使用的頻度動(dòng)態(tài)變化PeakMIPS（峰值MIPS）所以MIPS數(shù)不能說(shuō)明性能的好壞（用下頁(yè)中的例子來(lái)說(shuō)明）MFLOPS=FPOperations/Secondx1/106MillionFloating-pointOperationsPerSecond（浮點(diǎn)操作速度）不一定是程序中花時(shí)間的部分用MIPS數(shù)表示性能有沒有局限?用MFLOPS數(shù)表示性能也有一定局限！Example:MIPS數(shù)不可靠！例1.3某程序編譯后目標(biāo)代碼包含4類指令，優(yōu)化前各類指令數(shù)如下，優(yōu)化后A類指令減少了50%，其他類指令不變，設(shè)某運(yùn)行機(jī)器主頻為50MHz。問(wèn)優(yōu)化前后的CPI和MIPS分別是多少？OpFreqCycleA 43% 1B 21% 2C 12% 2D 24% 2NewFreq27%27%15%31% OptimizingcompilerCPI=43%*1+(21%+12%+24%)*2

=1.57MIPS=50M/1.57=31.8結(jié)果：因?yàn)閮?yōu)化后減少了A類指令（其他指令數(shù)沒變），所以程序執(zhí)行時(shí)間一定減少了，但優(yōu)化后的MIPS數(shù)反而降低了。21.5/(21.5+21+12+24)=27%21/(21.5+21+12+24)=27%12/(21.5+21+12+24)=15%24/(21.5+21+12+24)=31%1.7328.9選擇性能評(píng)價(jià)程序（Benchmarks）用基準(zhǔn)程序來(lái)評(píng)測(cè)計(jì)算機(jī)的性能基準(zhǔn)測(cè)試程序是專門用來(lái)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)的一組程序不同用戶使用的計(jì)算機(jī)用不同的基準(zhǔn)程序基準(zhǔn)程序通過(guò)運(yùn)行實(shí)際負(fù)載來(lái)反映計(jì)算機(jī)的性能最好的基準(zhǔn)程序是用戶實(shí)際使用的程序或典型的簡(jiǎn)單程序基準(zhǔn)程序的缺陷現(xiàn)象：基準(zhǔn)程序的性能與某段短代碼密切相關(guān)時(shí)，會(huì)被利用以得到不當(dāng)?shù)男阅茉u(píng)測(cè)結(jié)果手段：硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員或編譯器開發(fā)者針對(duì)這些代碼片段進(jìn)行特殊的優(yōu)化，使得執(zhí)行這段代碼的速度非常快例1：IntelPentium處理器運(yùn)行SPECint時(shí)用了公司內(nèi)部使用的特殊編譯器，使其性能極高例2：矩陣乘法程序SPECmatrix300有99%的時(shí)間運(yùn)行在一行語(yǔ)句上，有些廠商用特殊編譯器優(yōu)化該語(yǔ)句，使性能達(dá)VAX11/780的729.8倍！SuccessfulBenchmark:SPEC

1988年，5家公司（Sun,MIPS,HP,Apollo,DEC）聯(lián)合提出了SPEC

(SystemsPerformanceEvaluationCommittee)SPEC給出了一組標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試程序、標(biāo)準(zhǔn)輸入和測(cè)試報(bào)告。它們是一些實(shí)際的程序，包括OScalls、I/O等。版本89：10programs=4forinteger+6forFP