清華鄭緯民湯志忠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1章

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（第2版）

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材鄭緯民湯志忠編著課程介紹11/28/20232計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.課程名稱

ComputerArchitecture

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

建筑物的設(shè)計(jì)或式樣,通常指一個(gè)系統(tǒng)的外貌2.研究內(nèi)容從外部來研究計(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11/28/20233計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系3.學(xué)習(xí)目的建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整概念學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最新研究成果4.學(xué)科方向一級學(xué)科1個(gè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)二級學(xué)科3個(gè)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)軟件及理論、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)全國重點(diǎn)學(xué)科：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)11/28/20234計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程介紹5.與其他學(xué)科的交叉學(xué)科交叉：計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、……新內(nèi)容：超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、VLIW處理機(jī)、向量處理機(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)、互連網(wǎng)絡(luò)、……計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正處于變革時(shí)期軟件-系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-實(shí)現(xiàn)技術(shù),兩頭發(fā)展快中間慢

非馮計(jì)算機(jī)正興起

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展時(shí)期已經(jīng)到來11/28/20235計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程介紹6.課程安排課內(nèi)：64學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)：16學(xué)時(shí)，課內(nèi)外比例：課內(nèi)1：課外>1除完成作業(yè)之外，還要多看參考書

多看好論文(被SCI、EI收錄)，了解國內(nèi)外最新研究成果7.教材和參考書教材：清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(第二版)，清華大學(xué)出版社11/28/20236計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程介紹參考書：(1)DavidA.PattersonandJohnL.Hennessy,ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach3Ed.SanFrancisco:MorganKaufmannPublishers

中文：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法（第二版,第三版即將出版），清華大學(xué)出版社(2)KaiHwang，AdvancedComputerAcrchitectureParallelismScalabilityProgrammability

中文：高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：并行性可擴(kuò)展性可編程性，清華大學(xué)出版社、廣西科學(xué)技術(shù)出版社11/28/20237計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程介紹1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類第1章基本概念11/28/20238計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介1.1.1為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1.2如何認(rèn)識計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義1.1.4計(jì)算機(jī)組成技術(shù)1.1.5計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)11/28/20239計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.1.1為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.提高處理機(jī)運(yùn)算速度：MIPS＝Fz

IPC

其中:Fz為處理機(jī)的工作主頻

IPC(InstructionPerCycle)為

每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)提高IPC：依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過去，幾個(gè)或幾十個(gè)周期完成一條指令

現(xiàn)在，一個(gè)周期完成幾條指令提高Fz：縮短門電路延遲，依靠技術(shù)進(jìn)步流水線技術(shù)等，依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從指令串行執(zhí)行，到P4的20級流水線11/28/202310計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念11/28/202311計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念2.計(jì)算機(jī)性能提高的幾個(gè)階段20世紀(jì)70年代末之前，大型機(jī)和小型機(jī)計(jì)算機(jī)性能每年提高25%~30%。20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)微處理機(jī)，依靠集成電路技術(shù)，性能每年提高35%20世紀(jì)80年中期，出現(xiàn)RISC技術(shù)、高級語言和操作系統(tǒng)等，性能每年提高50%1995年，先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對微處理器性能的貢獻(xiàn)是單純技術(shù)進(jìn)步的5倍。3.近幾年及將來，計(jì)算機(jī)性能按摩爾定理發(fā)展。4.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們要不斷創(chuàng)新。11/28/202312計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.1.2如何認(rèn)識計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.虛擬計(jì)算機(jī)定義：從不同角度所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性是不同的。主要觀察角度包括：

應(yīng)用程序員系統(tǒng)程序員硬件設(shè)計(jì)人員對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識通常只需要在某一個(gè)層次上11/28/202313計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念虛擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)11/28/202314計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為7個(gè)層次

第3級至第6級由軟件實(shí)現(xiàn),稱為虛擬機(jī)從學(xué)科領(lǐng)域來劃分：第0級和第1級屬于計(jì)算機(jī)組成原理

第2級屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第3至第5級屬于系統(tǒng)軟件

第6級屬于應(yīng)用軟件它們之間有交叉例如：第3級必須依賴第4級和第5級來實(shí)現(xiàn)11/28/202315計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)11/28/202316計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1711/28/202318計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念3.透明性概念定義：本來存在的事物或?qū)傩?，從某種角度看似乎不存在例如：CPU類型、型號、主存儲器容量等對應(yīng)用程序員

透明對系統(tǒng)程序員、硬件設(shè)計(jì)人員等不透明例如：浮點(diǎn)數(shù)表示、乘法指令 對高級語言程序員、應(yīng)用程序員透明 對匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員

不透明例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序 對匯編語言程序員、機(jī)器語言程序員

透明 對硬件設(shè)計(jì)人員、計(jì)算機(jī)維修人員

不透明11/28/202319計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義一

Amdahl于1964年在推出IBM360系列計(jì)算機(jī)時(shí)提出：程序員所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性,即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性程序員：系統(tǒng)程序員（包括：匯編語言、機(jī)器語言、編譯程序、操作系統(tǒng)）看到的：編寫出能在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到的11/28/202320計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念概念性結(jié)構(gòu)

IBM360系列計(jì)算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu)11/28/202321計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念

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；尋址技術(shù)：編址方式、尋址方式和定位方式等；寄存器組織：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；指令系統(tǒng)：操作類型、格式，指令間的排序控制等；中斷系統(tǒng)：中斷類型、中斷級別和中斷響應(yīng)方式等；存儲系統(tǒng)：尋址空間、虛擬存儲器、Cache存儲器等；處理機(jī)工作狀態(tài)：定義和切換方式，如管態(tài)和目態(tài)等；輸入輸出系統(tǒng)：數(shù)據(jù)交換方式、交換過程的控制等；信息保護(hù)：信息保護(hù)方式和硬件對信息保護(hù)的支持等。功能特性

指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式11/28/202322計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義二研究軟硬件功能分配和對軟硬件界面的確定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們在功能上是同等的。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)。不同的組成只是性能和價(jià)格不同,他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是相同的。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)的一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。11/28/202323計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.1.4計(jì)算機(jī)組成技術(shù)

1.課程名稱

ComputerOrganization

計(jì)算機(jī)組成，計(jì)算機(jī)組織，計(jì)算機(jī)原理，計(jì)算機(jī)組成原理2.研究方法從內(nèi)部研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。11/28/202324計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念3.主要研究內(nèi)容確定數(shù)據(jù)通路的寬度；確定各種操作對功能部件的共享程度；確定專用的功能部件；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)控制機(jī)構(gòu)；確定采用何種可靠性技術(shù)。11/28/202325計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.1.5計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

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)主要包括：

處理機(jī)、主存儲器等部件的物理結(jié)構(gòu)；

器件的集成度和速度；

專用器件的設(shè)計(jì)；

器件、模塊、插件、底版的劃分與連接；

信號傳輸技術(shù)；

電源、冷卻及裝配技術(shù)，制造工藝及技術(shù)等。隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者之間的界限越來越模糊。11/28/202326計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.2.1運(yùn)算速度1.2.2存儲器系統(tǒng)1.2.3其他性能1.2.4價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)11/28/202327計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.2.1運(yùn)算速度

運(yùn)算速度是表示處理機(jī)性能的主要指標(biāo)。有多種表示處理機(jī)運(yùn)算速度的方法。

哪一種表示方法合理？1.時(shí)鐘頻率（處理機(jī)主頻）只能用于同一公司、同一類型、同一配置的處理機(jī)

如：Pentium4

2.0G比Pentium4

1.6G快25%?

Pentium4

2.4G比Pentium4

1.6G快50%?只表示CPU的指令處理能力實(shí)際運(yùn)算速度還與Cache、內(nèi)存、I/O、被執(zhí)行程序等均有關(guān)。11/28/202328計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念2.指令執(zhí)行速度一種經(jīng)典的表示運(yùn)算速度的方法

MIPS(MillionInstructionsPerSecond),GIPS,TIPS

其中:Fz為處理機(jī)的工作主頻

CPI(CyclesPerInstruction)為

每條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)

IPC(InstructionPerCycle)為

每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)例1：計(jì)算PentiumIV2GHz處理機(jī)的指令執(zhí)行速度。11/28/202329計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念解：由于PentiumIV2GHz處理機(jī)的

IPC＝4（或CPI＝0.25）,Fz＝2000MHz

因此，MIPSPentiumIV2G＝FzIPC＝20004＝8000MIPS＝8GIPS

即每秒鐘80億次(平均每秒鐘執(zhí)行80億條指令)

主要優(yōu)點(diǎn)：直觀、方便。目前還經(jīng)常使用主要缺點(diǎn):

(1)不同指令的執(zhí)行速度差別很大(2)指令使用頻度差別很大(3)有相當(dāng)多的非功能性指令11/28/202330計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念3.等效指令速度：

吉普森（Gibson）法：加減法50％，乘法15％，除法5％，程序控制15％，其他15％

靜態(tài)指令使用頻度：在程序中直接統(tǒng)計(jì)動態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過程中統(tǒng)計(jì)11/28/202331計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念例2：我國早期研制的一種小型計(jì)算機(jī)DJS-130

定點(diǎn)16位，加法指令每秒50萬次，但沒有硬件乘除法指令。用軟件實(shí)現(xiàn)乘除法，速度低100倍左右。求等效指令速度。解：等效指令速度為：

即每秒2萬次，由于用軟件實(shí)現(xiàn)乘除法，等效指令速度降低了25倍。

11/28/202332計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念例3：假設(shè)在一般程序中浮點(diǎn)開平方操作FPSQR所占的比例為2％，它的CPI為100；其他浮點(diǎn)操作

FP所占的比例為23％，它的CPI＝4.0；其余75％指令的CPI＝1.33，計(jì)算該處理機(jī)的等效

CPI。如果FPSQR操作的CPI也為4.0，重新計(jì)算等效CPI。解：等效CPI1＝100

2％＋4

23％＋1.33

75％＝3.92等效CPI2＝4

25％＋1.33

75％＝2.00

改進(jìn)了在用戶程序中僅占2％的開平方操作，整個(gè)機(jī)器的等效運(yùn)算速度提高了近一倍。11/28/202333計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念4.指令執(zhí)行速度的4種平均方法

算術(shù)平均：調(diào)和平均(用速率來度量)：加權(quán)平均加權(quán)算術(shù)平均：加權(quán)調(diào)和平均：11/28/202334計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念幾何平均：其中：n指不同的程序，ETR(executiontimeratio)i是第i個(gè)程序相對于參考機(jī)器正交化后的執(zhí)行時(shí)間幾何平均速度與所參考的機(jī)器無關(guān)，有如下性質(zhì)：幾何平均值的比率等于比率的幾何平均值11/28/202335計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念運(yùn)行程序P1時(shí)，A的速度是B的10倍；運(yùn)行程序P2時(shí)，B的速度是A的10倍；運(yùn)行程序P1時(shí)，A的速度是C的20倍；運(yùn)行程序P2時(shí)，C的速度是A的50倍；運(yùn)行程序P1時(shí)，B的速度是C的2倍；運(yùn)行程序P2時(shí)，C的速度是B的5倍。11/28/202336計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念算術(shù)平均：程序P1和P2各執(zhí)行1次，B的速度是A的9.1倍；程序P1和P2各執(zhí)行1次，C的速度是A的25倍；程序P1和P2各執(zhí)行1次，C的速度是B的2.75倍。結(jié)論：執(zhí)行程序P1和P2相同次數(shù)，機(jī)器A最慢，機(jī)器C最快算術(shù)平均速度：三臺機(jī)器的速度之比為：

A：B：C=1：9.1：2511/28/202337計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念加權(quán)算術(shù)平均加權(quán)算術(shù)平均W1三臺機(jī)器的速度：A<B<C加權(quán)算術(shù)平均W2三臺機(jī)器的速度：A<C<B加權(quán)算術(shù)平均W3三臺機(jī)器的速度：C<B<A機(jī)器A機(jī)器B機(jī)器C程序P1執(zhí)行時(shí)間(s)程序P2執(zhí)行時(shí)間(s)加權(quán)W1(0.5,0.5)加權(quán)W2(0.909,0.091)加權(quán)W3(0.999,0.001)11000500.50

91.912.001010055.0018.1910.09202020.0020.0020.0011/28/202338計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念幾何平均

幾何平均值與所參考的機(jī)器無關(guān)，機(jī)器A與機(jī)器B的性能相同，機(jī)器C的執(zhí)行時(shí)間是機(jī)器A或機(jī)器B的0.63倍。執(zhí)行程序P1和P2的總時(shí)間，機(jī)器A幾乎是機(jī)器B的10倍。執(zhí)行時(shí)間正交化與A正交A

B

C與B正交ABC與C正交ABC程序P1程序P2算術(shù)平均幾何平均總時(shí)間比1.010.020.01.00.10.021.05.0510.011.01.00.631.00.110.040.11.02.010.01.00.25.051.01.11.01.00.639.11.00.360.050.51.050.05.01.025.032.751.01.581.581.025.032.751.011/28/202339計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念5.核心程序法把應(yīng)用程序中使用最頻繁的那部分程序作為評價(jià)計(jì)算機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)程序。稱為基準(zhǔn)測試程序(benchmark)

整數(shù)測試程序：Dhrystone

用C語言編寫,100條語句。包括：各種賦值語句,數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)區(qū),控制語句,過程調(diào)用和參數(shù)傳送,整數(shù)運(yùn)算和邏輯操作等。

VAX-11/780的測試結(jié)果為每秒1757個(gè)Dhrystones，即：1VAXMIPS＝1757Dhrystones／Second

浮點(diǎn)測試程序：Linpack

用FORTRAN編寫，主要是浮點(diǎn)加法和浮點(diǎn)乘法操作用MFLOPS(MillionFloatingPointOperationsPerSecond)表示，GFLOPS、TFLOPS

11/28/202340計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念

SPEC基準(zhǔn)程序

SystemPerformanceEvaluationCooperative

由30個(gè)左右世界知名計(jì)算機(jī)大廠商所支持的非盈利性國際合作組織，包括：IBM、AT&T、BULL、Compaq、CDC、DG、DEC、Fujitsu、HP、Intel、MIPS、Motolola、SGI、SUN、Unisys等；1989年10月宣布SPEC1.0，程序量超過15萬行,包含4個(gè)定點(diǎn)程序和6個(gè)浮點(diǎn)程序,測試結(jié)果用SPECint’89和SPECfp’89表示。1992年增加到有6個(gè)定點(diǎn)程序和14個(gè)浮點(diǎn)程序,測試結(jié)果用SPECint’92和SPECfp’92表示。1995年推出SPECint’95和SPECfp’95SPEC2000，12個(gè)定點(diǎn)程序、14個(gè)浮點(diǎn)程序11/28/202341計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念

SPEC基準(zhǔn)測試程序舉例處理機(jī)SPECint’95SPECfp’95

PentiumII45018.5 13.3PentiumIII45018.7

13.7PentiumIII50020.614.7PientiumIII55022.3

15.6Celeron300A12.0

9.66Celeron33313.110.20Celeron36614.1

10.70Celeron40015.111.20Celeron43316.1

11.60Celeron46617.0

12.0011/28/202342計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念Pentium4性能評測數(shù)據(jù)

（數(shù)據(jù)全部來源于Intel網(wǎng)站）11/28/202343計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念

11/28/202344計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念

11/28/202345計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念

11/28/202346計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念

11/28/202347計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念11/28/202348計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念11/28/202349計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念11/28/202350計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念11/28/202351計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念

11/28/202352計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念

11/28/202353計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念6.峰值速度蜂值指令速度：MIPS、GIPS、TIPS

浮點(diǎn)蜂值速度：MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS例5：一個(gè)由36臺計(jì)算機(jī)組成的Cluster系統(tǒng)，每臺計(jì)算機(jī)內(nèi)部由4個(gè)PentiumIII700，計(jì)算這個(gè)Cluster系統(tǒng)的指令峰值速度。解：PentiumIII700MHz，有3條指令流水線，峰值指令速度為：7003＝2100MIPS

Cluster的峰值指令速度＝700３36４＝302400MIPS

即每秒３千億次11/28/202354計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.2.2存儲系統(tǒng)1.存儲層次

第1層：RegisterFiles(寄存器堆)

第2層：Lookahead(先行緩沖站)

第3層：Cache(高速緩沖存儲器)

第4層：MainMemory(主存儲器)第5層：OnlineStorage(聯(lián)機(jī)存儲器)第6層：Off-lineStorage(脫機(jī)存儲器)第1~3層在CPU芯片內(nèi)部，第4層在主板上，第5層在機(jī)箱內(nèi)(硬盤)，第6層依靠手工加載(VCD/DVD/磁帶/刻錄機(jī)等)11/28/202355計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念11/28/202356計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念2.尋址空間程序員可以使用的存儲器容量，即每個(gè)程序的大小

通常有216、224、232、264、…

Pentium處理機(jī)的尋址空間為4GB

與實(shí)際配置的存儲器容量無關(guān)3.存儲容量實(shí)際物理存儲器的大小通常用KB、MB、GB等表示建議配置：主存：128MB～512MB

硬盤：40GB～137GB11/28/202357計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念4.主存儲器的種類

SDRAM

(SynchronousDynamicRandomAccessMemory)

RDRAM(RAMBUSDRAM)DDR(DualDateRateDRAM)5.速度主存度與CPU系統(tǒng)總線速度相匹配

P4系統(tǒng)總線速度400MHz(3200MB/S)或533

DDR:

64bits×333MHz/8=2700MB/S

RDRAM:16bits×800MHz/8×2=3200MB/S6.存儲系統(tǒng)

采用軟件和硬件相結(jié)合的方法，獲得速度高、容量大、價(jià)格便宜的存儲器11/28/202358計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.2.3其他性能

1.字長1～幾百位，16位、32位、64位

由數(shù)據(jù)字長決定，8的倍數(shù)，32位、64位等

可變字長：任意組合2.數(shù)據(jù)表示

定點(diǎn)、浮點(diǎn)、邏輯、向量、串、棧、樹、…

發(fā)展方向之一：自定義數(shù)據(jù)表示4.指令系統(tǒng)

CISC(ComplexInstructionSetComputer)復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)

RISC(ReducedInstructionSetComputer)精簡指令集計(jì)算機(jī)

VLIW(VeryLongInstructionWord)超長指令字11/28/202359計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念4.輸入輸出系統(tǒng)

輸入輸出系統(tǒng)的組織方式

中斷系統(tǒng)

通道處理機(jī)

輸入輸出處理機(jī)5.保護(hù)和診斷能力

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

可靠性：RAS技術(shù)，可靠性R，可用性A，可維護(hù)性S11/28/202360計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.2.4價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)

1．價(jià)格與性能的關(guān)系：

摩爾定理：速度每10年左右提高100倍，但價(jià)格基本維持不變

用當(dāng)前同樣的價(jià)格，在5年之后能買到性能高出10倍的計(jì)算機(jī)2．硬件與軟件的價(jià)格比例：

硬件在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)價(jià)格中所占的比例在下降，軟件所占的比例在上升

目前軟件價(jià)格已經(jīng)超過硬件價(jià)格11/28/202361計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念軟件所占的成本越來越高11/28/202362計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)

1.3.1計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者的任務(wù)1.3.2軟硬件取舍1.3.3軟件兼容性1.3.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

11/28/202363計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.3.1計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者的任務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：包括指令集、存儲系統(tǒng)、總線結(jié)構(gòu)、處理器設(shè)計(jì)等，是軟硬件的分界面硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)：相當(dāng)重要，不同指令集對系統(tǒng)性能的影響在縮小應(yīng)用或市場需求性能優(yōu)化：可靠性、容錯(cuò)性、價(jià)格與性能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性：硬件實(shí)現(xiàn)方案、軟件復(fù)雜性、投放市場時(shí)間性能價(jià)格比：必須考慮實(shí)現(xiàn)的成本，包括軟件成本11/28/202364計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念功能要求應(yīng)具備或支持的典型特性應(yīng)用領(lǐng)域通用科學(xué)計(jì)算商用決定對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能要求對一系列任務(wù)有較好的性能具有較好的浮點(diǎn)運(yùn)算功能支持COBOL、數(shù)據(jù)庫、和事物處理等功能軟件兼容級別編程語言級目標(biāo)代碼級決定機(jī)器可以運(yùn)行哪些軟件設(shè)計(jì)者的自由度較大，但需要新的編譯器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，無須投資軟件操作系統(tǒng)要求地址空間大小內(nèi)存管理安全保護(hù)為支持選定的操作系統(tǒng)所需要的特性非常重要的特性，可能限制程序的運(yùn)行頁式或段式等管理方式，現(xiàn)代操作系統(tǒng)需要操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序需要標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)I/O總線編程語言網(wǎng)絡(luò)市場上已有的，某種需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)格式和算法：IEEE、DEC、IBM等I/O設(shè)備：VME、SCSI、PCI、光纖等影響指令集：C、FORTAN、COBOL等對不同網(wǎng)絡(luò)的支持：內(nèi)部互連網(wǎng)、Ethernet等11/28/202365計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.3.2軟硬件取舍1.軟硬件的關(guān)系理論上：有兩種極端實(shí)現(xiàn)方法：全硬件機(jī)器：操作系統(tǒng)、高級語言、應(yīng)用等硬件只有1位加法和分支操作，其他都用軟件關(guān)鍵問題：性能與價(jià)格的關(guān)系軟件與硬件實(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11/28/202366計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念硬件實(shí)現(xiàn)的比例越來越高11/28/202367計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念2.從價(jià)格因素考慮的軟硬件取舍假設(shè)：硬件設(shè)計(jì)費(fèi)為Dh、軟件設(shè)計(jì)費(fèi)為Ds、硬件拷貝費(fèi)為Ch、軟件拷貝費(fèi)為Cs，R為軟件重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)(占用內(nèi)存、占用介質(zhì))，當(dāng)臺數(shù)為V時(shí)，每臺的硬件費(fèi)用和軟件費(fèi)用之比為：由于：Dh>>Ds，Ch>>Cs，當(dāng)R很大時(shí)，經(jīng)常使用的基本功能適宜用硬件實(shí)現(xiàn)由于：Ds>>Cs，當(dāng)V很大時(shí)，生產(chǎn)臺數(shù)很多時(shí)適宜用硬件實(shí)現(xiàn)11/28/202368計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念3.從改進(jìn)性能考慮的軟硬件取舍基本方法：加快經(jīng)常性事件的執(zhí)行速度Amdahl定律：系統(tǒng)中某一部件由于采用更快的執(zhí)行方式后，整個(gè)系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時(shí)間的比例有關(guān)。在Amdahl定律中，加速比與兩個(gè)因素有關(guān)：11/28/202369計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念改進(jìn)后整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間為：其中：Ｔ0為改進(jìn)前的整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。

改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的加速比達(dá)到：其中：Fe表示可改進(jìn)部分所占的百分比，(1-Fe)表示不可改進(jìn)部分所占的百分比，

Se表示改進(jìn)后，可改進(jìn)部分的加速比。11/28/202370計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念例5：某部件的處理時(shí)間僅為整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的40%，如果將該部件的處理速度加快到10倍，則采用加快措施后能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？解：由題意可知：Fe=0.4,Se=10，

根據(jù)Amdahl定律，加速比為：

11/28/202371計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念4.改進(jìn)性能的主要途徑(1)

面向目標(biāo)代碼改進(jìn)

方法：用一條指令代替一串指令根據(jù)計(jì)算結(jié)果改進(jìn)：例如，增加硬件乘法和硬件除法指令能夠,使等效指令速度提高25倍，

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)改進(jìn)指令功能：如數(shù)據(jù)傳送指令、快速保存與恢復(fù)現(xiàn)場指令等增加運(yùn)算型指令的功能：如函數(shù)運(yùn)算指令等11/28/202372計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念(2)面向高級語言和編譯程序改進(jìn)：

方法：增強(qiáng)對高級語言和編譯程序支持的指令的功能例如：在do循環(huán)中，循環(huán)體只有一二條的占60%左右，增加循環(huán)控制指令。例如：條件碼對高級語言幾乎無用，在并行計(jì)算機(jī)中已經(jīng)取消條件碼。I＝m1循環(huán)體I＝I+m3I>m211/28/202373計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念(3)面向操作系統(tǒng)改進(jìn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要規(guī)整，消除例外情況。寄存器定義要統(tǒng)一(如A寄存器等)操作要均勻(如A-B與B-A)

所有的存儲部件都要對稱進(jìn)程的管理和切換存儲管理和信息保護(hù)進(jìn)程的同步與互斥，信號燈管理處理機(jī)工作狀態(tài)和訪問方式的轉(zhuǎn)換

這類指令的使用頻度往往很低，但必須設(shè)置11/28/202374計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.3.3軟件兼容性設(shè)計(jì)方法

原因：軟件相對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。1.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)軟件能夠直接運(yùn)行于更晚生產(chǎn)的機(jī)器上。(2)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)行于高檔機(jī)器上。(4)向下兼容：

向后兼容必須做到，向上兼容盡量做到向前兼容和向下兼容，可以不考慮11/28/202375計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念方法一：系列機(jī)方法

系列機(jī)定義:

具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)不同的一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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)不同的性能和不同的器件，研制出多種性能和價(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，一種組成也可以有多種物理實(shí)現(xiàn)如IBM370系列機(jī):115,125,135,145,158,168等11/28/202376計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念相同的指令系統(tǒng)，采用順序執(zhí)行、重迭、流水和并行處理方式相同的32位字長，數(shù)據(jù)通路寬度為8位、16位、32位、64位。如PC系列機(jī)有：

不同主頻：4.7MHz，500MHz，1GHz，2.4GHz,3GHz,…

不同擴(kuò)展：Pentium、PentiumPro、PentiumMMX、PentiumSSE、PentiumSSE2

不同Cache：Pentium、Celeron、Xeon

不同字長：8位、16位、32位、64位11/28/202377計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念采用系列機(jī)方法的主要優(yōu)點(diǎn)：

(1)系列機(jī)之間軟件兼容，可移植性好(2)插件、接口等相互兼容(3)便于實(shí)現(xiàn)機(jī)間通信(4)便于維修、培訓(xùn)(5)有利于提高產(chǎn)量、降低成本

采用系列機(jī)方法的主要缺點(diǎn)：

限制了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展如PC系列機(jī)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常落后，使用也最普及11/28/202378計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念方法二：模擬與仿真

SimulationEmulation定義：在一臺現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)另一臺計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。全部用軟件實(shí)現(xiàn)的叫模擬，用軟件、硬件、固件混合實(shí)現(xiàn)的叫仿真模擬的實(shí)現(xiàn)方法在A計(jì)算機(jī)上通過解釋或編譯實(shí)現(xiàn)B計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。A機(jī)器稱為宿主機(jī)，B機(jī)器稱為虛擬機(jī)。仿真的實(shí)現(xiàn)方法直接用A機(jī)器的一段微程序解釋執(zhí)行B機(jī)器的指令。A機(jī)器稱為宿主機(jī)，B機(jī)稱為目標(biāo)機(jī)。11/28/202379計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念優(yōu)缺點(diǎn)比較模擬方法速度低，仿真方法速度高仿真需要較多的硬件（包括控制存儲器）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差別大的機(jī)器難于用仿真方法實(shí)現(xiàn)除了指令系統(tǒng)之外，還有存儲系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、控制臺的操作等模擬方法用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程在一臺已有的機(jī)器上用模擬方法實(shí)現(xiàn)正在設(shè)計(jì)中的機(jī)器的指令系統(tǒng)等。具體過程如下：設(shè)計(jì)方案

模擬

性能評價(jià)

修改設(shè)計(jì)

投產(chǎn)

11/28/202380計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念方法三：統(tǒng)一高級語言實(shí)現(xiàn)方法：采用同一種不依賴于任何具體機(jī)器的高級語言編寫系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。困難：至今還沒有這樣一種高級語言，短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)。C、Ada、Java、……

三種方法比較：

采用統(tǒng)一高級語言最好，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仿真的速度低，芯片設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)重，目前用于同一系列機(jī)內(nèi)的兼容，1/10～1/2的芯片面積用于仿真11/28/202381計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念方法四：目標(biāo)代碼的并行編譯技術(shù)一個(gè)新的研究課題

一種機(jī)器的目標(biāo)代碼重新編譯到另一種機(jī)器的并行目標(biāo)代碼兩種方法：(1)動態(tài)代碼轉(zhuǎn)換例1：IBM公司研制DAISY(DynamicallyArchitectedInstructionSetfromYorktown)處理機(jī)例2：Transmeta公司研制Crusoe處理機(jī)已經(jīng)大量應(yīng)用于筆記本計(jì)算機(jī)，其功耗很低。

(2)靜態(tài)重編譯：正在研究過程中，難度很大11/28/202382計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念動態(tài)代碼轉(zhuǎn)換技術(shù)采用動態(tài)二進(jìn)制轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)與X86等處理機(jī)兼容，把X86等通用處理機(jī)的程序直接映射到VLIW處理機(jī)中執(zhí)行。IBM公司推出了開放源代碼DAISY，它不僅可以實(shí)現(xiàn)IBM的VLIW處理器與X86處理機(jī)之間的二進(jìn)制兼容，還可以實(shí)現(xiàn)PowerPC、S/390、IBM的Java虛擬機(jī)與VLIW處理器之間的二進(jìn)制兼容Transmeta公司推出了“CodeMorphingSoftware”，這種軟件可以保證Transmeta公司的VLIW處理機(jī)Crusoe能夠與X86處理機(jī)之間實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制代碼兼容11/28/202383計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.3.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程方法1：由上向下（Top-Down）設(shè)計(jì)過程：由上向下面向應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型→面向應(yīng)用的高級語言→面向這種應(yīng)用的操作系統(tǒng)→面向操作系統(tǒng)和高級語言的機(jī)器語言→面向機(jī)器語言的微指令系統(tǒng)和硬件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場合：專用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：對于所面向的應(yīng)用領(lǐng)域，性能和性能價(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11/28/202384計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念方法2：由下向上（Bottom-Up)設(shè)計(jì)過程：根據(jù)當(dāng)時(shí)的器件水平，設(shè)計(jì)微程序機(jī)器級和傳統(tǒng)機(jī)器級→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、高級語言編譯器等→最后設(shè)計(jì)面向應(yīng)用的用戶級應(yīng)用場合：通用計(jì)算機(jī)的一種設(shè)計(jì)方法，在計(jì)算機(jī)早期設(shè)計(jì)中（60～70年代）廣為采用特點(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。11/28/202385計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念方法3：中間開始（Middle-Out)

用于系列計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)過程中11/28/202386計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念方法3：中間開始（Middle-Out)設(shè)計(jì)過程：

首先定義軟硬件的分界面(指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、硬件對操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)的支持等)然后各個(gè)層次分別進(jìn)行設(shè)計(jì)(軟件設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)、高級語言、匯編語言、應(yīng)用程序等，硬件設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)傳統(tǒng)機(jī)器、微程序、硬聯(lián)邏輯等)

應(yīng)用場合：用于系列機(jī)的設(shè)計(jì)

特點(diǎn)：軟硬件人員結(jié)合、同時(shí)設(shè)計(jì)，軟硬件功能分配合理。11/28/202387計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展1.4.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)1.4.2器件發(fā)展的影響1.4.3應(yīng)用發(fā)展的影響1.4.4改進(jìn)算法的影響11/28/202388計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.4.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)

VanNenmann基本思想于1936年～1946年期間形成，由馮·諾依曼等人于1946年提出11/28/202389計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.特點(diǎn):存儲程序、運(yùn)算器為中心、集中控制存儲器是字長固定的、順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)，每個(gè)地址是唯一定義的。4096個(gè)字、40位。由指令形式的低級機(jī)器語言驅(qū)動。指令順序執(zhí)行，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運(yùn)算器。運(yùn)算器、存儲器、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。11/28/202390計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念2.現(xiàn)代處理機(jī)對馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)不變的：存儲程序改變的：存儲器為中心,總線結(jié)構(gòu),分散控制從基于串行算法變?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)等流水線處理機(jī)，超標(biāo)量處理機(jī)，超流水線處理機(jī)，超標(biāo)量超流水線處理機(jī)數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)和知識庫計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)，如FFT變換機(jī)、過程控制計(jì)算機(jī)為獲得高可靠性而研制容錯(cuò)計(jì)算機(jī)功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種分布計(jì)算機(jī)、外圍處理機(jī)、通信處理機(jī)等11/28/202391計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念存儲器為中心、分散控制11/28/202392計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念

總線結(jié)構(gòu)，分散控制總線：連接計(jì)算機(jī)各功能部件的連線和管理信息傳輸規(guī)則的邏輯電路稱為總線。特點(diǎn)：在任何時(shí)刻，只能有一個(gè)部件向總線上發(fā)送信息，可以有多個(gè)部件同時(shí)接收信息。組成：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。單總線結(jié)構(gòu)CPU主存輸入設(shè)備輸出設(shè)備總線11/28/202393計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念

雙總線結(jié)構(gòu)CPU主存擴(kuò)展總線控制線路I/O設(shè)備I/O設(shè)備處理機(jī)總線32MHz32或64位ISA/EISA8.33MHz8、16、32位

.....11/28/202394計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念

三總線結(jié)構(gòu)CPU主存PCI橋I/O設(shè)備I/O設(shè)備處理機(jī)總線100MHz32或64位ISA/EISA8.33MHz8、16、32位

.....PCIBUS

33MHz4B擴(kuò)展總線控制線路I/O設(shè)備I/O設(shè)備接快速設(shè)備接慢速設(shè)備11/28/202395計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念3.非馮計(jì)算機(jī)的發(fā)展什么是非馮計(jì)算機(jī)？非指令驅(qū)動，…從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機(jī)計(jì)算機(jī)。從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)樾枨篁?qū)動型，出現(xiàn)各種圖歸約計(jì)算機(jī)。處理非數(shù)值化信息的智能計(jì)算機(jī)，自然語言、聲音、圖形和圖象處理,虛擬現(xiàn)實(shí)處理等第五代計(jì)算機(jī)，由推理機(jī)和知識庫機(jī)等組成。歷經(jīng)10年，召開過多次專題國際會議。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，仿生計(jì)算機(jī)，…11/28/202396計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.4.2器件發(fā)展的影響1.第1代至第4代計(jì)算機(jī)以器件來劃分第一代：電子管(Valve)

第二代：晶體管(Transistor)

第三代：集成電路(LSI)

第四代：大規(guī)模集成電路(VLSI)

第五代：智能計(jì)算機(jī)？第五代計(jì)算機(jī)以什么作為標(biāo)志來劃分？第五代計(jì)算機(jī)什么時(shí)候誕生？11/28/202397計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念2.器件發(fā)展的特點(diǎn)(1)集成度迅速提高目前水平：每個(gè)芯片有1010個(gè)晶體管單芯片內(nèi)可以做大于1Gb存儲器，單芯片內(nèi)可以集成2個(gè)CPU＋全部Cache

每4~5年提高一個(gè)數(shù)量級還遠(yuǎn)沒有達(dá)到集成度的極限

問題？

如何利用器件集成度的提高，不斷改進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能：例如，有更多指令并行執(zhí)行，采用更深的流水線，集成更多的Cache等11/28/202398計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念(2)提高速度空間不大目前CPU主頻已經(jīng)到達(dá)6GHz，

時(shí)鐘周期0.16ns，門延遲小于0.01ns

極限速度30萬公里/秒/2＝1.5mm/0.01ns

信號在導(dǎo)體中傳遞速度小于光速的50％。

Pentium芯片面積500mm2，即23mm23mm

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)的發(fā)展

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IPC，從目前的2左右提高到8以上，采用更深度的流水線和并行處理技術(shù)11/28/202399計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念(3)價(jià)格直線下降

CPU芯片的價(jià)格每年要下降>80%(4)

可靠性越來越高芯片可靠性達(dá)到108小時(shí)，連續(xù)使用1萬年以上11/28/2023100計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念3.器件種類

通用片：邏輯關(guān)系確定大批量生產(chǎn)，如：CPU、存儲器、寄存器…

現(xiàn)場片：可以一次或多次改寫邏輯關(guān)系如：PLD、PAL、PROM、EPROM、FPGA…

用戶片：各種專用芯片需要單獨(dú)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。半用戶片：門陣列片等標(biāo)準(zhǔn)的門電路，前幾到工序已經(jīng)完成；根據(jù)用戶需要確定最終連線。11/28/2023101計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念4.器件發(fā)展對計(jì)算機(jī)組成技術(shù)的影響

器件速度與處理機(jī)工作主頻1955年第一臺大型機(jī)IBM704機(jī)，主頻12us，1976年巨型向量計(jì)算機(jī)CRAY，主頻12.5ns，

目前，Pentium4的主頻已經(jīng)達(dá)到3GHz

器件速度與指令執(zhí)行時(shí)間

46年來器件速度提高104，指令速度快108以上

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成技術(shù)的作用

器件速度提高減慢,處理機(jī)主頻提高速度減緩指令執(zhí)行速度的提高基本保持不變(摩爾定理)11/28/2023102計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.4.3應(yīng)用發(fā)展的影響1.應(yīng)用需求高結(jié)構(gòu)化數(shù)值計(jì)算：氣象模型,流體流動,有限元分析。非結(jié)構(gòu)化的數(shù)值計(jì)算：蒙特卡洛模擬,稀疏矩陣。實(shí)時(shí)多因素問題：語音識別,圖象處理,計(jì)算機(jī)視覺。海量存儲和輸入輸出密集問題：數(shù)據(jù)庫,事務(wù)處理。圖形學(xué)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。2.三個(gè)時(shí)期通用計(jì)算機(jī)：主要是通用科學(xué)計(jì)算專用計(jì)算機(jī)：科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制高性能通用機(jī)：滿足多種需求目前又開始多種專用處理機(jī)的研制11/28/2023103計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念3.兩個(gè)發(fā)展趨勢維持價(jià)格不變，利用VLSI技術(shù)等，提高性能性能基本不變，價(jià)格迅速下降一般先推出中間機(jī)型，然后再分別向高端和低端兩個(gè)方向發(fā)展4.三種設(shè)計(jì)思想最高性能價(jià)格比：商用機(jī)。主要發(fā)展方向最高性能：國家安全需要，科技發(fā)展需要例如：銀河計(jì)算機(jī)、神州計(jì)算機(jī)、…最低價(jià)格：家用學(xué)習(xí)機(jī)等11/28/2023104計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.4.4改進(jìn)算法的影響在多個(gè)層次上，算法影響著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，例如：快速乘法、除法、開平方等的實(shí)現(xiàn)：記分板算法、Tomasulo算法提高指令級并行性消除名字相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)的算法有些問題，如果算法上有突破，不需要高性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而在普通系統(tǒng)上就能得到解決。許多算法還有改進(jìn)的余地，通過算法的研究能夠大幅度提高系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者要研究算法，應(yīng)該研究一系列算法，使所有同類問題都能很好解決。11/28/2023105計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類1.5.1按處理機(jī)性能分類1.5.2佛林分類法1.5.3庫克分類法1.5.4馮澤云分類法1.5.5漢德勒分類法11/28/2023106計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.5.1按處理機(jī)性能分類1.按大小劃分種類：巨型、大型、中型、小型、微型機(jī)劃分原則：以性能為特征，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，每５年左右降低一個(gè)等級設(shè)計(jì)方法：最高性能特殊用途最佳性能價(jià)格比一般商用計(jì)算機(jī)最低價(jià)格家用計(jì)算機(jī)等

Smallisfast11/28/2023107計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念

價(jià)最佳性能價(jià)格比

格最高性能巨型機(jī)大型機(jī)等性能線中型機(jī)小型機(jī)最低價(jià)格微型機(jī)(超微型機(jī))

t-3t-2t-1

tt+1時(shí)期11/28/2023108計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念2.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、家用計(jì)算機(jī)等。劃分原則：科學(xué)計(jì)算：浮點(diǎn)計(jì)算速度事務(wù)處理：字符處理、十進(jìn)制運(yùn)算實(shí)時(shí)控制：中斷響應(yīng)速度、I/0能力工作站：圖形處理能力服務(wù)器：數(shù)據(jù)處理速度，數(shù)據(jù)存儲能力家用計(jì)算機(jī)：價(jià)格便宜，軟件豐富發(fā)展方向：具備上述所有功能的通用處理機(jī)各種專用處理機(jī)、協(xié)處理器、嵌入式處理機(jī)11/28/2023109計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念3.按數(shù)據(jù)類型劃分定點(diǎn)計(jì)算機(jī)、浮點(diǎn)計(jì)算機(jī)、向量計(jì)算機(jī)、堆棧計(jì)算機(jī)等4.按處理機(jī)個(gè)數(shù)和種類劃分單處理機(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),VLIW處理機(jī)SMP(對稱多處理機(jī))、MPP(大規(guī)模并行處理機(jī))、機(jī)群(Cluster)系統(tǒng)等11/28/2023110計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念5.按所使用的器件劃分按使用的器件劃分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的時(shí)代

第一代：電子管(Valve)計(jì)算機(jī)

第二代：晶體管(Transistor)計(jì)算機(jī)

第三代：集成電路(LSI)計(jì)算機(jī)

第四代：大規(guī)模集成電路(VLSI)計(jì)算機(jī)

第五代：智能計(jì)算機(jī)？目前的絕大部分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是VLSI計(jì)算機(jī)公認(rèn)的第五代計(jì)算機(jī)什么時(shí)候誕生？第五代計(jì)算機(jī)以什么作為標(biāo)志來劃分？11/28/2023111計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念1.5.2佛林分類法

1966年由Michael.J.Flynn提出按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征進(jìn)行分類

指令流：機(jī)器執(zhí)行的指令序列

數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列

多倍性(multiplicity)：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)四種類型

(1)單指令流單數(shù)據(jù)流SISD(SingleInstructionSingleDatastream)

(2)單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD(SingleInstructionMultipleDatastream)(3)多指令流單數(shù)據(jù)流MISD(MultipleInstructionSingleDatastream)

(4)多指令流多數(shù)據(jù)流MIMS(MultipleInstructionMultipleDatastream)11/28/2023112計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念(1)SISD典型單處理機(jī)，包括：單功能部件處理機(jī)：IBM1401，VAX-11多功能部件處理機(jī)：IBM360/91，370/168，CDC6600等流水線處理機(jī)，指標(biāo)量流水線處理機(jī)11/28/2023113計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念(2)SIMD：并行處理機(jī)、陣列處理機(jī)、向量處理機(jī)、相聯(lián)處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)多個(gè)PU按一定方式互連，在同一個(gè)CU控制下，對各自的數(shù)據(jù)完成同一條指令規(guī)定的操作；從CU看指令順序執(zhí)行，從PU看數(shù)據(jù)并行執(zhí)行。11/28/2023114計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念(3)MISD：幾條指令對同一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理，實(shí)際上不存在11/28/2023115計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念(4)

MIMD多處理機(jī)系統(tǒng)，包括：緊密偶合：IBM3081、IBM3084、UNIVAC-1100/80

松散偶合：D-825,Cmmp,CRAY-2