高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程介紹

ComputerArchitecture

''建筑學(xué)”、“建筑物的設(shè)計(jì)或式

樣”，通常是指一個(gè)系統(tǒng)的外貌。

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)的屬性。

軟硬件功能分配及分界面的確定

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

掌握新型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工

作原理

與其他課程的交叉

主要包括：計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)操

作系統(tǒng)、匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微機(jī)原

理、高級(jí)語言等。

新內(nèi)容：超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理

機(jī)、向量處理機(jī)、并行處理機(jī)、多處理

機(jī)等。

交叉點(diǎn)內(nèi)容：提高，建立完整概念

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第一章基本概念第五章標(biāo)量處理機(jī)

第二章指令系統(tǒng)第六章向量處理機(jī)

第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)第九章多處理機(jī)

第四章輸入輸出系統(tǒng)

第一章基本概念

第一節(jié)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第二節(jié)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

第三節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

L層次結(jié)構(gòu)的劃分

當(dāng)前，應(yīng)用語言機(jī)器級(jí)、高級(jí)語言機(jī)器級(jí)、匯編語言機(jī)器級(jí)和操

作系統(tǒng)機(jī)器級(jí)都是以軟件為主實(shí)現(xiàn)的，但也可根據(jù)計(jì)算機(jī)性能/價(jià)格的

不同要求增加硬件支持。以軟件為主實(shí)現(xiàn)的機(jī)器稱為虛擬機(jī)器。

2.透明性

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的透明與通常意義下的“透明”的含義

剛好相反。通常意義下的“透明”是指公開的，什么都能

看得到的。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“透明”是看不到的意思，即對(duì)

某一層的使用者來說，他看不到該層以下各層的機(jī)器屬性。

3.各機(jī)器級(jí)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

低層機(jī)器級(jí)為高層機(jī)器級(jí)的功能實(shí)現(xiàn)提供支持，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)就

是翻譯和解釋。翻譯時(shí)先用翻譯程序把高層機(jī)器級(jí)上的車功能需翻譯成

低層機(jī)器級(jí)上的等效程序，然后在低層機(jī)器級(jí)上實(shí)現(xiàn)程序功能。解釋使

用底層機(jī)器級(jí)的一些語句或指令來仿真高層機(jī)器級(jí)上的一條語句或指令

的功能，高層機(jī)器級(jí)程序中的每條語句或指令被逐條解釋來實(shí)現(xiàn)程序功

LL2計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這個(gè)詞是Amdahl等人在1964年提出的。他們

把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義為由程序設(shè)計(jì)者所看到的一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概

念性結(jié)構(gòu)和功能特性。這實(shí)際上是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外特性。這一概念至今

有各種各樣的理解，很難有一個(gè)通用的定義。

LL3計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn)

L計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中機(jī)器

語言機(jī)器級(jí)的結(jié)構(gòu)，它是軟件和硬件/固件的主要交界面，是由機(jī)器語

言程序、匯編語言源程序和高級(jí)語言遠(yuǎn)程需翻譯生成的機(jī)器語言目標(biāo)程

序能在機(jī)器上正確運(yùn)行所應(yīng)具有的界面結(jié)構(gòu)和功能。

2.計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，它主要研究硬件系統(tǒng)在

邏輯上是如何組織的，機(jī)器級(jí)內(nèi)部數(shù)據(jù)流和控制流的組成與邏輯設(shè)計(jì)。

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)，主要著眼于器件技術(shù)和微組裝

技術(shù)。

LL4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類

Lflynn分類法

Flynn分類法按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分

為單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD)系統(tǒng)、單指令流多數(shù)據(jù)流

(SIMD)系統(tǒng)、多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD)系統(tǒng)和多指令

流多數(shù)據(jù)流(MIMD)系統(tǒng)等4類。

2.馮式分類法

字串位串WSBS、字并位串WPBS、字串位并WSBP、字并

位并WPBP

3.Handler分類法

程序控制部件、算術(shù)邏輯部件、基本邏輯線路

1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

1.2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理

1.CPU性能

CPU時(shí)間=(IC*CPI)/時(shí)鐘頻率

2.Amdahl定律

Amdahl定律用加速比來衡量系統(tǒng)采用的改進(jìn)措施對(duì)系統(tǒng)性能提

高的程度，加速比的定義為：

Sn=To/Tn

其中，T。為改進(jìn)前所需的執(zhí)行時(shí)間；Tn為改進(jìn)后所需的執(zhí)行時(shí)間。

1.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)

1,確定用戶對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能、價(jià)格和性能的要求

2,軟硬件的平衡

3,設(shè)計(jì)出符合今后發(fā)展方向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2-3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)

1「由下往上”設(shè)計(jì)

2J由上往下”設(shè)計(jì)

3「由中間開始“設(shè)計(jì)

1.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

L3.1性能評(píng)測的常用方法：運(yùn)算速度

1,時(shí)鐘頻率(主頻)：用于同類處理機(jī)之間

如：PentiumII/450比Pentium11/300快50%,...

2.指令執(zhí)行速度一種很經(jīng)典的表示方法

MIPS(MillionInstructionsPerSecond),KIPS,GIPS,TIPS

疥令條數(shù)二Fz“ex屋

MIPS=

執(zhí)行時(shí)間xlO6CPI

其中，F(xiàn)z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(InstructionPer

Cycle)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PentiumII450處理機(jī)的運(yùn)算速度。

解：由于PentiumH450處理機(jī)的IPC=2(或CPI=0.5),

Fz=450MHz,因此，

MIPSPentiumll450=FzXIPC=450X2=900(MIPS)

主要缺點(diǎn)：

(1)不同指令的速度差別很大

(2)指令使用頻度差別很大

(3)有相當(dāng)多的非功能性指令

3.等效指令速度:吉普森(Gibson)法

等效指令執(zhí)行瓦間T=Z(%x7；)

7=1

等效指令速度MOS=1/￡

7=1MIPS1

等效CPI=￡(CPLxW)

其中,7=1

Wi：指令使用頻度，i：指令種類

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)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。通

常:力口、減法50%,乘法加%,除法5%,程序控制15%,

其他15%

例2：

我國最早研制的小型計(jì)算機(jī)DJS-130,定點(diǎn)

16位，加法每秒50萬次，但沒有硬件乘法和除法指令，用軟

件實(shí)現(xiàn)乘法和除法，速度低100倍左右。求等效速度。

解：

定點(diǎn)等效速度為:

等效指令速度MIPST/（呼+里一）=0.02MIPS

0.50.5/100……

即每秒2萬次，由于乘法和除法用軟件實(shí)現(xiàn)，等效速度降低了25倍。

4.核心程序法

把應(yīng)用程序中用得最頻繁的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。稱為基準(zhǔn)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，各種數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)區(qū)，各

種控制語句，過程調(diào)用和參數(shù)傳送，整數(shù)運(yùn)算和邏輯操作。

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：Unpack

用FORTRAN語言編寫，主要是浮點(diǎn)加法和浮點(diǎn)乘法操作。

用MFLOPS(MillionFloatingPointOperationsPerSecond)表示；GFLOPS>

TFLOPS

Whetstone基準(zhǔn)測試程序

用FORTRAN語言編寫的綜合性測試程序，測試結(jié)果用Kwips表示。

SPEC基準(zhǔn)測試程序(SystemperformanceevaluationCooperative)

5、峰值速度

峰值指令速度MIPS、GIPS、TIPSPentiumIII500有3條指令流水

線，則其峰值指令速度為：3X500MHz=1500(MIPS)即每秒15億次

例3：

一個(gè)由8臺(tái)機(jī)器組成的Cluster系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)器是4個(gè)Pentiumlll500組成

的SMP系統(tǒng)；計(jì)算這個(gè)Cluster系統(tǒng)的指令峰值速度。

解：

峰值指令速度：

500MHz'8'4'3=48(GIPS)即每秒480億次。

峰值指令速度MIPS、GIPS、TIPS

132其他方面的性能

1,存儲(chǔ)能力

存儲(chǔ)容量，速度，編址單位，編址方式，尋址方式

2.字長1?幾百位

關(guān)鍵問題：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

當(dāng)前：由數(shù)據(jù)字長決定，8的倍數(shù)，如：32位、64位等

可變字長：任意組合

3.數(shù)據(jù)類型

目前常用：定點(diǎn)、浮點(diǎn)、邏輯

已有類型：向量、串、棧、樹

發(fā)展方向：自定義

4.指令系統(tǒng)

CISC：復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)

RISC：精簡指令集計(jì)算機(jī)

VLIW：超長指令字

5,輸入輸出能力

輸入輸出方式

中