第1章-计算机系统结构(第五版)李学干
兰州大学 计算机专业(本科) 计算机体系结构 教学标准
兰州大学计算机科学与技术专业(本科)《计算机体系结构》教学标准目录一. 课程基本信息二. 课程的性质、地位与任务三. 教材与主要参考书四. 计划学时与学时分配五. 课程内容与要求第 1 章计算机设计基础第 2 章指令集的设计第 3 章CPU 的设计第 4 章流水线技术第 5 章存储器层次结构第 6 章计算机输入/输出系统第7 章网络并行计算系统第8 章多处理器计算机结构六. 教学环节七. 实验环节八. 考试要求九. 其它相关说明一. 课程基本信息课程编号：2043061课程名称：计算机体系结构课程英文名称：Computer Architecture课程性质：指定选修课先修课程：数字逻辑；计算机组成原理；概率论与统计；数据结构；操作系统；编译原理。
适用专业：计算机科学与技术专业、通信工程专业开课学期：第七学期学时：72（54）学分：4（3）二. 课程的性质、地位与任务计算机系统结构是计算机科学与技术领域的重要学科，也是高等院校计算机系本科生和研究生学习设计、分析和评价计算机的主干课程。
许多著名的院校作为研究生入学考试课程之一。
该课程以讲授计算机系统结构的基本概念和基本原理为主，而不是完整介绍各种系统结构，即不是以具体的机器为实例进行教学。
在教学中引进定量原理，让学生学会如何测试实际机器，分析实际机器，分析计算机设计中遇到的各种限制因素，培养正确选择各种折衷方案的能力。
强调计算机系统结构与操作系统和编译系统的相互关系，充分反映出计算机系统结构不是单纯的硬件课程，而是硬件和系统软件的结合点，因此本课程不仅适用于培养系统结构和芯片设计工程师和计算机系统工程师，而且也适用于培养编译系统和操作系统工程师。
三. 教材与主要参考书1.教材：《计算机体系结构》石教英等著杭州:浙江大学出版社,1998[1版].2.参考书：①《计算机系统结构—量化研究方法》（第三版）(美)J ohn L.H e nn e ss y D av i dA.P a tt e r s on著郑伟明、汤志忠、汪东升译电子工业出版社,2004[1版].②《高级计算机体系结构》(美)K a i H w a ng著ADVANCED COMPUTER ARCHITECTURE 机械工业出版社,1999[1版].③《计算机系统结构》郑伟民、汤志忠著清华大学出版社,1998[2 版].④《计算机系统结构》李学干著西安电子科技大学出版社,2000[3 版].⑤《计算机体系结构》张晟曦著高等教育出版社,2000[3 版].[21 世纪教材]四.计划学时与学时分配1.教学建议《计算机体系结构》课程分经典教案面授和电子教案面授两种。
计算机系统结构第一章(李学干版)
确定数据通路的宽度
确定专用部件的设置
确定各种操作对功能部件的共享程度
确定功能部件的并行度 确定控制机构的组成方式
设计缓冲和排队策略
设计预估、预判技术 设计采用何种可靠性技术
计算机系统的实现
计算机实现是指计算机组成的物理实现， 包括： 处理机、主存储器等部件的物理结构 器件的集成度和速度 专用器件的设计
计算机系统结构设计的任务是进行软、硬件的功能分配， 确定传统机器级的软、硬件界面，实际包括了系统结构和组 成两个方面的内容。
计算机系统结构、计算机组成和计算机实现 是三个不同的概念，但随着技术、器件和应 用的发展，三者之间的界限越来越模糊。
*在不同时期，系统结构、组成和实现所包含的内容会有所不 同。在某些计算机系统中作为系统结构的内容，在另一些计 算机系统中可能是组成和实现的内容。
功 能 配 比 /%
只有最必 需的硬件
程序不可 编
采用何种方式实现，应在满足应用的前提下，主要看 能否充分利用硬件、器件技术的进展，使系统有高的性能 价格比(对某种类型专用机除外)。 设计原则： 原则1：应考虑在现有硬件、器件（主要是逻辑器件和存储 器件）条件下，系统要有高的性价比，主要从实现费用、 速度和其他性能要求来综合考虑。
第4级:汇编语言机器 程序员使用计算机 第5级:高级语言机器 非程序员使用计算机 第 6级:应用语言机器
从学科领域来划分 第0和第1级属于计算机组成与系统结构 第3至第5级是系统软件 第6级是应用软件
它们之间仍有交叉 第0级要求一定的数字逻辑基础 第2级涉及汇编语言程序设计的内容 第3级与计算机系统结构密切相关。 在特殊的计算机系统中算机系统的性能评测及定量设计原理
1计算机系统性能评测
计算机系统结构课件：第一章 计算机系统结构的基本概念
第一章 计算机系统结构的基本概念
Amdahl定律可表示为：
Sp = Te / T0
T0= Te(1 – fe + fe /re)
例1：运行60s的程序中， 有20s的运算可加速，则： fe=20/60=33.3%
例2：系统改进后执行程序， 可改进部分花费时间为2s， 改进前改进部分花费时间为 5s,则：re=5/2=2.5
(三) Wolfgan Handler(汉德勒)法 （1977年德国）
➢从硬件设备结构的并行级和流水线的程度分类。
•程序控制部件的个数 。
•算术逻辑运算部件或处理部件的个数 。
•基本逻辑线路的套数。
t(Cray-1)=(1，12×8，64) t(ILLIAC-Ⅳ)=(1，64，64)
计算机系统结构
如RISC机、向量 机
MM
DS
计算机系统结构
Computer Architecture
第一章 计算机系统结构的基本概念
多指令流、多数据流( MIMD )结构
CU1 CS1 PU1 DS1
IS1
CS2
DS2
CU2
PU2
MM IS2
CSn
DSn
ISn
CUn
PUn
IBM 3081/3084、Univac 1100/80，Cray-2等均属这一类型
计算机系统结构
Computer Architecture
第一章 计算机系统结构的基本概念
单指令流、单数据流( SISD )结构
单指令流、单数据流( SISD-Single Instruction stream Single Data stream ) 结构
指令流
IS
控制流
(完整版)操作系统教程第5版课后标准答案
操作系统教程第5版课后答案费祥林、骆斌编著第一章操作系统概论习题一一、思考题1.简述现代计算机系统的组成及层次结构。
答：现代计算机系统由硬件和软件两个部分组成。
是硬件和软件相互交织形成的集合体，构成一个解决计算问题的工具。
硬件层提供基本可计算的资源，包括处理器、寄存器、内存、外存及I/O设备。
软件层由包括系统软件、支撑软件和应用软件。
其中系统软件是最靠近硬件的。
2、计算机系统的资源可分成哪几类？试举例说明。
答：包括两大类，硬件资源和信息资源。
硬件资源分为处理器、I/O设备、存储器等；信息资源分为程序和数据等。
3.什么是操作系统？操作系统在计算机系统中的主要作用是什么？答：操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合。
操作系统在计算机系统中主要起4个方面的作用。
（1）服务用户观点——操作系统提供用户接口和公共服务程序（2）进程交互观点——操作系统是进程执行的控制者和协调者（3）系统实现观点——操作系统作为扩展机或虚拟机（4）资源管理观点——操作系统作为资源的管理者和控制者4.操作系统如何实现计算与操作过程的自动化？答：大致可以把操作系统分为以下几类：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统和分布式操作系统。
其中批处理操作系统能按照用户预先规定好的步骤控制作业的执行，实现计算机操作的自动化。
又可分为批处理单道系统和批处理多道系统。
单道系统每次只有一个作业装入计算机系统的主存储器运行，多个作业可自动、顺序地被装入运行。
批处理多道系统则允许多个作业同时装入主存储器，中央处理器轮流地执行各个作业，各个作业可以同时使用各自所需的外围设备，这样可以充分利用计算机系统的资源，缩短作业时间，提高系统的吞吐率5．操作系统要为用户提供哪些基本的和共性的服务？答：（1）创建程序和执行程序；（2）数据I/O和信息存取；（3）通信服务；（4）差错检测和处理。
计算机系统结构李学干课后标准答案
计算机系统结构李学干课后答案【篇一:计算机系统结构李学干版+习题答案】级。
每一级为了执行一条指令需要下一级的n条指令解释。
若执行第1级的一条指令需k ns时间，那么执行第２、3、４级的一条指令各需要多少时间？答:执行第2、3、４级的一条指令各需kn ns、(ｎ*n）*k ns、(ｎ*n*n)*ｋ ns的时间。
１－２操作系统机器级的某些指令就用传统机器级的指令,这些指令可以用微程序直接解释实现，而不必有操作系统自己来实现。
更具你对1- 1题的回答，你认为这样做有哪些好处？答:这样做,可以加快操作系统中操作命令解释的速度,同时也节省了存放解释操作命令这部分解释程序所占的存储空间，简化了操作系统机器级的设计,也有利于减少传统机器级的指令条数。
1- ３有一个计算机系统可按功能分成４级,每级的指令互不相同,每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强ｍ倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的m条指令的计算量。
现若需第i级的n条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行ks，问在第2、3和４级上一段等效程序各需要运行多长时间?答：第２级上等效程序需运行:(n/m)*ks。
第3级上等效程序需运行：(n／m)*(ｎ/ｍ）*ｋｓ。
第4级上等效程序需运行:(n/ｍ)*（n/m）*(n ／ｍ)*ks。
1－ 4硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。
答:软件和硬件在逻辑功能上是等效的,原理上，软件的功能可用硬件或固件完成,硬件的功能也可用软件模拟完成。
但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。
例如,编译程序、操作系统等许多用机器语言软件子程序实现的功能完全可以用组合电路硬件或微程序固件来解释实现。
它们的差别只是软件实现的速度慢,软件的编制复杂,编程工作量大，程序所占的存储空间量较多，这些都是不利的；但是,这样所用硬件少，硬件实现上也就因此而简单容易,硬件的成本低，解题的灵活性和适应性较好,这些都是有利的。
计算机体系结构学习指导
计算机体系结构学习指导《计算机体系结构》学习指导温东新课程名称：计算机体系结构英⽂名称：COMPUTER ARCHITECTURE开课院系：远程教育学院开课学时：50学分：3授课对象：远程教育学院专升本计算机科学与技术专业学⽣⼀、教学⽬的与课程性质、任务。
教学⽬的：通过本课程的学习，能够帮助学⽣建⽴计算机系统的整体概念，树⽴按最合理的软硬件功能分配原则去设计开发计算机系统的思想，为今后学习并⾏计算机系统结构打下基础。
计算机体系结构课程是计算机科学与技术专业本科教学中⼀门重要的技术专业课。
计算机体系结构课程学习的主要任务是计算机体系结构的基本概念，基本原理，基本结构和基本分析⽅法，还应该清楚认识到涉及操作系统，程序语⾔及其编译，数据结构等内容与计算机体系结构的相互影响和相互促进。
⼆、教学要求该课程开设位于整个本科教学的后期，课程的教学不仅讲授计算机体系结构的基本概念，基本原理，基本结构，和基本分析⽅法，还要在教学过程中将原学习过的专业课结合起来，例如操作系统，程序设计语⾔及其编译，数据结构等内容与本课程结合起来，使学⽣清楚它们与计算机体系结构的相互影响和相互作⽤。
在教学环节上，对学⽣的学习提出“掌握”和“了解”两个层次上要求，所谓“掌握”，是指学⽣在课后，必须能将所学内容⾃⼰理解并解决实际问题，这是将所学知识熟练应⽤到实践中的基础。
所谓“了解”，是要求学⽣对所学内容有初步的认知，在遇到相关问题时要求能够辨识。
教学以课堂讲授为主，辅之以POWERPOINT⽅式。
三、教学进度表四、教学内容与讲授⽅法五、课程的重点、思考题第⼀章绪论本章学习重点：1、计算机系统层次结构组成，计算机系统结构,组成实现的定义和相互关系，2、软件硬件取舍原则及设计⽅法，软件移植⼿段3、应⽤与器件对体系结构的影响，并⾏性的分类与发展，计算机系统分类本章思考题：1、名词解释：翻译解释层次结构解释程序计算机系统结构固件⼯程软件兼容模拟仿真时间重叠资源共享同构型处理机异构型多处理机2、如有⼀个经解释实现的计算机，可以按功能划分4级，每⼀级为了执⾏⼀条指令需要下⼀条的N条指令解释。
哈尔滨工程大学计算机教学计划中所有课程的详细描述
F3 教学计划中所有课程的详细描述F3.1 2005版和2007版教学计划中的课程描述课程设计一、课程基本信息课程编号：课程中文名称：课程设计课程英文名称：Curriculum Design课程性质：专业实践环节考核方式：考查开课专业：计算机科学与技术，软件工程开课学期：6总学时：3周总学分：3二、课程目的和任务本教学环节目的和任务是要让学生初步学会综合运用大学三年来所学的专业知识，设计完成一个小规模的课题；并通过此过程增强学生独立分析、解决问题的科研工作能力，培养学生树立良好的团结协作的科研工作作风。
三、教学基本要求（含素质教育与创新能力培养的要求）1．按具体课题的要求，指导学生对课题进行需求分析，设计实现系统功能。
2．每一课题小组的学生提交一份4000字左右的课程设计报告书。
四、教学内容与学时分配第1周：分组布置课题并查阅与课题相关的资料，指导学生完成需求分析工作。
第2、3周： 1. 指导学生上机设计系统各功能模块，并对程序进行调试。
2. 指导学生将所设计的各功能模块进行联调。
3. 指导其撰写4千字左右的科技论文报告书。
五、教学方法及手段（含现代化教学手段）教师向学生讲解每一课题的要求，指导学生查阅相关的参考资料，学生设计程序完成课题要求实现的系统功能。
六、实验（或）上机内容结合课程设计实际开发软硬件。
七、前续课程、后续课程前续课程：程序设计方法、数据库原理、C++等高级程序设计语言后续课程：无。
八、教材及主要参考资料所需参考资料为与课题相关的书籍。
九、近两年开设次数：2次十、任课教师、选修人数、不及格率和优秀率毕业实习一、课程基本信息课程编号：课程中文名称：毕业实习课程英文名称：Graduation Practice课程性质：专业实践环节考核方式：考查开课专业：计算机科学与技术，软件工程开课学期：7总学时：3周总学分：3二、课程目的和任务毕业实习是一门使学生了解并初步掌握本专业所学理论知识在企事业单位的实际生产管理中具体应用的最具直观性的实践教学课程。
计算机系统结构第1章
第1章 计算机系统结构概论
（3）结构不同，组成也不同 如例：A：=B+C
D：=E*F 采用面向寄存器系统结构和采用面向主存三地址寻址方式结 构在组成上就不一样。 （4）计算机组成也会影响系统结构，如微程序控制
三者关系对系统结构设计的要求：
①系统结构设计不要对组成、实现技术的采用与发展 有过多或不合理的限制；
第1章 计算机系统结构概论
1.1 计算机系统的多级层次结构
计算机系统的层次结构(从不同的层次看计算机系统）
应用软件
虚拟机
系统软件
软硬件界面
应 用 语 言 级M5 应用语言
高 级 语 言 级M4 高级语言
5级
翻译(应用程序包)
4级
翻译(编译程序)
汇 编 语 言 级M3
3级
汇编语言
翻译(汇编程序)
操 作 系 统 级M2 作业控制语言
（2）含义
系统结构实际上是研究计算机系统中软、硬件之间的
界面定义，以及其上下的功能分配。
第1章 计算机系统结构概论
透明性
• 客观存在的事物和属性从某个角度看不到的现 象，被称为是“透明性” 。
例如，高级程序员看不到各种不同类型机 器的差异性就是一个明显的例证。如编译程序 对用户是透明的，Cache对程序员是透明的。
第1章 计算机系统结构概论
1.3.2 计算机系统的性能评测与定量设计原理
一.计算机的性能评价
计算机的性能以及对系统评价的目标都指系统速度的性能。 计算机的速度性能通常是用解题时间来衡量 解题时间是指用户的一个任务从送入计算机处理到得到 结果所需的时间
CPU时间
时间
解题时间
(访磁盘时间) (访主存时间） (I/O时间及其他时间)
计算机系统结构基础知识PPT课件
13
第1章 计算机系统结构的基础知识
举例：我们要制造飞机。首先要确定载客人数、
速度、高度等技术指标，这就属于系统结构；然 后根据技术指标研究、设计座舱怎么安排才可以 满足载客数量，飞机外形怎么设计才符合空气动 力学，供油、发动机、控制系统等等怎样设计、 组成，从而形成设计图纸上的飞机，这属于组成； 最后，经过论证确定设计没有问题，把图纸交付 工厂，由工人开始生产，这就是实现了。
(1)固件：具有软件功能的硬件。 (2)翻译：是先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地转 换成低一级机器级上可运行的等效程序，然后再在低一级机器 级上去实现的技术。 (3)解释：是在低一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真 高一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过高一级机器语 言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。 (4) 分层的好处：
3
第1章 计算机系统结构的基础知识
第1章 计算机系统结构的基础知识
1.1 计算机系统的多级层次结构 1.2 计算机系统结构、组成与实现 1.3 计算机系统的软硬件功能分配、性能
评测及定量设计原理 1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性发展和计算机系
统的分类
4
第1章 计算机系统结构的基础知识
第1章 计算机系统结构的基础知识
计算机系统结构
主讲
1
第1章 计算机系统结构的基础知识
一、课程目标
1、计算机系统结构的研究 掌握计算机系统结构基本概念、组成及相关设计原理； 掌握计算机系统结构各组成部分的相关技术、分析及设计
方法； 了解计算机系统设计的基本方法。
2、计算机并行处理技术的研究 流水线技术分析及设计； 互连网络技术研究； 并行处理机技术研究； 多处理机技术研究。
计算机系统结构 02325 目录
计算机系统结构02325 目录第1章计算机系统结构的基本概念1.1计算机系统的多级层次结构1.2计算机系统结构、组成与实现1.2.1结构、组成、实现的定义与内涵1.2.2计算机系统结构、组成和实现三者的相互影响1.3软硬件取舍与计算机系统设计思路1.3.1软硬件取舍的基本原则1.3.2计算机系统的设计思路1.4结构设计要解决好软件的可移植性1.4.1统一高级语言1.4.2采用系列机1.4.3模拟与仿真1.5应用与器件的发展对系统结构的影响1.5.1应用的发展对系统结构的影响1.5.2器件的发展对系统结构的影响1.6系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类1.6.1并行性概念1.6.2并行处理系统的结构与多机系统的耦合度1.6.3计算机系统的分类习题l第2章数据表示与指令系统2.1数据表示2.1.1数据表示与数据结构2.1.2高级数据表示2.1.3引入数据表示的原则2.1.4浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择2.2寻址方式2.2.1寻址方式分析2.2.2 逻辑地址与主存物理地址2.3指令格式的优化设计2.3.1 操作码的优化2.3.2 指令字格式的优化2.4 按CISC方向发展与改进指令系统2.4.1 面向目标程序优化实现改进2.4.2 面向高级语言优化实现改进2.4.3 面向操作系统优化实现改进2.5 按RISC方向发展与改进指令系统2.5.1 RISC的提出2.5.2 设计RISC的原则2.5.3 设计RISC结构用的基本技术2.5.4 RISC技术的发展习题2第3章总线、中断与输入输出系统3.1 输入输出系统的基本概念3.2 总线设计3.2.1 总线的类型3.2.2 总线的控制方式3.2.3 总线的通讯技术3.2.4 数据宽度与总线线数3.3 中断系统3.3.1 中断的分类和分级3.3.2 中断系统的软硬件功能分配3.4通道处理机3.4.1 工作原理3.4.2 通道流量的分析习题3第4章存储体系4.1 存储体系概念与并行主存系统4.1.1 发展存储体系的必要性4.1.2 并行主存系统频宽的分析4.1.3 存储体系的形成与分支4.1.4 存储体系的性能参数4.2虚拟存储器4.2.1 不同的虚拟存储管理方式4.2.2 页式虚拟存储器的构成4.2.3 页式虚拟存储器实现中的问题4.3 高速缓冲(Cache)存储器4.3.1基本结构4.3.2地址的映象与变换4.3.3替换算法的实现4.3.4 Cache存储器的透明性及性能分析习题4第5章重叠、流水和向量处理机5.1重叠方式5.1.1基本思想和一次重叠5.1.2相关处理5.2流水方式5.2.1基本概念5.2.2流水线处理机的主要性能5.2.3流水机器的相关处理和控制机构5.3向量的流水处理与向量流水处理机5.3.1向量的流水处理5.3.2向量流水处理机5.4指令级高度并行的超级处理机5.4.1超标量处理机5.4.2超长指令字(VLI W)处理机5.4.3超流水线处理机习题5第6章阵列处理机6.1阵列处理机原理6.1.1阵列处理机的基本构形6.1.2阵列处理机的特点6.2阵列处理机的并行算法6.2.1ILLIACⅣ的处理单元阵列结构6.2.2阵列处理机的并行算法举例6.3 SIMD计算机的互连网络6.3.1互连网络的设计目标及互连函数6.3.2基本的单级互连网络6.3.3多级互连网络6.4并行存储器的无冲突访问6.5并行处理机举例6.5.1MPP位平面阵列处理机6.5.2 CM连接机习题6第7章多处理机7.1多处理机的特点及主要技术问题7.2多处理机的硬件结构7.2.1紧耦合和松耦合7.2.2机间互连形式7.3程序并行性7.3.1并行算法7.3.2程序并行性的分析7.3.3并行程序设计语言7.4多处理机的性能7.4.1任务粒度与系统性能7.4.2性能模型与分析7.5多处理机的操作系统7.5.1主从型操作系统7.5.2各自独立型操作系统7.5.3浮动型操作系统习题7第8章其它计算机结构8.1脉动阵列机8.1.1脉动阵列结构的原理和特点8.1.2通用的脉动阵列结构8.2大规模并行处理机MPP与机群系统8.2.1大规模并行处理机MPP8.2.2机群系统8.3数据流机8.3.1数据驱动的概念8.3.2数据流程序图和语言8.3.3数据流计算机的结构8.3.4数据流机器存在的问题8.4归约机8.5智能机8.5.1智能信息处理与智能机8.5.2智能机的结构和机器语言习题8参考文献计算机系统结构自学考试大纲出版前言一、课程的性质及其设置的目的与要求二、课程内容与考核目标第1章计算机系统结构的基本概论第2章数据表示与指令系统第3章总线、中断与输入输出系统第4章存储体系第5章重叠、流水和向量处理机第6章阵列处理机第7章多处理机第8章其它计算机结构三、有关说明附录题型举例后记。
《计算机系统的体系结构》课后答案_李学干_清华大学出版社
属于组成的属性有：数据通路宽度、专用部件设置、功能部件并行度、控制机构的组成方式，可靠性技术等。它着眼于机器内各事件的排序方式，控制机构的功能及部件间的关系。
组成和实现的权衡取决于性能价格比等因素；结构、组成和实现所包含的具体内容随不同时期及不同的计算机系统会有差异。软件的硬化和硬件的软件都反映了这一事实。VLSI的发展更使结构组成和实现融为一体，难以分开。
4、什么是透明性概念？对计算机系统结构，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？
存储器的模m交叉存取；浮点数据表示；I/O系统是采用通道方式还是外围处理机方式；数据总线宽度；字符行运算指令；阵列运算部件；通道是采用结合型还是独立型；PDP-11系列的单总线结构；访问方式保护；程序性中断；串行、重叠还是流水控制方式；堆栈指令；存储器最小编址单位；Cache存储器。 答：透明指的是客观存在的事物或属性从某个角度看不到。
2、硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。
答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。只是反映在速度、价格、实现的难易程度上这两者不同。
3、试以实例说明机系统结构、计算机组成、计算机实现互不相同，但又相互影响。
（1）计算机的系统结构相同，但可采用不同的组成。如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设4级构成。其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。
第1章 计算机系统结构的基本概念
计算机系统结构 李学干
计算机系统结构概述计算机系统结构是指计算机硬件和软件组件之间的关系和组织方式。
在软件和硬件之间有多个层次的相互作用和依存关系，这些层次的组织方式称为计算机系统结构。
计算机系统结构是计算机科学中非常重要的一个领域，它涉及到计算机硬件设计、指令集架构、操作系统以及应用软件等方面。
计算机系统结构的组成计算机系统结构由以下几个主要组成部分组成：1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机系统的核心，负责执行指令并处理数据。
它包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（Control Unit）和寄存器（Registers）等部分。
ALU负责执行算术和逻辑运算，控制单元负责控制指令的执行，而寄存器用于暂存数据。
2. 存储器存储器用于存储程序和数据。
计算机系统通常包括主存储器（主存）和辅助存储器（辅存）。
主存储器是CPU直接访问的存储器，而辅助存储器用于长期存储大量的数据和程序。
3. 输入输出（I/O）输入输出设备用于与外部世界进行数据的输入和输出。
常见的输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
计算机系统利用输入输出设备与用户进行交互，并将结果输出到显示器或打印机等设备上。
4. 总线总线是计算机系统中各个组件之间进行数据传输的通道。
它分为数据总线、总线和控制总线。
数据总线负责传输数据，总线负责传输，控制总线负责传输控制信号。
5. 指令集架构指令集架构是计算机硬件和软件之间的接口，定义了计算机能够执行的指令和操作。
常见的指令集架构包括xARM等。
不同的指令集架构决定了计算机的性能和可移植性。
计算机系统结构的设计原则设计计算机系统结构时需要遵循一些重要的原则，以保证系统的可靠性和性能。
1. 层次化原则计算机系统结构应该采用分层结构，将复杂的系统划分为若干层次，每个层次负责不同的功能。
这样可以提高系统的可维护性和可扩展性。
2. 模块化原则计算机系统应该由多个独立的模块组成，每个模块负责完成一定的功能。
这样可以提高系统的可测试性和可重用性。
计算机系统结构ar1-
程序员看到的系统属性 ：
中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方 式等；
存储系统：最小编址单位、编址方式、主存容 量、最大寻址空间等；
处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和 目态等；
输入输出系统：连接方式、数据交换方式、数 据交换过程的控制等；
信息保护：包括信息保护方式和硬件对信息保 护的支持等。
解：
指令执行速度的几种平均方法
（1）指令执行速度MIPS又称为算术平均速度； （2）等效指令执行速度又称为加权平均速度，
或调和平均速度； （3）几何平均速度：
ETR(execution time ratio)，n 指不同的程序， 几何平均速度与机器无关，与程序的执行时 间无关。
4. 核心程序法
结构、组成与实现三者的关系越来越模糊
图示：
系统结构：IS、编译、对软件的支持；
逻辑映射
广泛采用组成技术
组成受制于结构和实现技术：
物理实现 组成影响系统结构的发展
实现技术是基础：推动了系统结构的发展
1.3计算机系统的评价标准： 性能和价格
1. 时钟频率（主频）：用于同类处理机之间 如：PentiumⅡ/450 比 PentiumⅡ/300快50
☆ Computer architecture refers to those attributes of a system visible to a programmer ,or,put another way , those attributes that have a direct impact on the logical execution of a program.
以软件实现的机器称为虚拟机
从学科领域来划分
-计算机系统结构(版)李学干
形，其处理单元阵列结构如图6 - 7所示。
第6章 向量处理机
图 6-7 ILLIAC Ⅳ处理单元的互连结构
第6章 向量处理机
6.2.3 ILLIAC Ⅳ
1.
阵列处理机解决矩阵加是最简单的一维情况。两个8×8 的矩阵A、B相加，所得的结果矩阵C也是一个8×8的矩阵。
7
cij aik bkj
k 1
其中，0≤i≤7且0≤j≤7
第6章 向量处理机
让J=0~7各部分同时在PE0~PE7上运算，这样只需K、I二 重循环，速度可提高为原来的8倍，即只需64次乘、加时间。 其程序流程图如图6 - 9所示。
第6章 向量处理机
图 6-9 矩阵乘程序执行流程图
第6章 向量处理机
第6章 向量处理机
图 6-6 具有集中式共享存储器的阵列处理机构形
第6章 向量处理机
2. 阵列处理机的单指令流多数据流处理方式和由它产生的 特殊结构是以诸如有限差分、矩阵、信号处理、线性规划等 一系列计算问题为背景发展起来的。
第6章 向量处理机
6.2.2 ILLIAC Ⅳ
由于阵列处理机上的并的计算过程
第6章 向量处理机
6.3
6.3.1
SIMD
在SIMD计算机中，无论是处理单元之间，还是处理单
元与存储分体之间，都要通过互连网络进行信息交换。
第6章 向量处理机
6.3.2
在确定PE之间通信的互连网络时，需要对操作方式、
循环互连网络的模型如图6 - 12所示。
编号只在右起第i位(i=0，1，2)上0、1互反，其余各位代码都
计算机体系结构课件 李学干
程序装入主存时 需要进行逻辑地址空间到物理地址空间的变换， 即进行程序的定位。
逻辑地址与主存物理地址
静态再定位：用软件方法把目标程序的逻辑地 址变换成物理地址，而在程序的执行过程中， 物理地址不再改变。
动态再定位：在执行每条指令时才形成访存物 理地址的方法。通过基址寻址。
逻辑地址与主存物理地址
变址寻址：支持向量、数组，实现循环； 基址寻址：支持逻辑地址到物理地址的变化， 实现动态再定位； 存储保护：设置多对上、下界寄存器。 整数边界存储
指令字格式的优化
定长地址码带来的问题
li:操作码优化表示的长度
Байду номын сангаас定长地址码发挥不出操作码优化表示的作用
指令字格式的优化
通过采用多种不同的寻址方式，地址制、地址形式和 地址码长度以及多种指令长度，将它们与可变长操作 码的优化表示结合起来，可构成冗余度尽可能少的指 令字。
指令字格式的优化
指令 OPR+OPD
操作码的Hufmann编码
操作码的Hufmann编码
操作码的Hufmann编码
操作码的Hufmann 编码
例（续）
操作码的Hufmann编码
扩展操作码宜于等长扩展 便于分级译码
如48 12码，步长为4。
操作码的Hufmann编码
15/15/15码
操作码的Hufmann编码
15/15/15码 8/64/512码
寻址方式的种类
变址寻址
ADD R3,（R1＋R2)
寄存器间接寻址 ADD R1,@(R3) 自增自减寻址 ADD R1, (R2)+
R3R3+M[R1+R2]
R1 R1+M[M[R3]] R1 R1+M[R2] R2 R2+d
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图 1 - 3 IBM 370 (a) 统一的字长与定点数和浮点数表示； (b) 不同的数据通路宽度
IBM 370 系列的各档机器都采用通道方式进行输入/输出， 但在计算机组成上，低档机器可以采用结合型通道，让通道 的功能借用中央处理机的某些部件完成。
1.3 计算机系统的软、硬件取舍和性能评测 及定量设计原理 1.3.1
目前，就软件设计费用来说要远比软件的重复生产费用 高，Ds≈104×Ms也是完全可能的。将此关系式代入上式，得
6 10 4 C 100 10 R V V
由于C值一般总比100小，因此V值越大，这个不等式才越能
原则2 要考虑准备采用和可能采用的组成技术，使之尽可能不 要过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用。 原则3 不能仅从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技
件)实现，M2 到M5 大多用软件实现。所谓固件(Firmware)，
是一种具有软件功能的硬件，例如将软件固化在只读存储器 这种大规模集成电路的硬器件上就是一种固件。
1.2 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现
1.2.1 从计算机系统的层次结构角度来看，系统结构(System Architecture)是对计算机系统中各级界面的定义及其上下的功 能分配。计算机系统的每一级都有自己的系统结构。
1.1 计算机系统的层次结构 1.2 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现 1.3 计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定量设计原理 1.4 软件、应用、器件的发展对系统结构的影响
1.5 系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类
1.6 本章小结
1.1
从使用语言的角度，一台由软、硬件组成的通用计算机 系统可以被看成是按功能划分的多层机器级组成的层次结构。
n 1 1 1 1 1 1 A m n n T T T i 1T 1 2 i n
式中，Ti是第i个程序的执行时间，Ri是第i个程序的执行
1n Am Ti n i1
调和性能平均值Hm
H n m
n n n n 1 T T T 1 2 n T i i 1 i 1 R i
i 1
计算CPU的程序执行时间TCPU有3个因素，即程序执行的 总指令条数IC(Instruction Counter)、平均每条指令的时钟周 期数CPI(Cycles Per Instruction)、主时钟频率fc。这样
1 T IC CPI CPU fc
假设系统共有n种指令，第i种指令的时钟周期数为
1.2.2
从计算机系统结构的内涵可以看出，机器级内部的数据
流和控制流的组成、逻辑设计和器件设计等都不属于计算机 系统结构，就是说，对程序设计者角度看的概念性结构 都如图 1 - 2 所示。
图 1 - 2 IBM 370系列的概念性结构
程序设计者编程时所看到的数据形式(即数据表示)都是 相同的 32 位字长，定点数都是半字长 16 位或全字长 32 位， 浮点数都是单字长 32 位、双字长 64 位或四字长 128 位，如图1 - 3(a)所示。
Hm的值与运行全部程序所需的时间成反比，用它来衡量
计算机的时间(速度) 几何性能平均值Gm
n n 1 n n G R m i T i 1 i 1 i
X G m(X i) i G m G ( Y ) Y i m i
层次结构由高到低依次为应用语言机器级、高级语言机器级、
汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级和 微程序机器级，如图1 - 1所示。对于具体的计算机系统，层
次数可以不同。
图 1-1 计算机系统的多级层次结构
对使用某一级语言编程的程序员来讲，只要熟悉和遵守 该级语言的使用规定，所编程序总是能在此机器上运行并得 到结果，而不用考虑这个机器级是如何实现的。 就目前的状况来看，M0 用硬件实现，M1 用微程序(固
件下，系统要有高的性能价格比，主要从实现费用、速度和其他性能要 假定某计算机系统生产了V台。每台计算机用硬件实现的费用为 Dh/V+Mh，若改用软件实现则为C×Ds/V+R×Ms
D D h s M C R M h s V V
时，用硬件实现才是适宜的。将上述Dh与Ds、Mh与Ms
100 D D s s 100 M C R M s s V V
术的成果和便于发挥器件技术的进展，还应从“软”的角度
把如何为编译和操作系统的实现以及如何为高级语言程序的
1.3.2
1.
多数情况下，在设计通用计算机系统时，进行软、硬件 功能分配总是考虑在满足系统性能的前提下，如何使性能价
格比达到最高。
持续性能的表示有算术性能平均值、调和性能平均值和 算术性能平均值Am是n道程序运算速度或运算时间的算术
(1) 加权算术平均值：
1 A m iR i i T i 1 i 1 i
n n
(2) 加权调和平均值：
i H T m i i i 1 i 1 R i
n 1 n
1
(3) 加权几何平均值：
i n 1 2 G R R R R m i 1 2 n
CPIi，第i种指令在程序中出现的次数为Ii，则
n 1 T ( CPI I ) i i CPU f i 1 c
这样
CPI
CPI I i i
软、硬件的功能分配是计算机系统结构的主要任务，而
软件和硬件在逻辑功能上又是等效的。
在满足应用的前提下，软、硬件功能分配的比例主要看 能否充分利用硬件、器件技术的进展，使系统有高的性能价
格比。
图 1 - 4 计算机系统的软、硬件功能分配比例
原则1
应考虑在现有硬件、器件(主要是逻辑器件和存储器件)条