第一章 计算机系统结构设计基础

由中间开始设计
设计过程： 首先定义软硬件的分界面，包括：指令系统、存储系统、 输入输出系统、中断系统、硬件对操作系统和编译系统的支 持等。 然后各个层次分别进行设计：软件设计人员设计操作系统、 高级语言、汇编语言、应用出现等；硬件设计人员设计传统 机器、微程序、硬联逻辑等。
IS 1 IS 2 CU 1 CU 2 · · · CU n CS 1 CS 2 PU 1 PU 2 · · · PU n DS 1 DS 2 MM 1 MM 2 · · · MM m
IS n
CS n
DS n
· · ·
（d） 说明： CU 控制部件 SM 共享主存
MIMD 计算机 MM 主存模块 DS CS 控制流 数据流
1.2.2计算机系统设计者的主要任务

根据用户要求进行需求分析 进行软硬件平衡 设计出符合今后发展方向的系统结构
软硬件实现在功能上等效
软件与硬件实现的特点 硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、 占用内存少 软件实现：速度低、复制费用低；灵活 性好、占用内存多
发展趋势 硬件实现的比例越来越高，硬件所占的 成本越来越高
器）
虚拟计算机的组成，（见图1-7） 用虚拟计算机观点定义的计算机系统的功能层次，（见图1-8）
透明性概念
一种本来存在的事物或属性，但从某种 角度来看似乎不存在的概念，称为透明性。 在一个计算机系统中，低层机器的属性 往往对高层机器的程序员是透明的。计算 机组成设计的内容，对传统机器程序员来 讲一般是透明的。
微系统结构

微程序编写者所看到的计算机外部特 性——逻辑结构和功能能力，把它作 为一个抽象级，可以定义硬件和固件 （微代码）之间的界面。
1.1.2 计算机系统结构的分类

1、按“流”分类——Flynn分类法
（按指令流和数据流的不同组织方式分类）
在1966年，Michael J.Flynn提出按照指令 流和数据流的多倍性状况对计算机系统进行分 类。指令流是指机器执行的指令序列。数据流 则是指由指令流调用的数据序列，包括输入数 据和中间结果。多倍性是指在系统瓶颈部件上 处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能数。 按照这个思路，计算机系统可以分为四大类：
1.1.1计算机系统结构的含义
• 计算机系统的外特性——计算机系统结构
• 计算机系统的内部特性——组成与实现 • 计算机系统的微外特性——微系统结构
计算机层次结构
• 描述控制流程的，有一定规则的ห้องสมุดไป่ตู้符集合为“计 算机语言”。
• 计算机语言并不专属软件范畴，它可以分属计算 机系统的各个层次，分别对该层次的控制流程进 行描述。 • 基于对语言广义的理解，可以把计算机系统看成 由多级“虚拟”计算机所组成。从内向外，层层 相套，形成“洋葱”式结构的功能模型，（见图 1-6） 。 例：用户--建模--应用程序--高级语言--汇编语言 --操作系统--机器语言--微程序--硬布线逻辑
主存的物理实现，如存储器采用什么样器件， 逻辑电路设计和微组装技术均属计算机实现
系统结构、组成和实现三者的关系


计算机组成是计算机系统结构的逻 辑实现，计算机实现是计算机组成 的物理实现，三者各自包含不同的 内容，但又有着紧密的联系。 一种系统结构可以有多种组成，同 样，一种组成可以有多种物理实现
1 S FPSQR 122 . 0.2 0.82 (1 0.2) 10 1 1 S FP 133 . 0.5 0.75 (1 0.5) 2
1
(3)程序访问的局部性规律



局部性分时间上的局部性和空间上的局部性。 时间上的局部性是指最近访问过的代码是不 久将被访问的代码。 空间上的局部性是指那些地址上相邻近的代 码可能会被一起访问。 存储器体系的构成就是以访问的局部性原理 为基础的。
从使用语言的角度，把计算机系统按功能划分成多 级层次结构：
第0级由硬件实现
第1级由微程序实现 第2级是传统指令系统（机器语言）机器
第3级是操作系统机器
第4级是汇编语言机器 第5级是高级语言机器
第6级是应用语言机器
第2级至第6级由软件实现 由软件实现的机器称为：虚拟机
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

计算机系统结构的定义


定义：程序员所看到的计算机的基本属 性，即概念性结构和功能特性。更具体 的说，是机器语言程序员或编译程序编 写者所看到的外特性，即硬件子系统的 概念结构及其功能特性。 研究任务：主要研究软件、硬件功能分 配和对软硬件界面的确定。
计算机外特性应包括： 指令系统 数据表示 操作数的寻址方式 寄存器的构成定义 中断机构的例外条件 存储体系和管理 I/O结构 机器工作状态的定义和切换 信息保护
计算机组成

定义：研究硬件系统各组成部分的内部构 造和相互联系，以实现机器指令级的各种 功能和特性。目标是最合理地方式将各种 设备和部件连接为计算机，以达到最优的 性价比，从而实现所确定的系统结构。计 算机组成是系统结构的逻辑实现。
计算机实现

计算机实现：研究各部件的物理结 构、机器的制造技术和工艺等，是 计算机组成的物理实现。它着眼于 器件技术和微组装技术。
采用哪种实现技术来求浮点数平方根FPSQR的操作 对系统的性能影响较大。假设FPSQR操作占整个 测试程序执行时间的20%。一种实现方法是采用 FPSQR硬件，使FPSQR操作的速度加快到10倍。 另一种实现方法是使所有浮点数据指令的速度加 快，使FP指令的速度加快到2倍，还假设FP指令 占整个执行时间的50%。请比较这两种设计方案。 解：分别计算出这两种设计方案所能得到的加速比：
IS1 IS2 CS1 CS2
CU1 CU2 · · · CUn
PU1 PU2 · · · PUn
DS MM1 MM2
SM
·· ·
IS2
MMm
ISn
CSn
·· ·
DS IS1 ISn
（c） MISD 计算机
多指令流多数据流(Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream，MIMD)
位片宽 m 288 256 STARAN(1,256) PEPE(32,288)
1 1
EDVAC(1,1)
IBM370/168(32,1)
32
字宽 n
▽字串位串WSBS(Word Serial and Bit Serial) ▽字并位串WPBS(Word Parallel and Bit Serial) ▽字串位并WSBP(Word Serial and Bit Parallel) ▽字并位并WPBP(Word Parallel and Bit Parallel)



由下往上设计
设计过程： 根据当时的器件水平，设计微程序机器级和传统机器级。 根据不同的应用领域设计多种操作系统、汇编语言、高级语言 编译器等。 最后设计面向应用的虚拟机器级。

应用场合：在计算机早期设计中（60～70年代）广为采用 特点：容易使软件和硬件脱节，整个计算机系统的效率降低。
PU 处理机 IS 指令流

2、按“最大并行度”分类——冯氏分类 法：（按最大并行度进行分类）
美籍华人冯泽云于1972年提出用最大并行度 (degree of parallelism)对计算机系统结构进行分类。 最大并行度Pm定义为：计算机系统在单位时间内能 够处理的最大的二进制位数。假定系统每个时钟周 期△t内能同时处理的二进制位数为Pi，则T个时钟 T 周期内平均并行度为： P t
软 硬 件 比 例
软件 硬件 发展
目前计算机 不可编程
最少硬件
成本
硬件
软件
七十年代
年代
计算机系统设计的主要方法


由上往下设计
设计过程：由上向下 面向应用的数学模型 面向应用的高级语言 面向这种应用的操作系统 面向操作系统和高级语言的机器语言 面向机器语言的微指令系统和硬件实现 应用场合：专用计算机的设计（早期计算机的设计） 特点：对于所面向的应用领域，性能和性能价格比很高， 随着通用计算机价格降低，目前已经很少采用
计算机系统结构
第一章 计算机系统结构设计基础
1.1 计算机系统结构的含义和分类



计算机的更新换代 第一代 电子管计算机 第二代 晶体管计算机 第三代 中小规模集成电路 第四代 大或超大规模集成电路 第五代 VLSI（超大规模集成电路）
计算机性能的大幅度提高或更新换代，一方面依靠器件的不 断更新，同时也依赖系统结构的不断改进。

没有采用改进措施前执行某任务的时间 采用改进措施后执行某任务的时间
T 0 T n
加速比
F e 改进前整个任务的执行时间 改进前改进部分的执行 时间 S e 改进后改进部分的执行 时间 可改进部分占用的时间
Fe Tn To * (1 Fe ) Se
To Sn Tn 1 Fe (1 Fe) Se
例1.1
假设将某系统的某一部件的处理速度加快到10 倍,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的 40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能 提高多少？ 解：由题意可知：Fe=0.4, Se=10，根据Amdahl 定律
1 Sn 156 . 0.4 0.64 0.6 10
1
例1.2

3、按“并行级”和“流水线”分 类——Handler分类法： （根据并行度和流
水线进行分类）
1977年，Handler提出了一个在计算机系 统中的三个子系统级别上按并行程度及流水线 处理程度进行分类的方法，这三个层次为：处 理控制器（PCU）、算逻部件（ALU）和位级电 路（BLC）。