《计算机体系结构》第一章
计算机系统结构(第三版)张晨曦 课后答案
fi Si
−1
式中，fi 为可加速部件 i 在未优化系统中所占的比例；Si 是部件 i 的加速比。
⎧ f ⎫ f f S = ⎨[1 − ( f1 + f 2 + f 3 )] + 1 + 2 + 3 ⎬ S S S 1 2 3⎭ ⎩
0.3 0.3 f 3 ⎫ ⎧ 10 = ⎨[1 − (0.3 + 0.3 + f 3 )] + + + ⎬ 30 20 30 ⎭ ⎩
课
45000 × 1 + 75000 × 2 + 8000 × 4 + 1500 × 2 = 1.776 129500
答
案 网
计算机体系结构 • 第一章 • 第4页
⎡ f ⎤ Te = To ⎢(1 − f e ) + e ⎥ S e⎦ ⎣
S=
1 (1 − f e ) +
fe Se
S=
i
1 (1 − ∑ f i ) + ∑
对于第三级而言，为了完成 IC 条指令的功能，第三级指令的条数为： 执行第三级
IC 。为了 M2
IC IC 条指令，需要执行 N 条第二级的指令对其进行解释。那么对第二级 2 M M2 IC IC + 2N 2 M M
而言，总的指令条数为：
N⎤ ⎡ = ⎢1 + ⎥ K ⎣ M⎦ N⎤ ⎡ T4 = ⎢1 + ⎥ K ⎣ M⎦
1.5 计算机系统有三个部件可以改进，这三个部件的加速比如下： 部件加速比 1＝30； 部件加速比 2＝20； 部件加速比 3＝10； (1) 如果部件 1 和部件 2 的可改进比例为 30％，那么当部件 3 的可改进比例为多少时， 系统的加速比才可以达到 10？ (2) 如果三个部件的可改进比例为 30％、30％和 20％，三个部件同时改进，那么系统 中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？ 解：在多个部件可改进情况下 Amdahl 定理的扩展:
计算机体系结构完整讲义ppt课件
• 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
硬件设计公理： 越小越快
– 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(甚大规模集成电路)
计算机性能的大幅度提高和更新换代，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。
30
二 按计算机系统成本分类
• 是对计算机系统中各机器级之间界面的划 分和定义，以及对各级界面上、下的功能 进行分配
– 1964年，IBM/360系列机的总设计工程师G.M. Amdahl、G.A. Blauw、F.P. Brooks等人提出。 也称体系结构。
– 是从程序员的角度所看到的系统的属性，是 概念上的结构和功能上的行为
• 1.2.2 计算机系统的设计方法
• ---软硬件舍取的基本原则 • ---计算机系统设计者的主要任务 • ---计算机系统设计的基本方法 （三种）
• 计算机语言：是用以描述控制流程的、 有一定规则的字符集合
– 语言不是专属软件范畴，可以介属于计算机 系统的各个层次，具有不同作用
4
1.1.1计算机系统的多级层次结构
从使用语言的角度上，将计算机系统 看成按功能划分的多级层次结构
机器、汇编、高级、应用语言
低级
高级
后者比前者功能更强、使用更方便；
而前者是后者发展的基础，在单条指令的 执行速度相比较，前者更快。
•第1章 •第2章 •第3章 •第4章 •第5章 •第6章
计算机系统设计基础 数据表示与指令系统性能分析 流水技术和向量处理 阵列计算机 多处理机系统 数据流计算机
1
第1章 计算机系统设计基础
• 1.1 计算机系统的基本概念 • 1.2 计算机系统的设计技术 • 1.3 计算机系统的性能评价 • 1.4 计算机系统结构的发展
计算机系统结构 第一章自考练习题答案
9.设计主存系统时，哪些属于计算机系统结构？哪些属于计算机组成？哪些属于计算机实现所要考虑的问题？
10.列举计算机系统硬件功能分配时，进行软硬件取舍的三条基本原则。（P8）
11.软件可移植性指的是什么？实现软件移植有什么好处？（P10）
12.简述统一高级语言实现软件移植的方法，适用场合，存在问题和原因，以及对此问题采取的对策。（P11）
13.什么是系列机软件的向上（向下）兼容和向后（向前）兼容？（P12）
14.计算机系统在处理数据的并行上，可分为哪四个等级？简单解释并各举一例。（P19）
部分习题参考答案：
历年真题精选1. D
同步强化练习
一、单项选择题。
6. D11. A14. A16. B19. B20. D
23. D25. D
三、简答题。
C.属于用以建立一个用户的应用环境D.属于符号化的机器指令
16.输入输出系统硬件的功能对（）是透明的。
A.操作系统程序员B.应用程序员C.系统结构设计人员D.机器语言程序设计员
17.属于MIMD系统结构的是（C）
A.各处理单元同时受同一个控制单元的管理
B.各处理单元同时接受同一个控制单元送来的指令
C.松耦合多处理机和多计算机D.阵列处理机
计算机实现：选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等。
26.软驱动器的I/O接口程序是由（A）实现的。
A.固件+软件B.软件C.操作系统D.固件
27.利用时间重叠概念实现并行处理的是（A）
A.流水处理机B.多处理机C.并行处理机D.相联处理机
28.不属于软件移植基本技术的有（D）
A.统一高级语言B.采用系列机C.模拟和仿真D.按新的系统及指令重新编写
02325 计算机系统结构(自考)第一章 概论 笔记(手写)
1计算机系统的的层次结构以现代通⽤计算机系统可以分成哪⼏级它们的相对位置各机器级的实现是⽤的翻译技术还是解释技术z⽬前情况来看MO ⽤硬件实现⼤的数2软件层⾼级语⾔通过软件MI ⽤微程序固件实现实现2汇编语⾔M 2M 5⽤软件实现ii 传统机器语⾔䎚鱲2瀶固件就是具备软件功能的⼀种硬件硬件实现作业控制语⾔微程序以什么是翻译技术什么是解释技术翻译技术⽤转换程序将⾼⼀级机器级上的程序整个地址转换为低⼀级机器级上的等效程序之后在低⼀级机器级上实现的技术解释技术在低级机器级上⽤⼀串语句或指令来仿真⾼级机器级上的⼀条语句或指令的功能是通过对⾼级机器级上的每条语句或指令逐条解释的技2.1计算机系统结构组成和实现的定义和研究⽅⾯1从计算机的层次结构⻆度来看系统结构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iiiiii2计算机系统结构也称计算机系统的体系结构computer Architecture 它只是系统结构中的⼀部分指的传统机器语⾔机器级州的系统结构因此它是软件和硬件1固件的交接⾯是机器语算结论计算机系统结构研究的是软硬件之间的功能分配以及对传统机器级界⾯的确定为机器语⾔汇编语⾔程序设计者或编译程序⽣成系统设计或⽣成的程序能在机器结嘔趣魂䃴䏈臨嚹櫉出㒧瀃暶软礮 嚻㗸磡璐璐额嚻嚻 㓸年就⽬前的通⽤机和总其计算机系统结构的属性包括以D 硬件能够直接识别和处理的数据类型及格式等的数据表示系最⼩可寻址单位寻址种类地址计算等的寻址⽅式统通⽤寄存器的设置涨数量使⽤约定等的寄存器组织以⼆进制或汇编指令的操作类型格式排序⽅式控制机构等的指全系统构外主存的最⼩编址单位编址⽅式容量最⼤可编址空间等的存储系统组织以中断的处理与分级中断处理程序的功能与⼊⼝地址等的中断机构系统机器级的管态与⽤户态的定义与切换8输⼊1输出设备的连接使⽤⽅式流量操作结束出错指示等的机器级⼯10结构以系统各部分的信息保护⽅式和保护机构等属性_Énn 囎的讞囄 龖嚻欏㺦䵴 邈悦的縅 辄算樾设计䯁ì点2专⽤部件的设置是否设置乘除法浮点运算字符处理地址运算等专⽤部件设置的数量与机器要达到的速度价格以及专⽤部件的使⽤频率有关机烈各种操作对部件的共享程度分时共享使⽤程度⾼虽然限制了速度但价格便宜设置部件的降低共享程度因操作系统并⾏度提⾼可提⾼速度但价格也会提⾼4功能部件的并⾏度是⽤顺序串⾏还是⽤重叠流⽔或分布式控制和处理iii 䨊i ǐiiiiiiii iiiiiiiiin 控制机构的组成⽅式⽤硬件还是微程序控制是单机处理还是的机或功能分布处理成7预估预判技术⽤什么原则为优化性能预测未来⾏为6计算机的实现computer Implementation指的是计算机组成的物理实现包括处理机珔等部件的物理结构器件的集成度和速度器件模块插件底板的划分与连接专⽤器件的设计微组装技术信号传输电源冷却及整机装配技术等7计算机实现的设计着眼于器件技术和微组装技术器件技术起着主导作⽤8指令系统的确定属于计算机系统结构指令的实现如取指令指令操作码译码计算操作数地址取数运算送结果等的操作的安排三和排序属于汢籃噍感实现这些指令功能的具体计电路器件的说⽜的装⾣䃢⼰技术属于计算机实现ftpmsn琺迹歛辔緪appointingpinetnn感乘法器加法⼀位移器的物理实现中的类型叔美成度数量价格以及微组装技术的确定和选择属于计算机实现-0ns中央处理机任存算外⼀箱溜畦侧的概念性结构图䃴嚻蜘理雄和醚-嚻制品外诞级槬以瑡⼼纙斌䴍出硬件⽅⾯2通道机实设备控制器i10机器1汇编指令系统数据表示是否采⽤通道⽅式输⼊1输出的确定属于计算机系统结构指令采⽤重叠流⽔还是其他⽅式解释数据通路宽度的确定通道采⽤结合型还是独⽴型属于计算机组成2.2系统结构组成和实现的相互关系和影响1相同结构如指令系统相同的计算机可以因速度不同⽽采⽤不同的组成⼀种组成也可以有多种不同的实现⽅法2组成也会影响结构了组成设计向上决定结构向下受限于实现技术4由于计算机组成和计算机实现关系密切有⼈将它们合称计算机实现即计算机系统的逻辑实现和物理实现ǜjiiiiii iiiiiiii能分配和确定程序设计者所看到的机器级界⾯的计算机系统结构称结论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但作为计算机系统结构这⻔学科来讲实为程序设计者看到的计算机系统结构把着眼于如何更好更合理地实现分配给硬件的功能的计算机组成称为计算机设计者看到的计算机系统结构3计算机系统的软硬件取舍与设计思路引软硬件实现的优缺点1从原理上来讲软件的功能可以由硬件或固件来完成硬件的功能也可以由软件来模拟完成只是它们在性能价格实现的难易程度是不同的2软件实现的速度慢编制复杂编程⼯作量⼤程序所占存储空间量较的i 但是所花硬件少硬件的实现上也就相对简单容易硬件的成本低解题的灵活性和适性就好了具有相同功能的计算机系统其软硬件功能分配⽐例可以在很宽的范围内变化如下图⼀般来说提⾼硬件功能的⽐例可提⾼解题速度减少程序所需的时间但会增加硬件成本降低硬件利⽤率和计算机系统的灵活性及适应性提⾼软件功i ǘjf ǘǜǜ是⾼系统的灵活性适应性但是解题速度会下降软件设计费⽤和所需的存储器⽤量增加了原则D 应考虑在现有的硬器件主要是逻辑器件和存储器件的条件下系统要有⾼的性价⽐以实现费⽤速度和其他性能⽅⾯考虑2要考虑到准备采⽤和可能采⽤的组成技术使之尽可能不要过的或不合理地限制各种组成实现技术的采⽤了不能仅从硬的⻆度考虑如何便于应⽤组成技术的成果和便于发挥器件技术的发展还应从软的⻆度把如何为编译和操作系统的实现以及1⾼级语⾔程序的设计提供更的更好的硬件⽀持放在⾸位软硬件取舍的最终⽬标提⾼性能降低消耗评判性能的标准使⽤者响应时间完成任务的时间服务者吞吐量单位时间内的⼯作总量2软硬件取舍成本计算13软件开发费⽤C 软件重复设计的次数品硬件开发费⽤R 软件复制和存储的次数的更件实现的费⽤i Dn Nt Mn Ms 软件重复⽣产的费⽤例如批量部署1软件实现的费⽤Ds x clvtM tn Mn 硬件重复⽣产的费⽤⽣产计算机系统台数3.3计算机系统的定量设计原理真实程序的运⾏时间是衡量计算机性能的唯⼀可靠的①⼤概率事件优先原则喧⾛曼n 铡压n 缩原理oir提⾼经常性事件的处理速度经常性事件例如程序中的循环体②阿姆达尔Amdahl 定律定义系统性能的加速⽐确定对性能限制最⼤的部分计算改进某些部件所获得的性能提⾼③程序的局部性 效旦 璧和空间㞗盥改进效果好的⾼性能系统应是个各部分性能功能平衡得到提⾼的系统时间局部性现在正在使⽤的信息将来还要使⽤如程序中存在循环空间局部性将来要使⽤的信息与现在正在使⽤的信息在程序位置上是相邻的因为指令通常是顺序存放的数据也通常是以向量阵列树表等形式簇数据时间局部性空间局部性And 定律系统性能改进前⼆总执⾏时间部件加速⽐指令循环语句总加速⽐⼆系统性能改进后总执⾏时间瞿善⼆1-可改进⽐例可改进⽐例变量数据顺序语句字符串常量数据4计算机系统的设计⽅法①计算机系统⼀般有3种设计⽅法D 由上往下⾃顶向底专⽤机设计⽅法先考虑满⾜应⽤要再逐级向下设计串⾏设计⽅法周期⻓成本⾼难以量化2由下往上⾃底向顶通⽤机设计⽅法不考虑应⽤要求先根据已有条件设计硬件软件设计需要被动地适应硬件3⾃中间开始向两边设计它可以克服以上两⽅式中软硬件设计分离和脱节的致命缺点5软件应⽤器件的发展对系统结构的影响-5.1软件发展对系统结构的影响①软件的可移植性Portability 指的是软件不修改或只经少量修改就可由⼀台机器移到另⼀台机器上运⾏同⼀软件可应⽤于不同的环境软件兼容性i 向后兼容第⼀代电⼦管valve 1945-1954IBM 701机器档次当前机器第⼆代i 晶体管Transistor 19551964IBM7030㿚䨻容向后兰道时间第三代集成电路四1965-1974IBM张巧第四代⼤规模集成电路以红19741940IBM 3090Pc 第五代微处理器19902000IntelArm ②实现可移植性的常⽤⽅法D 采⽤系列机由同⼀⼚家⽣产的具有相同的系统结构但具有不同组成和实现的⼀系列不同型号的机器2模拟和仿真使件能够在具有不同系统结构的机器之间相互移植3i 实理软件移植的⼀种理想的⽅法例如Java 语⾔程序能在不同架构平台上运⾏模拟姚妣啊䲉犌⻰台 瞅⼀雅 额殆机⼀⼀刷啪镶处理器件发展历史通常⽤〇解释的⽅法去实现运⾏速度慢性能较差只适⽤于移植运⾏时间短使⽤次数少且在时间短上没有约束和受限制的软件仿真emulation ⽤⼀台现有的机器缩主机上的微程序〇去解释另⼀台机器⽬标机的指令集运⾏速度⽐模拟⽅法的快仿真只能在系统结构差距不⼤的机器之间使⽤区别模拟和仿真的区别在解释使⽤的语⾔模拟是⽤机器语⾔程序解释解释程序存储于主存中仿真使⽤微程序解释解释程序存储于控制存储器中③模拟与仿真的选择离频繁使⽤易于仿真的机器指令宜⽤仿真以提⾼速度较少使⽤的难以仿真的指令以及北操作宜⽤模拟即使两种机器系统差别不⼤往往也需要⽤模拟来完成机器间的映像11④3种⽅法的优缺点统⼀⾼级语⾔可以解决结构相同或完全不相同的机器间移植是未来发展⽅向但是⽬前难以解决只能做到相对统⼀系列机是当前遍采⽤的⽅法但只能实现同⼀系列内的软件兼容虽然允许发展变化但兼容的约束反过来会阻碍系统结构取得突破性的进展模灵活可实现不同系统结构间的软件移植但结构差别过⼤时效率速度会急剧下降伤真在速度上损失⼩但不灵活只能差别不⼤的系统之间使⽤否则效率也会过低且难以仿真需要与模拟结合才⾏此外发展异种机联⽹也是实现软件移植的⼀种途径5.2应⽤的发展对系统结构的影响不同的应⽤对计算机系统结构的设计提出了不同的要求应⽤需求是促使机算机系统结构发展的最根本的动⼒在不同的领域需要⾼性能的系统结构多媒体引了游戏⾼清影⾳⽹络应⽤⾼性能路由防⽕墙科学计算天⽓预报⽯油勘探班⽤户⻘尵 器件⼚家⽣产时固定的器件的⽤户即机器设计者只能使⽤不能改变器件内部功能现场为⽤户根据需要可改变器件内部功能⽤户为专⻔按⽤户要求⽣产的⾼度集成的以红器件完全按照⽤户要求设计的⽤户⽚称为全⽤户⽚⼀般同⼀系列内各档机器可分别⽤通⽤⽚现场⽚和⽤户为实现6系统结构的并⾏性开发及计算机轰统的分类6.1并⾏性概念与开发6.1.1并⾏性的含义与级别①并⾏性包含同时性和并发性两重含义⾃然性simultaneity 指两个或约个事件在同⼀时刻发⽣并发性concurrency 指两个或㑜事件在同⼀⽇②䲜䉪厵并⾏鍳靠 礜为了能并⾏处理以提⾼计算机解题的效率CnnD 计算机系统执⾏程序⻆度由低到⾼等级齽产操作之间的并⾏执⾏2指令之间放条指令的并⾏执⾏14作业或程序之间c______12计算机系统中处理数据⻆度由低到⾼等级冯⽒分类法1972冯泽云1位串字串同时只对⼀个字 齹⼯整处理通常指串⾏单处理机⽆并⾏性2位并字串并⾏单处理机3i 位为串字并不⼀⼀对许的字的同⼀位称位⽚进⾏处理3并⾏性贯穿于计算机信息加⼯的各个步骤和阶段的i 存储器操作并⾏2处理器操作并骤并⾏了处理器并⾏tiiiiii inin4指令任务作业并⾏皊之⼆及以上的并⾏是所处之理机同0时对然⾦撧或相关的的组娄-対居进⾏处理操作上避流的数据流计算机6.1.2并发性开发的途径时间重叠i鼝相互错不轮流重叠使⽤同⼀套硬件设备的各个部分加快硬件周转来赢得速度②资源重复邈邈䟐群Replication重复设置硬件资源来提⾼可靠性或性能③资源共享逛䬒aresharing⽤软件⽅法让的个⽤户按⼀定时间顺序轮流使⽤同⼀套资源来提⾼资源利⽤率相应地6.1.3多机系统的耦合度耦合度⽤于反映的机系统中各机器之间物理连接的紧密度和交叉作⽤能⼒的强弱1各种脱机处理系统是最低耦合系统lease coupled system 2多台计算机通过通道或通信线路实现互连以较低频带在⽂件或数据集⼀级相互作⽤这种系统被称为松散耦合系统loosely a system或间接耦合系统Indirectly Coupled system3多台计算机通过总线或⾼速开关琏共享主存有较⾼的信息传输速率可实现数据集⼀级任务级作业级并⾏则称该系统为紧密耦合系统Tighcoupled system 或直接耦合系统Directly c oupled system 6.1.4计算机系统的分类弗林分类瀓按照指令流和数据流的的倍性进⾏分类共分为4类数据流由执令流调⽤的数据序列圝鬬管⾔ 䨻⽇搻䲜时处于同⼀执⾏阶段的指令或数据的最⼤数⽬单指令流单数据流GED Single Instruction stream Single Data stream 单指令流的数据流Gen single Instruction stream Multiple Data Stream 阵列处理机和相联处理机多指令流多数据流㟗⽆实现对应的应⽤传统的单处理计算机多指令流单数据流MIS D -。
《计算机体系结构》课件
ABCD
理解指令集体系结构、处 理器设计、存储系统、输 入输出系统的基本原理和 设计方法。
培养学生对计算机体系结 构领域的兴趣和热情，为 未来的学习和工作打下坚 实的基础。
CHAPTER
02
计算机体系结构概述
计算机体系结构定义
计算机体系结构是指计算机系统的整 体设计和组织结构，包括其硬件和软 件的交互方式。
CHAPTER
06
并行处理与多核处理器
并行处理概述
并行处理
指在同一时刻或同一时间间隔内 完成两个或两个以上工作的能力
。
并行处理的分类
时间并行、空间并行、数据并行和 流水并行。
并行处理的优势
提高计算速度、增强计算能力、提 高资源利用率。
多核处理器
1 2
多核处理器
指在一个处理器上集成多个核心，每个核心可以 独立执行一条指令。
间接寻址
间接寻址是指操作数的有效地址通过寄存器间接给出，计算机先取出 寄存器中的地址，再通过该地址取出操作数进行操作。
CHAPTER
04
存储系统
存储系统概述
存储系统是计算机体系结构中 的重要组成部分，负责存储和 检索数据和指令。
存储系统通常由多个层次的存 储器组成，包括主存储器、外 存储器和高速缓存等。
《计算机体系结构》ppt 课件
CONTENTS
目录
• 引言 • 计算机体系结构概述 • 指令系统 • 存储系统 • 输入输出系统 • 并行处理与多核处理器 • 流水线技术 • 计算机体系结构优化技术
CHAPTER
01
引言
课程简介
计算机体系结构是计算机科学的一门核心课程，主要研究计算机系统的基本组成、组织结构、工作原 理及其设计方法。
计算机体系结构第一章_练习题
计算机体系结构第⼀章_练习题《计算机系统结构》第⼀章测试题⽬⼀、填空题：（每空1分，共35分）1、从______⾓度可以将系统看成是按_______划分的多个机器级组成的层次结构。
2、计算机系统结构的层次结构由⾼到低分别为______，______，______，______，______，______。
3、在计算机系统结构的层次结构中，机器被定义为______的集合体。
4、就计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系，完成下⾯填空：a)确定指令系统中是否要设乘法指令属于______，乘法指令是⽤专门的⾼速乘法器实现还是⽤加法器实现属于______，乘法器和加法-移位器的物理实现属于______。
b)主存容量与编址⽅式的确定属于______，主存是否采⽤多体交叉属于______，主存器件的选定属于______。
c)设计何种系列机属于______，系列机内不同型号计算机的组织属于______。
5、同时性指两个或多个事件在______发⽣，并发性指两个或多个事件在______发⽣。
6、费林按指令流和数据流的多倍性把计算机系统分成______，______，______和______四⼤类。
传统的单处理机属于______。
7、⼀般⽤耦合度反映____________，它分为______，______，和______。
8、冯泽云提出⽤______来定量地描述各种计算机系统特征，把计算机分成______，______，______和______四类。
9、开发并⾏性的途径有______，______和______。
⼆、名词解释：（每题3分，共15分）1．透明性2．计算机系统结构3．并⾏性4．虚拟机5．MFLOPS三、简答题：（每题5分，共30分）1、软件和硬件在什么意义上是等效的?在什么意义上是不等效的?2、简述计算机系统结构⽤软件实现和⽤硬件实现各⾃优缺点。
3、下列哪些对系统程序员是透明的？哪些对应⽤程序员是透明的？虚拟存储器；Cache存储器；程序状态字；指令缓冲寄存器；通⽤寄存器。
《计算机网络》第1章：计算机网络体系结构
《计算机⽹络》第1章：计算机⽹络体系结构第1章计算机⽹络体系结构1.1计算机⽹络概述计算机⽹络是⼀个将分散的、具有独⽴功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
计算机⽹络是互连的、⾃洽的计算机系统的集合。
⼀个完整的计算机⽹络主要由硬件、软件、协议三⼤成分组成，缺⼀不可。
硬件由主机（端系统）、通信链路（双绞线、光纤）、交换设备（路由器、交换机）、通信处理机（⽹卡）等组成。
计算机⽹络由通信⼦⽹和资源⼦⽹组成。
计算机⽹络的功能：数据通信、资源共享、分布式处理、提⾼可靠性、负载均衡计算机⽹络的分类按分布范围分：⼴域⽹（WAN）、城域⽹（MAN）、局域⽹（LAN）、个⼈区域⽹（PAN）。
按交换技术分：电路交换⽹络、分组交换⽹络、报⽂交换⽹络。
按拓扑结构分：星形⽹络、总线型⽹络、环形⽹络、⽹状形⽹络按传播技术分：⼴播式⽹络、点对点⽹络按使⽤者分：公⽤⽹、专⽤⽹按传输介质分：有线⽹、⽆线⽹RFC（Request For Comments）上升为因特⽹正式标准需经过以下四个阶段：因特⽹草案、建议标准（这个阶段开始成为RFC⽂档）、草案标准、因特⽹标准。
计算机⽹络的性能指标：带宽：⽹络的通信线路所能传送数据的能⼒，单位是『⽐特每秒（b/s）』时延：指数据（⼀个报⽂或分组）从⽹络（或链路）的⼀段传送到另⼀端所需要的总的时间。
n 发送时延：节点将分组的所有⽐特推向（传输）链路所需的时间。
也称传输时延。
发送时延=分组长度/信道宽度n 传播时延：电磁波在信道中传播⼀定的距离需要花费的时间。
传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速度n 处理时延：数据在交换节点为存储转发⽽进⾏的⼀些必要的处理所花费的时间。
n 排队时延：等待输⼊队列和输出队列处理所需时间。
总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延 //排队时延和处理时延⼀般忽略不计⾼速链路提⾼的仅是数据发送速率⽽不是⽐特在链路上的传播速度。
计算机01组成原理第一章PPT
系统结构
基本概念
1.1 计算机的发展与应用
计算机从总体上来说分为两大类:
模拟计算机和数字计算机。
各自主要特点： 模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量 （如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的
数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开 关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算 模式是离散式的
系统结构
基本概念
国际TOP500组织本月 2015年7月13日在德国举 行的 2015 年国际超级计算机大会上发布全球超 级计算机500强最新榜单，中国“天河二号”以 每秒3.386万万亿次的浮点运算速度第五次蝉联 冠军。该计算机由国防科技大学与中国的IT公司 浪潮合作制造。天河二号包含16000个计算机节 点，其中每个节点都包含两个 Intel Ivy Bridge Xeon处理器和三个Xeon Phi高性能计算卡。
系统结构
基本概念
冯·诺依曼
20 世纪 30 年代中期，冯·诺依曼大胆
的提出 : 抛弃十进制，采用二进制作为 数字计算机的数制基础。同时，他还说: 预先编制计算程序，然后由计算机来按 照人们事前制定的计算顺序来执行数值 计算工作。
系统结构
基本概念
根据冯诺依曼体系结构构成的计算机， 必须具有如下功能：
灵测验”。
系统结构
基本概念
阿兰·图灵（Alan Turing）
1945年，图灵被调往英国国家物理研究所工作。他
结合自己多年的理论研究和战时制造密码破译机的
经验，起草了一份关于研制自动计算机器（ACE： Automatic Computer Engine ）的报告，以期实 现他曾提出的通用计算机的设计思想。图灵预言， 总有一天计算机可通过编程获得能与人类竞争的智
第1章 计算机体系结构基础
Computer System Architecture
20
1.3 定量分析技术
2. Amdahl定律
加快某部件执行速度所能获得的系统性能 加速比，受限于该部件的执行时间占系统中 总执行时间的百分比。
Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类：
• 单指令流单数据流(SISD) • 单指令流多数据流(SIMD)
• 多指令流单数据流(MISD)
• 多指令流多数据流(MIMD)
4类计算机的基本结构
IS：指令流，DS：数据流，CS：控制流， CU：控制部件，PU：处理部件，MM和SM： 存储器。
SM
MM1 MM2
…
MMm
…
CSn CUn
…
…
PUn DS IS n IS 2 IS 1 IS n
…
CSn CUn
…
DSn PUn
…
MMm
…
（ c ） M IS D 计 算 机
（ d ）M IM D 计 算 机
19
1.3 定量分析技术
1.3.1 计算机系统设计的定量原理
4个定量原理： 1. 大概率事件优先原则
3
1.1 引 言
时 间 1946年起的25年 20世纪70年代末 －80年代初 原 因 两种因素都起着主要的作用 大规模集成电路和微处理器 出现,以集成电路为代表的制 造技术的发展 50%以上 维持了约16年 约35% 每年的性能增长 25%
20世纪80年代中开 RISC结构的出现，系统结构不断 始 更新和变革，制造技术不断发展
计算机体系结构复习重点2018-2019-2
《计算机体系结构》复习提纲第一章基本概念1.1 多级层次结构和机器级的实现技术一，多级层次结构概念二，机器级的实现技术●翻译和解释或这两者的结合是各机器级实现的主要方法。
●掌握翻译或解释概念和方法，注意两者的区别。
●问题：某级机器用硬件实现，还是用软件实现？⏹在逻辑功能上，软件和硬件是等效的。
原理上，软件实现的功能完全可以由硬件实现，硬件实现的功能也完全可以由软件模拟完成。
⏹但软件和硬件的性能价格比是不等效的。
1.2 系统结构、组成与实现及相互关系系统结构定义：计算机体系结构是对各机器级界面的划分、定义及上下级功能分配。
●按照计算机系统的多级层次结构，不同机器级的界面有很大不同，这意味着每个机器级都有其系统结构。
●计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。
●“指令集结构”就是软硬件之间的界面之一。
●传统机器级界面(软硬件界面)：机器语言程序员所看到的计算机系统的属性。
包括：✓数据表示 ✓寻址方式 ✓寄存器组织 ✓指令集✓存储系统 ✓中断系统✓机器工作状态的定义和切换✓输入输出系统✓信息保护透明性定义：本来存在的事物或属性，从某个角度看却好象不存在。
传统机器级的属性对高级语言程序员来说是透明的。
哪些透明？作业1-6，1-7计算机组成的定义：对系统结构的逻辑实现。
包括：机器级内部的数据流、控制流的组成及逻辑设计、部件功能、部件间的联系等。
所解决的问题：在所希望达到的性能价格下，如何最佳、最合理地把各种设备和部件组织在一起，以实现所确定的系统结构。
计算机组成的设计内容：✓数据通路宽度✓专用部件设置✓操作对部件的共享程度 ✓功能部件的并行度 ✓控制机构的组成方式 ✓缓冲和排队技术✓预估、预判技术✓可靠性技术 等计算机实现的定义：对计算机组成的物理实现，包括：✓处理机、主存等部件的物理结构✓器件的集成度和速度✓器件、模块、插件、底板的划分和连接✓专用器件设计✓信号传输；✓电源、冷却、微组装技术、✓整机装配技术等其中，器件技术在实现技术中起主导作用系统结构、组成和实现的关系：⏹三个不同的概念，即互相联系，又互相影响。
计算机体系结构 完整讲义
2021年8月8日星期日
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一 按采用的基本器件分类
• 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
硬件设计公理： 越小越快
– 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(甚大规模集成电路)
计算机性能的大幅度提高和更新换代，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。
由硬件固件实现——高级语言机器 多处理机系统——由真正微处理机实现 4. 理解计算机体系结构的定义
5. 在一台真正的宿主机上通过模拟或仿真另一台不 同的假想机器——自虚拟技术
1.1.2 系统结构、组成与实现
• 定义与理解 • 三者的相互关系
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计算机系统结构的定义 System Architecture
多指令流单数据流 MISD (Multiple Instruction stream Single Data stream)（较先进的流水线处理机，
如VLIW机）
多指令流多数据流 MIMD (Multiple Instruction stream Multiple Data stream)（多计算机系统）
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从设计人员看到的层次
• 应用程序级 • 高级语言级 • 汇编语言级 • 操作系统级 • 机器语言级 • 微程序控制级 • 硬联逻辑级
用户 高级语言程序员 汇编语言程序员 操作员 机器语言程序员
逻辑程序员 硬件设计员
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翻译(Translation)：先用转换程序将高 一级机器级上的程序整个地变换成低一 级机器级上可运行的等效程序（中间程 序），然后再在低一级机器级上去实现 的技术。
计算机系统结构__《张晨曦、王志英》课后习题参考答案
计算机系统结构__《张晨曦、王志英》课后习题参考答案第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。
虚拟机：用软件实现的机器。
翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。
解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。
第一章 计算机体系结构的基本概念
第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。
虚拟机：用软件实现的机器。
翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。
解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。
系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
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三、计算机系统结构定义及其属性
一个计算机系统可以看成是由若干机器 级组成的，从低层的硬件直到高层的应用程 序级，在每一级上都可以定义一个系统结构。 计算机系统结构是对计算机系统中各机器 级之间界面的划分和定义，以及对各级界面 上、下之间进行功能分配，各级都有它自己 的系统结构。
1. 本课程定义
计算机系统结构或称计算机体系结构（Computer Architecture）是汇编语言程序员所见到的计算机的外 特性（属性），即软、硬件的交界面。
P19 图1-8
巨型机 大型机 中型机 小型机 虚线为等性能线 微型机 价格 ( 对数坐标 ) t
时间
4 以度(冯氏)分类 度：对数据并行处理的程度。 按度分类：W—字 B—位 S—串行处理 P—并行处理 字串位串WSBS：同时只对一个字的一位进行处理。 字串位并WSBP：同时对一个字的全部位进行处理， 不同字之间是串行的。 字并位串 WPBS：同时对许多字的同一位(称位片)进 行处理。 字并位并WPBP：同时对许多字的全部或部分位进行 处理。
指令部件 数据处理 数 多
SM
P27图1-11
IS CS DS CU CS
PU1 PU2
DS1 MM1 DS2 MM2
…
MM IS PUn DSn
…
MMm
CU
PU
（a）SISD 计算机 DS PU1 SM PU2 MM1 MM2 „ MMm IS1 IS2
（b）SIMD 计算机 SM MM1 DS2 MM2
3）重迭执行 重迭执行可以提高指令的吞吐率，图示如下：
i i+1 i+2 取 译 取 执 译 取 执 译 执
4）实现重迭操作需要的支持
①必须有先行部件 ②能解决对存储器的频繁访问，最好采用存 储器的多体结构。
5）对系统结构的影响
除要求存储器为多体结构外，对CPU内部 的微观结构具有深刻的影响。
3.吞吐匹配化 1 ）要求：主存储器提供数据的速度要与 CPU 处理数据的速度匹配。 2 ）存在的问题：主存储器的速度往往比 CPU 的处理速度低1个数量级。 3）解决的方法： ①直接提高主存速度 ②在CPU与主存之间加入高速缓存（Cache） ③借助于辅助硬件（MC：存储控制器件） 使cache与主存构成一个有机整体。
3 以型分类：
按性能、体积、价格可分为巨、大、中、小、微、 掌上型 88年一台微型机（IBM-PC）： 内存640K 硬盘：20M，约5.5万 97年一台微型机（兼容）： 内存16M 硬盘：2.1G，约0.8万 88年一台超级小型机： 内存8M， 硬盘2.7G 串口：RS232 72个；RS422 24个 91年1.3万美金：内存16M，硬盘5.4G
序
2010年5月30日，国际超级计算机大会（ISC）在德国汉堡公
布了最新的超级电脑500强排行榜。位于深圳国家超级计算机中
心的曙光星云（Dawning Nebulae），理论计算峰值性能可以达 到每秒2980万亿次，Linpack实测运算能力为每秒1.271
PFlop/s(每秒1271万亿次)，居世界超级电脑500强第二位。排行
3 研究计算机系统结构的目的 1）重点是软、硬件的交界面： 软件和硬件在逻辑功能上是等效的，但是， 在性能、价格、实现的难易程度上却是各不相同 的，是不等效的。 计算机系统结构主要是研究哪些功能应由硬件 予以支持，而哪些功能应由软件来完成。硬件实 现可以提高其执行的速度，减少程序所需要的存 贮空间，降低软件部分所需的成本，但这会提高 硬件部分的成本，降低系统的灵活性与适应性。
并行性等级
§1 计算机系统和系统结构
一、计算机系统的组成 二、计算机系统的多级层次结构 三、计算机系统结构定义及其属性 四、计算机系统的设计方法 五、计算机系统的分类
以代分类、以流分类、以型分类、以度分类
§2 计算机系统的发展途径
一、从提高CPU的利用率出发 对CPU的基本要求 要有高速度，节省处理时间； 要一直处于忙状态，充分发挥高速性； 要忙在数据的处理上。 1.任务单一化 1）传统计算机CPU的工作内容 CPU除完成运算，还要负责I/O管理的操作
2. 软硬件取舍3原则
1）在现有器件的条件下，系统要有较高的性能价格比； 2）不要不合理地限制各种组成、实现技术的采用； 3）硬件的设计要考虑如何为软件提供更好的支持。
3. 设计方法
具体的设计方法是从计算机多级层次结构的上或下 开始设计，有“从上到下”、“从下到上”和“从中间 开始向两边设计”等三种不同的设计思路。
二、计算机系统的多级层次结构
层次结构
应用软件 应用语言级 L5虚拟机 应用程序包翻译 高级语言级 系统软件 L4虚拟机
执行方式
汇编语言级 操作系统级
L3虚拟机 L2虚拟机
软、硬交界面
硬件 固件
机器语言级 微程序级 电子线路
L1实际机器 L0实际机器
微程序 一条指 编译/解释程序翻译 执行部 令后， 汇编程序翻译 常把这 机器语言程序解 释 受微命 通常称 作。
榜首的是来自美国Cray的美洲豹“Jaguar”，1.75 PFlop/s （每秒 1750万亿次) 中国另外一款超级计算机天河一号排名第 7 （2009年11月排 名第 5）。
对此，当天的《纽约时报》称：中国超级计算机曙光星云排
名世界第二，超过了欧洲与日本，它显示中国的科技实力已呈咄 咄逼人之势。
2）计算机实现
计算机组成的物理实现。它着眼于用什么样的器件技 术和微组装技术。它也直接影响到系统的速度和价格。 如：是否采用超大规模集成电路，如何将部件在物理上组 装到一起，则是由计算机实现设计考虑。 一种体系结构可以有多种组成。 一种组成可以有多种物理实现。
四、计算机系统的设计方法
1. 计算机的透明性概念 客观存在的事物或属性从某个角度看不到，称这些事 物或属性对它是透明的。 对目前多数的通用计算机来说，采用什么系列机， 机器级和汇编级的指令系统，指令的条数、种类、功能、 格式和编码，主存的容量、编址空间和所用的编址方式， 硬件直接识别的数据类型、格式和种类， I ／ O 系统采用 通道处理机还是外围处理机， I ／ O 设备的编址等，所有 这些对计算机系统结构都设计成不透明的。 而系列机内部搞哪几种型号的计算机，乘法指令是 用加法器和移位器来实现，还是用专门的高速乘法器来实 现，控制器微操作信号是用微程序控制器产生还是用组合 逻辑电路控制器产生等，所有这些对计算机组成设计来说 都应是不透明的。
1） 从上到下的设计（层次结构中的上下）。 （1）依据：用户的要求（包括性能及功能）。 （ 2 ）特点：①根据用户要求（需求）进行设计（先有 功能，性能要求，最后才有硬件实体）； ②适用于专用机设计。
2） 从下到上的设计 1）依据： ①现有元器件状况； ②并吸收现有计算机的特点。 2 ）特点：①先设计出计算机系统的硬件实体，再根 据需求编写相应软件； ②未明确针对哪种用户设计，因而适用于 传统通用机设计。 3） 从中间到两头 1）中间层次面的确定：①OS是内容之一； ②主要软、硬件交界面。 2）优点：可实现软、硬件人员同时设计，从而加速 系统设计进度。
2009年11月中国超级计 算机“天河1号”排名第五， 运算速度为每秒563万亿次。
2011年6月20日在网站上公布的全球超级计算机 500强排行榜中，日本超级计算机“京”（Total Cores 548352，Power 9898.56 Kw ）以每秒8162万亿次的实测运 算速度跻身榜首，中国的“天河一号”排名降至第二， 但中国进入榜单的超级计算机总数在全球仅次于美国。
计算机系统结构
成都信息工程学院计算机学院
徐振明
xzm@ 课件密码：111 111
要求： 1. 学习要求 对课堂上讲解的计算、绘图题要理解会做（准备作业 本）。 及时完成每章后的练习题（概念题直接写到讲义上）。 2. 课堂参与要求 有事请假，无故旷课3次将取消平时成绩，4次将取消考 试资格。 旷课1次：平时成绩的20% 迟到：平时成绩的5% 早退：平时成绩的10% 病、事假：平时成绩的3% 关于本课程考试 成绩评定方法： 笔试80%，平时成绩（课堂参与+作业）20%
微指令程序解释
硬件直接执行微指令
1. （传统）机器语言级：二进制语言是计算机中必 不可少的语言。 2. 汇编语言级：用符号表示的机器语言。 3. 关于操作系统（ OS ）： ①OS是管理计算机系统的系统软件； ②OS 的若干命令又可视为机器语言指令功能的扩 充； ③OS 虽已发展成用高级语言编写，但其属服务于 高级语言、汇编语言等的功能，并最终用机器语言 或微指令程序解释执行的。 4. 虚拟机：以软件为主实现的机器。 5. 实际机器：由硬件或固件实现的物理机器。 6. 固件：将微程序固化在器件上的硬件。
CU1 CU2
CS1 CS2
CU1 CU2
CS1 CS2
PU1 PU2
DS1
…
CUn CSn
…
PUn
…
„
DS ISn IS2 IS1 ISn CUn CSn
…
PUn DSn
…
MMm
„
（d）MIMD 计算机
（c）MISD 计算机
3）关于数据流计算机 目前常见的是控制流计算机，而数据流计算机将数 据带上处理标记，找出数据后，就进行相应处理。 数据驱动。
2）改进办法： ①减少I/O处理时间； ②下放I/O管理权限。 3）对系统结构的影响：在计算机结构中，引入 I/O处理机，由它来管理入、出，使CPU专注数 据处理。
2.操作重迭化
1）一条指令的几个过程段 ①取指令 ②译码分析 ③执行
2）传统机器的执行方式存在的问题
取 译 执 取 译 执
第i条
第i+1条
2010年11月17日国际超级计算机TOP500组织发布: “天河 一号A”超级计算机系统（Total Cores 186368，Power 4040 Kw ） 以每秒2507万亿次，超过每秒1750万亿次的美洲豹“Jaguar” (Total Cores 224162 ，Power 6950 Kw ) ，成为世界上最快的超 级计算机！