浙江工商大学计算机体系结构第1章 计算机体系结构概述PPT课件
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计算机组成与体系结构知识点分析(ppt 33页)
解：先画出流水线的时空图。
空间
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
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1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
12
0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 t15
第四章 计算机中的运算部件
★运算部件的主要功能是对数据进行算术 逻辑运算。
★运算部件通常包括两种类型的运算器： 定点运算器与浮点运算器。
★定点运算器主要完成对定点数的算术运 算、逻辑数据的逻辑运算；浮点运算器主要 完成对浮点数的算术运算。
★定点运算器主要由以下几部分构成： ☞算术与逻辑运算部件（ALU） ☞通用寄存器组 ☞若干专用寄存器（特殊寄存器） ☞多路选择器 ☞总线
第一章 计算机系统概述
★计算机硬件组成：五大部分，运算器、 控制器、存储器、输入设备和输出设备。
★计算机系统的层次结构：计算机是十分 复杂的软、硬件组合而成的系统。从功能上 可划分为多级层次结构，该层次结构目前有7 层：应用层、高级语言层、汇编语言层、操 作系统层、指令系统层、微体系结构层、数 字逻辑层。
★主机与外设之间的数据传送控制方式有五种： 程序直接控制方式、程序中断方式、DMA方式、 通道方式、外围处理机方式。
★中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的。
★DMA方式中，数据传送是由DMAC控制进行的。
★通道方式中，数据传送是由通道控制完成的。
例:某总线在一个总线周期中并行传送4个字 节的数据。假设一个总线周期等于一个总 线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，求总 线带宽是多少？若一个总线周期中并行传 送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，求 总线带宽。
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。
计算机系统结构课件
浮点数据就是高级语言课程中所说的“实型数”。
2.1.1.1 浮点数的组成 浮点数的组成与人们通常所说的“科学记数法”非常相似，唯一不同的是各部分 均为有限位数，如下所示
它的主要参数有8个：
m ── 尾数，一般为纯小数，符合规格化原则（即最高位的绝对值不为0）， 用原码或补码表示；
e ── 阶码，整数，常用移码表示（见下文解释）；
= 1.25×80%×ICA×1.1×CYCLEA = 1.1×ICA×CYCLEA < Te_A 这时B机器快一些。
Sn
• 题12 （P33）
20
Amdahl定律公式，代入已知量
Se=20变成一元函数
10.5
Sn=20/(20-19Fe)
用三点作图法作出关系曲线。
1.8
1
0
0.5
2001.9.1
计算机系统结构
•
= 1.25×80%×ICA×1.25×CYCLEA
•
= 1.25×ICA×CYCLEA > Te_A
• 显然A机器快一些。
2001.9.1
计算机系统结构
17
例题选讲（5）
• 例1.5（P12） Te公式，改动上题中CYCLEB =1.1 ×CYCLEA，则最后
Te_B = 1.25×ICB ×CYCLEB
汇编语言机器
汇编语言程序员 （使用汇编语言）
（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）
操作系统语言机器 操作系统用户 （使用操作系统原语）
（经原语解释子程序翻译成机器语言）
传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言）
（由微程序解释成微指令序列）
微指令语言机器 微指令程序员 （使用微指令语言）
2.1.1.1 浮点数的组成 浮点数的组成与人们通常所说的“科学记数法”非常相似，唯一不同的是各部分 均为有限位数，如下所示
它的主要参数有8个：
m ── 尾数，一般为纯小数，符合规格化原则（即最高位的绝对值不为0）， 用原码或补码表示；
e ── 阶码，整数，常用移码表示（见下文解释）；
= 1.25×80%×ICA×1.1×CYCLEA = 1.1×ICA×CYCLEA < Te_A 这时B机器快一些。
Sn
• 题12 （P33）
20
Amdahl定律公式，代入已知量
Se=20变成一元函数
10.5
Sn=20/(20-19Fe)
用三点作图法作出关系曲线。
1.8
1
0
0.5
2001.9.1
计算机系统结构
•
= 1.25×80%×ICA×1.25×CYCLEA
•
= 1.25×ICA×CYCLEA > Te_A
• 显然A机器快一些。
2001.9.1
计算机系统结构
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例题选讲（5）
• 例1.5（P12） Te公式，改动上题中CYCLEB =1.1 ×CYCLEA，则最后
Te_B = 1.25×ICB ×CYCLEB
汇编语言机器
汇编语言程序员 （使用汇编语言）
（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）
操作系统语言机器 操作系统用户 （使用操作系统原语）
（经原语解释子程序翻译成机器语言）
传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言）
（由微程序解释成微指令序列）
微指令语言机器 微指令程序员 （使用微指令语言）
计算机系统结构基础知识PPT课件
研究：实际器件技术和微组装技术 （是数字电路等课程主要研究的内容）
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。
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。
《计算机组成与系统结构》PPT 第一章
存储器 处理机
PC
M U X
寄存 器堆
M
M 地址总线 001111
ALU U
001110
X
000010
U
数据总线 001110
X
0011控制部件
图1.3
1.2 一些基本术语的定义
表 1.1 K,M,G,T,m,u,n,p 的定义
单位
通常意义（十进制）
用来表示2的幂
K(kilo)
（5）加速比S(Speedup),S=改进后的性能/改进前的性能，或 S=改进前的执行时间/改进后的执行时间。S 〉1的。
介绍流水线技术时，详细说明此指标。
1.5 计算机的种类
桌面计算机 （Desktop Computer); 笔记本计算机 (Notebook Computer); 小笔记本 (Subnotebook); 个人数据助理 (Personal Digital Assistant); 大型计算机 (Mainframe Computer); 超级计算机 （Supercomputer）
. . .
1.1.3 计算机组成和系统结构
计算机组成:涉及计算机的硬件结构，包括 硬件部件的构造和如何连接这些部件组成 一个计算机系统。见图1.1。 计算机系统结构是从程序员的角度观察计
算机系统具有哪些特征，如指令系统 及格式、程序可以访问的所有寄存器 、数据类型及格式、存储器空间，等 等。
1.1.4 处理机构成和工作过程
（1）
执行时间 T=I * CPI * TPC
I 是程序执行时的动态指令条数，
CPI(Cycles Per Instruction) 是每条指令执行所需周期的平均值，
TPC(Time Per Cycle) 是每个周期的时间长度。
《计算机体系结构》课件
计算机体系结构的应用领域
1
云计算
了解云计算架构的特点和应用领域，
物联网
2
如基础设施即服务（IaaS）和软件 即服务（SaaS）。
探索物联网架构的设计原则和适用
场景，如智能家居和智慧城市。
3
人工智能
了解人工智能系统的计算机体系结 构，包括深度学习和神经网络。
总结和展望
通过本课件，我们深入了解了计算机体系结构的定义、重要性、经典模型和 应用领域。希望这些知识能够帮助您更好地理解和应用计算机体系结构的原 理和思想。
3
多核处理器
了解多核处理器的原理，以及如何充分利用多核架构提高系统性能。
计算机体系结构的演进
主机计算机时代
个人计算机时代
回顾早期大型计算机的发展， 如IBM System/360系列。
介绍个人计算机的崛起，如 IBM PC和Apple Macintosh。
云计算时代
探索云计算的概念和发展， 如Amazon Web Services和 Microsoft Azure。
《计算机体系结构》PPT 课件
欢迎来到《计算机体系结构》PPT课件！在这里，我们将深入探讨计算机体系 结构的定义、重要性、经典模型以及应用领域。让我们一起展望计算机体系 结构的未来吧！
课程介绍
探索计算机架构的奥秘
了解计算机体系结构的基本概念和学习目标，以及如何应用这些知识。
重要性与应用
探索计算机体系结构在各个领域中的重要性和应用，如云计算、物联网和人工智能。
2 可伸缩性
计算机体系结构的合 理设计可以实现系统 的可扩展性，适应不 断增长的需求。
3 可靠性
合理的计算机体系结 构可以提高系统的可 靠性，减少故障和中 断。
计算机系统结构 第一章 计算机系统结构的基础知识PPT课件
总结说明：
➢各个层之间通过翻译或解释实现的，翻译是指通过编译 器把高一级的语言程序转换成低一级的等效的语言程序， 并运行。
➢物理机
➢虚拟机是用软件实现的，但不一定完全用软件，也可以 用硬件加固件来实现。固件是指具有软件功能的硬件。
1.1.2计算机系统结构定义
1.计算机系统结构定义一：
➢ 系统结构：程序设计者所看到的一个计算机系统的属性, 即概念性结构和功能特性。Amdahl（阿姆达尔）等人于 1964年提出的。
第 6级：应用程序 第 5级：高级语言 第 4级：汇编语言 第 3级：操作系统 第 2级：机器语言 第 1级：微程序 第 0级：硬联逻辑
应用软件 系统软件 软硬件分界 硬件
第0级机器由硬件实现是 机器的硬件内核 第1级机器由微程序（固 件）实现，它根据各种指 令操作所需要的控制时序 吗，配备一套微指令，编 写出微程序，控制信息在 各寄存器之间的传送。
1.1.4.1弗林(Flynn)分类法 1.1.4.2冯氏分类法 1.1.4.3汉德勒(Händler)分类法
1.1.4.1 弗林(Flynn)分类法
弗林(Flynn)分类法按照指令流(Instruction stream,IS) 和数 据流(Data stream，DS)的多倍性进行分类。
指令流：计算机执行的指令序列。 数据流：由指令流调用的数据系列。 多倍性：在系统最受限的部件上，同n)分类法把计算机系统结构分为以下四类： 1.单指令流单数据流SISD(Single IS Single DS) 2.单指令流多数据流SIMD(Single IS Multiple DS) 3.多指令流单数据流MISD(Multiple IS Single DS) 4.多指令流多数据流MIMD(Multiple IS Multiple DS)
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晶体管密度：由于芯片上单位面积晶体管数目由 单个晶体管表面积大小决定，所以晶体管密度 与特征尺寸大小的平方成反比
与晶体管性能改进相比，连线延迟改进空间更大
17
1.5 集成电路功耗的发展趋势
器件升级会对功耗产生影响 动态功率：主要能耗来自开关晶体管 动态功率计算：与电容电压频率有关
移动设备关注电池寿命，用能量单位度量：
10
1.3 计算机系统结构定义
2）存储器寻址 使用字节形式访问存储器中的操作数
3）寻址方式 寻址方式需要明确指出操作数的地址（特殊寄存器和 常量除外），有多种方式寻址，如寄存器寻址、立即数 寻址、相对寻址和变址寻址等
4） 操作数类型及大小 操作数大小有8位（ASCII码）、16位（unicode码或 半字）、32位（整型或字）和64位（长整型或双字）
带宽的提高速度明显优于时延的提高速度（P10 图1.8），带宽有了1000-2000倍的提高，时 延则改进20-40倍，经验法则是带宽的提高速 度至少相当于时延改进速度的平方
1.4 实现技术的发展趋势
晶体管性能与连线的规模
特征尺寸：表征集成电路的加工工艺，是晶体管 或连线在x或y方向上的最小尺寸，从1971年 到2006年，特征尺寸从10微米降到0.09微米
由于电容不变，电压的平方和频率之比为：
14
1.4 实现技术的发展趋势
4）网络实现技术 交换和传输的性能决定了网络的性能，网络的发展趋势 参考附录E
以上四种技术的快速发展，可使计算机设计 的生存周期延长至5年或更长
15
1.4 实现技术的发展趋势
性能的发展趋势：带宽优于时延
带宽或吞吐量：给定的时间内完成的工作总量 时延或响应时间：从事件开始到完成所需要的时间
7）ISA的编码 分固定长度和可变长度两种类型，所有的MIPS指令都 是32位长度的，简化了指令的译码
12
1.3 计算机系统结构定义
其他方面：设计满足目标和功能要求的组成和硬 件
实现包括两部分内容：组成和硬件 组成：涵盖计算机设计的更高层次，如存储系统、存储器互
连以及CPU（实现算术、逻辑、转移和数据传输指令） 硬件：是一台计算机的具体实现技术，包括逻辑设计和封装
11
1.3 计算机系统结构定义
5）操作指令（P7 图1.5） 操作指令分为数据传输指令、算术逻辑运算指令、控 制指令以及浮点数操作指令，无互锁流水级微处理器（ MIPS）代表了2006年流行是RISC系统结构，是一种 简单且易于实现流水的指令集系统结构。
6）控制流指令 支持条件转移指令、无条件跳转指令、程序调用和返回 指令
7
1.2 计算机的分类
嵌入式计算机
增长最快，智能设备随处可见，其处理能力和价格覆 盖范围很广。 嵌入式应用的特点 ： 1）实时性
如数字机顶盒，视频帧处理时间必须有限 2）最小化存储器需求
涉及到代码量大小问题 3）最小化功耗需求
优化功耗同样重要
8
1.3 计算机系统结构定义
定义
早期的计算机系统结构通常是指指令系统设 计，计算机设计的其他方面则称为实现 这种定义忽视了计算机实现技术面临的挑战 回顾：指令集系统结构
技术
系统结构最终定义：包含计算机设计的三个 方面---指令集系统结构、组成和硬件
13
1.4 实现技术的发展趋势
以下四种实现技术对计算机的发展最为重要： 1）集成电路技术
晶体管密度以每年35%的速度增长，四年翻两番，芯 片尺寸每年增长15%左右，使得每个芯片上晶体管数 目以每年50%左右速度增加。 2）DRAM（动态随机存取存储器） 容量每年增长40%，每两年翻一番 3）磁盘技术 1990年以前，每三年翻一番，此后提高到每年60% ，2004年以后又回落到每年30%
18
1.5 集成电路功耗的发展趋势
电压降低：可以在很大程度上减少动态功率 和能耗，在过去的20年中，电压从5V降 低到接近1V的水平。
电容性负载：由连接到输出的晶体管数目以 及决定电线和晶体管电容的实现技术确定
19
1.5 集成电路功耗的发展趋势
例子：目前一些微处理器采用可调整电压技 术，当电压下降15%时，频率也会下降 15%，这对动态功率有何影响？
计算机体系结构
1
第1章 计算机设计基本原理
1.1 简介 计算机技术在近60年时间内性能飞速发展 前25年： 以 25%/年 速度增长 70年代末：以35%/年 速度增长 80年代初：精简指令集计算机(RISC)出现， 使得计算机性能每年以超过50%速度 增长。
2
1.1 简介
RISC（Ruduced Instruction Set Computer）
4
1.1 简介
本课程特色 主要从系统结构的角度和编译器的改进方面 来定量分析计算机系统性能在20世纪快速增 长的原因，此外，还关注面临的挑战及潜在 的方法和技术。
核心内容：计算机量化研究方法对程序的观 察实验和模拟
5
1.2 计算机的分类
桌面计算机
占有市场最大份额，从低端到高端不等，性 价比是设计者关注的焦点，桌面计算机是最 新、最高性能微处理器和低成本微处理器最 先应用的领域
6
1.2 计算机的分类
服务器
提供更大规模及更可靠文件与计算服务，万维网的出 现加速了这种服务 服务器注重以下特性： 1）可靠性 最关键，必须保证长期运转，不能出现故障，否则后果 很严重，会造成重大经济损失（P4 图1.3） 2）可扩展性 随服务需求或功能需求能随之扩展 3）吞吐量 单位时间处理的事务数要越多越好
诞生于80年代初期，关注两种关键的实现 技术：指令级并行和Cache的使用
指令级并行：流水线多发射指令 Cache：高速缓存，简单组织复杂结构及优
化
3
1.1 简介
自2002年始，性能增长率降到每年20%的 水平（P2 图1.1）
原因：1）风冷芯片的最大功耗 2）指令级并行发掘近极限 3）存储器时延无法再降低
9
1.3 计算机系统结构定义
指令集系统结构
指令集系统结构（ISA，Instruction Set Architecture）指的是可见的实际指令系统， ISA作 用相当于硬件和软件之间的分界
包含以下内容：
1）ISA分类 归类为通用寄存器系统结构，其操作数是寄存器或
者存储器地址，16/32位通用寄存器或浮点寄存器
与晶体管性能改进相比，连线延迟改进空间更大
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1.5 集成电路功耗的发展趋势
器件升级会对功耗产生影响 动态功率：主要能耗来自开关晶体管 动态功率计算：与电容电压频率有关
移动设备关注电池寿命，用能量单位度量：
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1.3 计算机系统结构定义
2）存储器寻址 使用字节形式访问存储器中的操作数
3）寻址方式 寻址方式需要明确指出操作数的地址（特殊寄存器和 常量除外），有多种方式寻址，如寄存器寻址、立即数 寻址、相对寻址和变址寻址等
4） 操作数类型及大小 操作数大小有8位（ASCII码）、16位（unicode码或 半字）、32位（整型或字）和64位（长整型或双字）
带宽的提高速度明显优于时延的提高速度（P10 图1.8），带宽有了1000-2000倍的提高，时 延则改进20-40倍，经验法则是带宽的提高速 度至少相当于时延改进速度的平方
1.4 实现技术的发展趋势
晶体管性能与连线的规模
特征尺寸：表征集成电路的加工工艺，是晶体管 或连线在x或y方向上的最小尺寸，从1971年 到2006年，特征尺寸从10微米降到0.09微米
由于电容不变，电压的平方和频率之比为：
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1.4 实现技术的发展趋势
4）网络实现技术 交换和传输的性能决定了网络的性能，网络的发展趋势 参考附录E
以上四种技术的快速发展，可使计算机设计 的生存周期延长至5年或更长
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1.4 实现技术的发展趋势
性能的发展趋势：带宽优于时延
带宽或吞吐量：给定的时间内完成的工作总量 时延或响应时间：从事件开始到完成所需要的时间
7）ISA的编码 分固定长度和可变长度两种类型，所有的MIPS指令都 是32位长度的，简化了指令的译码
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1.3 计算机系统结构定义
其他方面：设计满足目标和功能要求的组成和硬 件
实现包括两部分内容：组成和硬件 组成：涵盖计算机设计的更高层次，如存储系统、存储器互
连以及CPU（实现算术、逻辑、转移和数据传输指令） 硬件：是一台计算机的具体实现技术，包括逻辑设计和封装
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1.3 计算机系统结构定义
5）操作指令（P7 图1.5） 操作指令分为数据传输指令、算术逻辑运算指令、控 制指令以及浮点数操作指令，无互锁流水级微处理器（ MIPS）代表了2006年流行是RISC系统结构，是一种 简单且易于实现流水的指令集系统结构。
6）控制流指令 支持条件转移指令、无条件跳转指令、程序调用和返回 指令
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1.2 计算机的分类
嵌入式计算机
增长最快，智能设备随处可见，其处理能力和价格覆 盖范围很广。 嵌入式应用的特点 ： 1）实时性
如数字机顶盒，视频帧处理时间必须有限 2）最小化存储器需求
涉及到代码量大小问题 3）最小化功耗需求
优化功耗同样重要
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1.3 计算机系统结构定义
定义
早期的计算机系统结构通常是指指令系统设 计，计算机设计的其他方面则称为实现 这种定义忽视了计算机实现技术面临的挑战 回顾：指令集系统结构
技术
系统结构最终定义：包含计算机设计的三个 方面---指令集系统结构、组成和硬件
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1.4 实现技术的发展趋势
以下四种实现技术对计算机的发展最为重要： 1）集成电路技术
晶体管密度以每年35%的速度增长，四年翻两番，芯 片尺寸每年增长15%左右，使得每个芯片上晶体管数 目以每年50%左右速度增加。 2）DRAM（动态随机存取存储器） 容量每年增长40%，每两年翻一番 3）磁盘技术 1990年以前，每三年翻一番，此后提高到每年60% ，2004年以后又回落到每年30%
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1.5 集成电路功耗的发展趋势
电压降低：可以在很大程度上减少动态功率 和能耗，在过去的20年中，电压从5V降 低到接近1V的水平。
电容性负载：由连接到输出的晶体管数目以 及决定电线和晶体管电容的实现技术确定
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1.5 集成电路功耗的发展趋势
例子：目前一些微处理器采用可调整电压技 术，当电压下降15%时，频率也会下降 15%，这对动态功率有何影响？
计算机体系结构
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第1章 计算机设计基本原理
1.1 简介 计算机技术在近60年时间内性能飞速发展 前25年： 以 25%/年 速度增长 70年代末：以35%/年 速度增长 80年代初：精简指令集计算机(RISC)出现， 使得计算机性能每年以超过50%速度 增长。
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1.1 简介
RISC（Ruduced Instruction Set Computer）
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1.1 简介
本课程特色 主要从系统结构的角度和编译器的改进方面 来定量分析计算机系统性能在20世纪快速增 长的原因，此外，还关注面临的挑战及潜在 的方法和技术。
核心内容：计算机量化研究方法对程序的观 察实验和模拟
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1.2 计算机的分类
桌面计算机
占有市场最大份额，从低端到高端不等，性 价比是设计者关注的焦点，桌面计算机是最 新、最高性能微处理器和低成本微处理器最 先应用的领域
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1.2 计算机的分类
服务器
提供更大规模及更可靠文件与计算服务，万维网的出 现加速了这种服务 服务器注重以下特性： 1）可靠性 最关键，必须保证长期运转，不能出现故障，否则后果 很严重，会造成重大经济损失（P4 图1.3） 2）可扩展性 随服务需求或功能需求能随之扩展 3）吞吐量 单位时间处理的事务数要越多越好
诞生于80年代初期，关注两种关键的实现 技术：指令级并行和Cache的使用
指令级并行：流水线多发射指令 Cache：高速缓存，简单组织复杂结构及优
化
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1.1 简介
自2002年始，性能增长率降到每年20%的 水平（P2 图1.1）
原因：1）风冷芯片的最大功耗 2）指令级并行发掘近极限 3）存储器时延无法再降低
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1.3 计算机系统结构定义
指令集系统结构
指令集系统结构（ISA，Instruction Set Architecture）指的是可见的实际指令系统， ISA作 用相当于硬件和软件之间的分界
包含以下内容：
1）ISA分类 归类为通用寄存器系统结构，其操作数是寄存器或
者存储器地址，16/32位通用寄存器或浮点寄存器