计算机体系结构第2版课件第1章 第2讲
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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(第二版)尹朝庆主编-第1章计算机系统结构导论
M5：高级语言机器级 程序员 运算程序
系 统 软 件
汇编语言 汇编程序
M4：汇编语言机器级 运行程序
层次模型中的每一 级所对应的机器，其组 成如图1.2所示。
虚拟机
程序员
键盘命令OS原语 操作系统
M3：操作系统 操作员 运行程序
广义语言
计算 机组 成与 结构
指令系统 CPU
M2：传统机器级 机器语言程序员 机器程序 物理机
17
基于这种思想，不同等级的计算机可采用不同的
发展策略：
① 在同等级范围内以合理的价格获得尽可能好的
性能，逐渐向高档机发展，称为最佳性能价格比设计。
② 维持一定适用的基本性能而争取最低价格，称
为最低价格设计。
③ 以获取最高性能为主要目标而不惜增加价格，
称为最高性能设计。
18
从系统结构的观点来看，各型计算机的性能随
高级语言 虚拟机器级 汇编语言 虚拟机器级 操作系统 虚拟机器级 传统机器级 （机器语言级） 微程序 机器级 A 机器系统
图1.4 用模拟方法实现软件的移植
27
如果Ａ机器采用微程序控制，则直接用Ａ机器 的微程序去解释Ｂ机器的机器指令就会加快解释过 程，如图1.5所示。这种用微程序直接解释另一种机
器指令系统实现软件移植的方法称为仿真进行仿真
件（目标程序）可以不加修改地运行于系统结构相同
的各档次机器，而且所得结果一致。软件兼容包括向 上兼容和向下兼容。向上兼容是指在低档机器上编制 的软件，不加修改就可以运行于高档机器上；向下兼 容则相反。软件兼容还有向前兼容和向后兼容之分。
向后兼容是指在某个时期投入市场的该型号机器上编
制的软件，不加修改就可以运行于在它之后投入市场
第1章 计算机系统概论第二版课后习题详细讲解
第1章计算机系统概论1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
2. 如何理解计算机的层次结构？答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。
（1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。
（2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。
（3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。
通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。
各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。
3. 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。
答：机器语言是计算机硬件能够直接识别的语言，汇编语言是机器语言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。
高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。
4. 如何理解计算机组成和计算机体系结构？答：计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，如指令系统、数据类型、寻址技术组成及I/O 机理等。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含对程序员透明的硬件细节，如组成计算机系统的各个功能部件的结构和功能，及相互连接方法等。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
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
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）
计算机体系结构课件
向量处理器广泛应用于高性能计算、科学计算、图像处理等领域，是计算机体系结构优化的重要方向之 一。
05
计算机体系结构的发展趋势
多核处理器
总结词
多核处理器技术是计算机体系结构的重要发 展趋势之一，它通过将多个处理器核心集成 到一个芯片上，提高了计算机的处理能力和 能效。
详细描述
随着集成电路技术的发展，多核处理器已成 为现实，并广泛应用于各类计算机系统中。 多核处理器可以同时执行多个线程，提高了 并行处理能力，使得计算机在处理复杂任务 时更加高效。
存储器是计算机中用于存储数据和指令的部件。
详细描述
存储器分为不同的类型，如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和高速缓存等。它们以二进制的形 式存储数据和指令，并允许对存储的数据进行读取、写入和修改等操作。
控制器
总结词
控制器是计算机中协调各部件工作的部件。
详细描述
控制器负责控制计算机中各个部件的工作流程，确保它们按照正确的顺序和时间进行操作。它通常由 指令计数器、指令寄存器和控制逻辑等组成，能够解析指令并协调各部件的工作。
硬件虚拟化技术
总结词
硬件虚拟化技术是计算机体系结构的另一重要发展趋势，它通过虚拟化技术将物理硬件 资源抽象成虚拟资源，实现了资源的共享和灵活配置。
详细描述
硬件虚拟化技术可以使得多个操作系统在同一物理硬件上运行，并且每个操作系统都认 为自己拥有完整的硬件资源。这不仅提高了硬件资源的利用率，还增强了系统的可靠性
03
计算机体系结构决定了计算机 的能耗和成本，对于现代计算 机系统来说，能耗和成本是非 常重要的考虑因素。
计算机体系结构的分类
1 2
根据指令集体系结构的分类
可以分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令 集计算机（RISC）。
05
计算机体系结构的发展趋势
多核处理器
总结词
多核处理器技术是计算机体系结构的重要发 展趋势之一，它通过将多个处理器核心集成 到一个芯片上，提高了计算机的处理能力和 能效。
详细描述
随着集成电路技术的发展，多核处理器已成 为现实，并广泛应用于各类计算机系统中。 多核处理器可以同时执行多个线程，提高了 并行处理能力，使得计算机在处理复杂任务 时更加高效。
存储器是计算机中用于存储数据和指令的部件。
详细描述
存储器分为不同的类型，如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）和高速缓存等。它们以二进制的形 式存储数据和指令，并允许对存储的数据进行读取、写入和修改等操作。
控制器
总结词
控制器是计算机中协调各部件工作的部件。
详细描述
控制器负责控制计算机中各个部件的工作流程，确保它们按照正确的顺序和时间进行操作。它通常由 指令计数器、指令寄存器和控制逻辑等组成，能够解析指令并协调各部件的工作。
硬件虚拟化技术
总结词
硬件虚拟化技术是计算机体系结构的另一重要发展趋势，它通过虚拟化技术将物理硬件 资源抽象成虚拟资源，实现了资源的共享和灵活配置。
详细描述
硬件虚拟化技术可以使得多个操作系统在同一物理硬件上运行，并且每个操作系统都认 为自己拥有完整的硬件资源。这不仅提高了硬件资源的利用率，还增强了系统的可靠性
03
计算机体系结构决定了计算机 的能耗和成本，对于现代计算 机系统来说，能耗和成本是非 常重要的考虑因素。
计算机体系结构的分类
1 2
根据指令集体系结构的分类
可以分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令 集计算机（RISC）。
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。
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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。
计算机体系结构课件
详细描述
输入输出系统是计算机中用于接收外部输入（如键盘、鼠标、传感器等）和输 出数据（如显示器、打印机、音响等）的硬件设备。输入输出系统的性能和可 靠性对计算机的整体性能和使用体验至关重要。
总线与接口
总结词
总线与接口是计算机中用于连接各个部件并进行通信的通道。
详细描述
总线与接口是计算机中各个部件之间进行通信的通道。总线是连接各个部件的公共通道，而接口则是 连接外部设备和计算机的通道。通过总线与接口，各个部件之间可以相互通信并协同工作，实现计算 机的整体功能。总线与接口的性能和稳定性对计算机的整体性能和使用体验至关重要。
长电池寿命。
扩展功能
03
通过增加输入输出接口、支持多种数据类型等，可以扩展计算
机的功能和应用范围。
计算机体系结构的分类
1 2
按指令集分类
可以分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令 集计算机（RISC）。
按数据类型分类
可以分为固定长度数据和可变长度数据。
3
按寻址方式分类
可以分为直接寻址、间接寻址和基址加变址寻址 等。
03
计算机指令系统
指令集架构
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
复杂指令集架构 (CISC)
提供了许多复杂的指令，能够执行各种高级操作。
精简指令集架构 (RISC)
只包含简单的、基本的指令，强调通过并行处理加快执行速度。
超长指令集架构 (VLIW)
通过将多个操作数和操作码放入一个指令，实现并行处理。
指令格式与寻址方式
固定长度的指令格式
可重构计算面临着能效、可扩展性、编程模型等方面的挑 战，如何设计更高效的
THANKS
感谢观看
详细描述
存储器是计算机中用于存储数据和程序的硬件设备。根据存储速度、容量和价格的不同，计算机中存在多种类型 的存储器，如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、高速缓存（Cache）等。存储器的容量和速度 对计算机的性能有很大的影响。
输入输出系统是计算机中用于接收外部输入（如键盘、鼠标、传感器等）和输 出数据（如显示器、打印机、音响等）的硬件设备。输入输出系统的性能和可 靠性对计算机的整体性能和使用体验至关重要。
总线与接口
总结词
总线与接口是计算机中用于连接各个部件并进行通信的通道。
详细描述
总线与接口是计算机中各个部件之间进行通信的通道。总线是连接各个部件的公共通道，而接口则是 连接外部设备和计算机的通道。通过总线与接口，各个部件之间可以相互通信并协同工作，实现计算 机的整体功能。总线与接口的性能和稳定性对计算机的整体性能和使用体验至关重要。
长电池寿命。
扩展功能
03
通过增加输入输出接口、支持多种数据类型等，可以扩展计算
机的功能和应用范围。
计算机体系结构的分类
1 2
按指令集分类
可以分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令 集计算机（RISC）。
按数据类型分类
可以分为固定长度数据和可变长度数据。
3
按寻址方式分类
可以分为直接寻址、间接寻址和基址加变址寻址 等。
03
计算机指令系统
指令集架构
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
复杂指令集架构 (CISC)
提供了许多复杂的指令，能够执行各种高级操作。
精简指令集架构 (RISC)
只包含简单的、基本的指令，强调通过并行处理加快执行速度。
超长指令集架构 (VLIW)
通过将多个操作数和操作码放入一个指令，实现并行处理。
指令格式与寻址方式
固定长度的指令格式
可重构计算面临着能效、可扩展性、编程模型等方面的挑 战，如何设计更高效的
THANKS
感谢观看
详细描述
存储器是计算机中用于存储数据和程序的硬件设备。根据存储速度、容量和价格的不同，计算机中存在多种类型 的存储器，如随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、高速缓存（Cache）等。存储器的容量和速度 对计算机的性能有很大的影响。
计算机系统结构 第2章PPT课件
➢ ：赋值操作 ➢ Mem：存储器 ➢ Regs：寄存器组 ➢ 方括号：表示内容
Mem[ ]：存储器的内容 Regs[ ]：寄存器的内容 Mem[Regs[R1]]：以寄存器R1中的内容作为地址的
存储器单元中的内容
▲
1155/75
寻址方式
寄存器寻址 立即值寻址 偏移寻址 寄存器间接寻址 索引寻址 直接寻址或 绝对寻址 存储器间接寻址 自增寻址
（产生了两类不同的计算机系统 ） ➢ CISC（复杂指令集计算机）
增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实 现，并且指令的数量也是越来越多。
➢ RISC（精简指令集计算机）
尽可能地把指令集简化，不仅指令的条数少，而且 指令的功能也比较简单。
▲
2288/75
2.3 指令集结构的功能设计
2.3.1 CISC指令集结构的功能设计
12. 储器操作数。
▲
1133/75
指令集结构类型
优点
缺点
寄存器－寄存器型 （0，3）
指令字长固定，指令结构 简洁，是一种简单的代码 生成模型，各种指令的执 行时钟周期数相近
与指令中含存储器操作数的指令集结 构相比，指令条数多，目标代码不够 紧凑，因而程序占用的空间比较大
寄存器－存储器型 （1，2）
跟其他的CPU内部存储单元一样，寄存器的访问 速度比存储器快。
对编译器而言，能更加容易、有效地分配和使用 寄存器。
寄存器可以用来存放变量。 （1）减少对存储器的访问，加快程序的执行速度； （因为寄存器比存储器快）
▲
9/975
2.1 指令集结构的分类
（2）用更少的地址位（相对于存储器地址来说）来对寄 存器进行寻址，从而有效地减少程序的目标代码的 大小。
Mem[ ]：存储器的内容 Regs[ ]：寄存器的内容 Mem[Regs[R1]]：以寄存器R1中的内容作为地址的
存储器单元中的内容
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寻址方式
寄存器寻址 立即值寻址 偏移寻址 寄存器间接寻址 索引寻址 直接寻址或 绝对寻址 存储器间接寻址 自增寻址
（产生了两类不同的计算机系统 ） ➢ CISC（复杂指令集计算机）
增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实 现，并且指令的数量也是越来越多。
➢ RISC（精简指令集计算机）
尽可能地把指令集简化，不仅指令的条数少，而且 指令的功能也比较简单。
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2.3 指令集结构的功能设计
2.3.1 CISC指令集结构的功能设计
12. 储器操作数。
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指令集结构类型
优点
缺点
寄存器－寄存器型 （0，3）
指令字长固定，指令结构 简洁，是一种简单的代码 生成模型，各种指令的执 行时钟周期数相近
与指令中含存储器操作数的指令集结 构相比，指令条数多，目标代码不够 紧凑，因而程序占用的空间比较大
寄存器－存储器型 （1，2）
跟其他的CPU内部存储单元一样，寄存器的访问 速度比存储器快。
对编译器而言，能更加容易、有效地分配和使用 寄存器。
寄存器可以用来存放变量。 （1）减少对存储器的访问，加快程序的执行速度； （因为寄存器比存储器快）
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2.1 指令集结构的分类
（2）用更少的地址位（相对于存储器地址来说）来对寄 存器进行寻址，从而有效地减少程序的目标代码的 大小。
《计算机体系结构(第2版)》教学课件—01计算机系统结构导论
一台计算机体系结构的等级将随时间而下移。各型机器的性 能、价格随时间变化的趋势大致可以用图说明。由图可见， 各型机器所具备的性能随时间是在动态地下移的，但价格却 在相当长一段时间内基本不变。
价格
虚线为等性能线
巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机
t-3
t-2
t-1
t
t+1
年代
图1.3 计算机体系结构等级与性能、价格的关系
第一节 计算机体系结构的基本概念
3.计算机体系结构的系列性
系列机是指由同一个厂家生产的体系结构相同、组成和实现 不同的一系列不同型号的机器。简言之，体系结构相同的机器即 为系列机。而把不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机 称为兼容机。
系列机软件兼容是指同一个软件(目标程序)可以不加修改地 运行于系统结构相同的各档次的机器，而且所得结果一致。软件 兼容有向上兼容与向下兼容和向前兼容与向后兼容两种类型。
运行程序 M2机器语言机器
低级语言程序员 操作员
虚拟机
CPU 机器指令时序
机器语言程序 M1微程序控制
机器语言程序员
微程序控制 硬操作时序
硬联逻辑
寄存器传送门 逻辑设计员
M0硬联逻辑
逻辑线路内核
硬件设计员
物理机
第一节 计算机体系结构的基本概念
2. 计算机体系结构的等级性 计算机系统分为巨型、中型、小型、微型等若干等级。
第一节 计算机体系结构的基本概念
2. 计算机体系结构范畴
计算机体系结构作为一门学科，主要是研究软件与硬件功能分 配和对软件、硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成，哪些功 能由硬件完成，以及如何最佳最合理地实现分配给硬件的功能。 它所包括的内容一般有：
价格
虚线为等性能线
巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机
t-3
t-2
t-1
t
t+1
年代
图1.3 计算机体系结构等级与性能、价格的关系
第一节 计算机体系结构的基本概念
3.计算机体系结构的系列性
系列机是指由同一个厂家生产的体系结构相同、组成和实现 不同的一系列不同型号的机器。简言之，体系结构相同的机器即 为系列机。而把不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机 称为兼容机。
系列机软件兼容是指同一个软件(目标程序)可以不加修改地 运行于系统结构相同的各档次的机器，而且所得结果一致。软件 兼容有向上兼容与向下兼容和向前兼容与向后兼容两种类型。
运行程序 M2机器语言机器
低级语言程序员 操作员
虚拟机
CPU 机器指令时序
机器语言程序 M1微程序控制
机器语言程序员
微程序控制 硬操作时序
硬联逻辑
寄存器传送门 逻辑设计员
M0硬联逻辑
逻辑线路内核
硬件设计员
物理机
第一节 计算机体系结构的基本概念
2. 计算机体系结构的等级性 计算机系统分为巨型、中型、小型、微型等若干等级。
第一节 计算机体系结构的基本概念
2. 计算机体系结构范畴
计算机体系结构作为一门学科，主要是研究软件与硬件功能分 配和对软件、硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成，哪些功 能由硬件完成，以及如何最佳最合理地实现分配给硬件的功能。 它所包括的内容一般有：
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)
计算机体系结构第2版课件第2章 第1讲
和累加器。 操作数地址隐含表示或显式表示。
指令集与计算机的性能
TCPU CPI IC TCLK
源程序
指令集
指令译码
指令编码
优化编译器
目标代码
CPI和数据通路 复杂度
2. 指令集结构的分类
一般来说，可以从如下五个因素考虑对计算 机指令集结构进行分类，即：
在CPU中操作数的存储方法； 指令中显式表示的操作数个数； 操作数的寻址方式； 指令集所提供的操作类型； 操作数的类型和大小。
两种主要的指令特性能够将通用寄存器型指 令集结构（GPR）进一步细分。
ALU指令到底有两个或是三个操作数？ 在ALU指令中，有多少个操作数可以用存储器
来寻址，也即有多少个存储器操作数？
通用寄存器型指令集结构的分类
ALU指令中 存储器操作 数的个数
0
ALU指令中 操作数的最多
个数
3
结构 类型
RR
机器实例
MIPS, SPARC, Alpha, PowerPC, ARM
1
2
RM
IBM 360/370, Intel 80x86, Motorola 6800
3
RM
IBM 360/370
2
2
MM
VAX
3
3
MM
VAX
通用寄存器型指令集结构的分类
可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构 进一步细分为三种类型：
缺点：
由于有一个操作数的内容将被破坏，所以指令中的两个操 作数不对称。在一条指令中同时对寄存器操作数和存储器 操作数进行编码，有可能限制指令所能够表示的寄存器个 数。指令的执行时钟周期因操作数的来源（寄存器或存储 器）的不同而差别比较大。
指令集与计算机的性能
TCPU CPI IC TCLK
源程序
指令集
指令译码
指令编码
优化编译器
目标代码
CPI和数据通路 复杂度
2. 指令集结构的分类
一般来说，可以从如下五个因素考虑对计算 机指令集结构进行分类，即：
在CPU中操作数的存储方法； 指令中显式表示的操作数个数； 操作数的寻址方式； 指令集所提供的操作类型； 操作数的类型和大小。
两种主要的指令特性能够将通用寄存器型指 令集结构（GPR）进一步细分。
ALU指令到底有两个或是三个操作数？ 在ALU指令中，有多少个操作数可以用存储器
来寻址，也即有多少个存储器操作数？
通用寄存器型指令集结构的分类
ALU指令中 存储器操作 数的个数
0
ALU指令中 操作数的最多
个数
3
结构 类型
RR
机器实例
MIPS, SPARC, Alpha, PowerPC, ARM
1
2
RM
IBM 360/370, Intel 80x86, Motorola 6800
3
RM
IBM 360/370
2
2
MM
VAX
3
3
MM
VAX
通用寄存器型指令集结构的分类
可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构 进一步细分为三种类型：
缺点：
由于有一个操作数的内容将被破坏，所以指令中的两个操 作数不对称。在一条指令中同时对寄存器操作数和存储器 操作数进行编码，有可能限制指令所能够表示的寄存器个 数。指令的执行时钟周期因操作数的来源（寄存器或存储 器）的不同而差别比较大。
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3.软件的发展
计算机语言与编译技术。 操作系统。 软件工具与中间件。
4.应用的发展
桌面计算。 服务器市场。 嵌入式计算。
5.应用集成电路的发展
桌面计算。 服务器市场。 嵌入式计算。
6.体系结构的发展
分布的IO处理能力。 保护的存储器空间。 存储器组织结构的发展。 并行处理技术 指令集发展
存储空间 20位 24位 32位 32位 32位 32位 32位 32位
软件兼容
长期以来，程序员希望有一个稳定的软件环 境，使他们编制出来的程序能够在更加广泛 计算机类型中得到长期的应用
软件兼容（software compatibility）
系列机具有相同的体系结构，软件可以在系列 计算机的各档机器上运行
时间 1981 1982 1985 1989 1993 1997 1999 2000
处理器 8088 80286 80386 80486 Pentium Pentium II Pentium III Pentium 4
பைடு நூலகம்
字宽 16位 16位 32位 32位 32位 32位 32位 32位
主要I/O总线 PC总线 AT（ISA） ISA/EISA ISA+VL ISA+PCI ISA+PCI+AGP PCI+AGP +USB PCI-X+AGP +USB
同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相 同的各档机器，而且它们所获得的结果一样， 差别只在于有不同的运行时间
兼容分为二进制级兼容、汇编级兼容、高级语 言兼容、数据级兼容等等
兼容机
虽然程序员希望有一个稳定的软件环境，但 是机器设计人员则希望根据硬件技术和器件 技术的进展不断地推出新的机器
兼容机（compatible machine）
作业
请思考你能想到的软件兼容的例子。 请列举操作系统为上层应用提供的典型
API有哪些，功能是什么？ 网络实名提交。
谢谢！
1.1.4系列机和兼容
系列机（family machine）是具有相同 体系结构，但组成和实现不同的一系列不同 型号的计算机系统
IBM公司在推出IBM S360时首次提出的系 列机的概念，被认为是计算机发展史上一个重 要里程碑
各计算机厂家仍按系列机研发产品
现代计算机不但系统系列化，其构成部件和 软件也系列化
并行处理技术的发展
并行性概念
1. 指令级并行 2. 线程级并行
程级并行
提高并行性的技术途径。
1. 时间重叠
2. 资源重复
并行计算的应用需求。
3. 任务级/过 3. 资源共享
7. 计算机系统的成本和价格
系统的成本
处理器板: ~ 37% I/O设备: ~ 37% 附件: ~ 6% 软件: ~ 20%
I/O处理机
IBM7030
SSI和MSI、多 流水线、Cache、 多道程序和分时操 IBM360/370C
层印刷电路、微程 先行处理、系列计 作系统
DC6600/7600、
序
算机
DEC PDP-8
LSI和VLSI、半 向量处理、分布式 并行与分布处理
导体存储器
存储器
Cray-1、IBM 3090、DEC VAX9000、 Convax-1
向后兼容虽然削弱了系列机对体系结构发展的 约束，但仍然是体系结发展的沉重包袱
20世纪80年代具有RISC体系结构的微处理 器在新结构、新技术应用等方面领先传统的 CISC微处理器的主要原因之一
Intel公司的x86系列
Intel公司的x86系列微处理器在向后兼容 方面是非常具有代表性的
1979年的8086到2009年的Nehalem 由16位系统发展到32位系统 增加了保护方式指令集、MMX指令集和面
性能/成本设计
性能/成本设计：设计者需取得性能与成本 之间的平衡。
在过去的几十年中，计算机尺寸变小，因此 低成本设计和性能/成本设计就显得日益重 要，即使是巨型计算机制造商也发觉成本问 题已日益重要。
计算机系统的成本和价格
对计算机系统成本产生影响的主要因素有： 时间、产量、商品化等
对成本产生最直接影响的是时间。即使实现技术没 有变动，计算机系统的制造成本也会不断下降。随 着时间的推移，生产工艺会日渐稳定，产品的成品 率会不断提高。产品的成本与成品率成反比。
向64位的扩展等 但它保持了极好的二进制代码级的向后兼容
性
1.2 计算机体系结构的发展
Von Neumann体系结构 计算机分代和分型 软件的发展 应用的发展 集成电路的发展 体系结构的发展
2.计算机的分代
分代
器件
体系结构技术
软件技术
典型机器
第一代 (1945-1954)
第二代 (1955-1964)
机器档次
高
向上兼容
当前机器
向下兼容 向前兼容
低
向后兼容
时间
兼容对体系结构的影响
计算机系统及软件设计者的“障碍”：
系统软件的开发难度大 需要保护巨大的应用软件宝库
向后兼容是才是软件兼容的根本特征，也是 系列机的根本特征
为了保证软件的兼容，要求指令集不改变，这 无疑又妨碍计算机体系结构的发展
第三代 (1965-1974)
第四代 (1974-1990)
第五代 (1991-)
电子管和继电器
存储程序计算机、 机器语言和汇编语 普林斯顿ISA、
程序控制I/O
言
ENIAC
IBM701
晶体管、磁芯、印 浮点数据表示、寻 高级语言和编译、 Univac LARC
刷电路
址技术、中断、 批处理监控系统 CDC1604
高性能微处理器、 指令级并行、 大规模高密度电路 SMP、MP、
MPP、网络
可扩展并行与分布 SGI Cray T3E
处理
IBM xServer
Sun E10000
计算机的分代
)
(
价 格
对 数 坐 标
虚线为等性能线
巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机
时间
技术和性能的“下移”。新型体系结构的设计一方面 是合理地增加计算机系统中硬件的功能比例。另一方面则 是通过多种途径提高计算机体系结构中的并行性。
不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机 计算机厂家为了能利用大的计算机厂家的开发
成果，采用新的计算机组织和实现技术，研制 一些软件兼容的产品，具有更加低廉的价格 在市场上有较强的竞争能力
兼容性
向上(下)兼容指的是按某档机器编制的程序，不 加修改的就能运行于比它高(低)档的机器
向前(后)兼容指的是按某个时期投入市场的某种 型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它 之前(后)投入市场的机器
如微处理器（CPU）、硬盘、操作系统、高级 语言等
系列机(Family machine)
一种指令集结构可以有多种组成。同样，一种组成 可以有多种物理实现。系列机就是指在一个厂家生 产的具有相同的指令集结构，但具有不同组成和实 现的一系列不同型号的机器。
计算机 PC和PC XT PC AT 80386 PC 80486 PC Pentium PC Pentium II PC Pentium III PC Pentium 4 PC