第1章 计算机系统结构导论

软件兼容 ： 是指同一个软件可以不加修改地运行于结构
相同的各档机器上，而且运行结果一致。 相同的各档机器上，而且运行结果一致。
向上（下）兼容是指在某档机器上编制的程序可不加修改 向上（ 地运行于比它高（低）档的机器上； 地运行于比它高（ 档的机器上； 向前（后）兼容是指在某型号机器上编制的程序可不加修 向前（ 改地运行于在它之前（ 改地运行于在它之前（后）投入市场的机器上。 投入市场的机器上。 对于系列机必须保证做到向后兼容，力争做到向上兼容。 对于系列机必须保证做到向后兼容，力争做到向上兼容。
1. 性能评测的作用 （1）改进体系结构设计，提高机器的 改进体系结构设计， 性能 促进软/硬件结合， （2）促进软/硬件结合，合理功能划 分 优化“结构—算法—应用” （3）优化“结构—算法—应用”的最 佳组合 （4）提高高性能计算机的使用效率
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2. 性能评测的分级
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1.1.2 计算机系统并行性的基本概念
并行性 ：
是指同一时刻或同一时间间隔内发生两种或 两种以上性质相同或不相同的事件。 两种以上性质相同或不相同的事件。
同时性 ：
是指两个或多个事件在同一时刻发生。 是指两个或多个事件在同一时刻发生。
并发性 ：
是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。 是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
计算机系统性能的不断提高主要靠器件的 变革和计算机系统结构的改进。 变革和计算机系统结构的改进。
计算机的器件 计算机换代的标志： 计算机换代的标志： 计算机系统的结构
推动计算机系统结构发展的关键是提高计 算机系统的并行性 算机系统的并行性
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1.1.1 计算机系统的层次结构
从计算机语言的角度， 从计算机语言的角度，可将通用计算机系 统划分成多级层次结构， 统划分成多级层次结构，每一层以一种不同的 语言为特征。 语言为特征。
按由低层到高层的顺序，各层分别是： 按由低层到高层的顺序，各层分别是：
微程序机器级 传统机器语言机器级 操作系统机器级 汇编语言机器级 高级语言机器级 应用语言机器级
实现机器指 定功能的中 央控制部分
硬联逻辑
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应用语言
用户
应用程序 高级语言 信息处理 系统
应用语言机器级
高级语言 程序员
解释程序 编译程序 汇编语言 运行程序
高级语言机器级
汇编语言 程序员
汇编程序 键盘命令 系统原语 运行程序
汇编语言机器级
操作员 操作系统机器级
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出角度， 从计算机语言的角度，可将通用计算机系 统划分成多级层次结构， 统划分成多级层次结构，每一层以一种不同的 语言为特征。 语言为特征。
按由低层到高层的顺序，各层分别是： 按由低层到高层的顺序，各层分别是：
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1. 发展计算机系统并行性的技术途径
可以通过3 可以通过3类技术途径来提高计算机系统的并行 这就是时间重叠、资源重复和资源共享。 性，这就是时间重叠、资源重复和资源共享。
时间重叠是在并行性概念中引入时间因素， 时间重叠是在并行性概念中引入时间因素，让多个处 是在并行性概念中引入时间因素 理过程在处理时间上错开，轮流重叠地使用同一套硬件设 理过程在处理时间上错开， 备的各个部件，提高多个处理过程的并发性。 备的各个部件，提高多个处理过程的并发性。 资源重复是在并行性概念中引入空间因素， 资源重复是在并行性概念中引入空间因素，通过重复 是在并行性概念中引入空间因素 设置硬件资源分别同时用于多个处理过程， 设置硬件资源分别同时用于多个处理过程，实现多个处理 过程的同时性。 过程的同时性。 资源共享是利用软件方法让多个任务按一定顺序轮流 资源共享是利用软件方法让多个任务按一定顺序轮流 使用一套资源，通过提高系统资源利用率来提高系统的性 使用一套资源， 能和效率。 能和效率。
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2. 计算机系统结构、计算机组成与实现 计算机系统结构、
计算机系统结构： 计算机系统结构：
（Computer Architecture）也称为计算机体系结构，经典 Architecture）也称为计算机体系结构， 的计算机系统结构的定义是指计算机系统多级层次结构中机器语 言机器级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面， 言机器级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面，是由机器 语言程序、汇编语言源程序和高级语言源程序翻译生成的机器语 语言程序、 言目标程序能在机器上正确运行所应具有的界面结构和功能。 言目标程序能在机器上正确运行所应具有的界面结构和功能。
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3. 软件可移植性
软件可移植性 ：
（Software Portability）是指在一台机器上编制的软件不用修 Portability） 改或只经少量修改就可在另一台机器上运行， 改或只经少量修改就可在另一台机器上运行，使得同一个软件可以 应用于不同的硬件环境中。 应用于不同的硬件环境中。
系列机技术既可以使同一系列的机器在汇编语言上实现统一， 系列机技术既可以使同一系列的机器在汇编语言上实现统一， 又能在同一系列内开发出性能价格比更高的新机器。因此， 又能在同一系列内开发出性能价格比更高的新机器。因此，在结构相同 或相近的机器之间能实现汇编语言应用软件和部分系统软件的移植。 或相近的机器之间能实现汇编语言应用软件和部分系统软件的移植。
操作系统 系统资源
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1. 低层机器级对高层机器级的支持
各层机器级语言的功能是依靠下一层机器级的支 持才能实现的，而且，这种支持要满足透明性要求。 持才能实现的，而且，这种支持要满足透明性要求。 透明性： 透明性： 从计算机系统的某一层的使用者角度看， 从计算机系统的某一层的使用者角度看，只 需通过该层的语言就可以使用机器， 需通过该层的语言就可以使用机器，而不必关心 其下层的机器级是如何工作和如何实现对上层的 支持的。 支持的。 计算机系统的“透明”是看不到的意思， 计算机系统的“透明”是看不到的意思，即对 某一层的使用者来说， 某一层的使用者来说，他看不到该层以下各层的 机器属性。 机器属性。
计算机性能 ：
通常是指计算机的工作速度， 通常是指计算机的工作速度，它是程序 执行时间的倒数。 执行时间的倒数。 计算机的性能不仅与计算机的系统结构有关， 计算机的性能不仅与计算机的系统结构有关， 而且与程序和算法有关。 而且与程序和算法有关。
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1.2.1 计算机性能评测的作用与分级
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CU：控制部件 PU：处理部件 MM：存储器模块 IS：指令流 DS：数据流 CU： PU： MM： IS： DS： 图1.4 Flynn分类法各类机器结构 Flynn分类法各类机器结构
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1.2 计算机性能评测基础
在计算机系统结构的范畴内， 在计算机系统结构的范畴内，实现软件可移植 性的基本途径有： 性的基本途径有：
统一高级语言 采用系列机 模拟和仿真等。 模拟和仿真等。
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具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现技术 具有相同的系统结构， 系列机： 系列机： 的一系列不同型号的机器。 的一系列不同型号的机器。
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3. 计算机系统结构的分类
是指机器执行的指令序列。 是指机器执行的指令序列。 指令流 ： 是指由指令流调用的数据序列， 是指由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中 数据流 ： 间结果。 间结果。 是指在系统最受限制的部件上， 多倍性 : 是指在系统最受限制的部件上，同时处于同一执行 阶段的指令或数据的最大可能个数。 阶段的指令或数据的最大可能个数。 Flynn按指令流和数据流的多倍性对计算机系统结构进行分类 Flynn按指令流和数据流的多倍性对计算机系统结构进行分类: 按指令流和数据流的多倍性对计算机系统结构进行分类: 单指令流单数据流（SISD） 单指令流单数据流（SISD）体系结构 单指令流多数据流（SIMD） 单指令流多数据流（SIMD）体系结构 多指令流单数据流（MISD） 多指令流单数据流（MISD）体系结构 多指令流多数据流（MIMD）体系结构 多指令流多数据流（MIMD）
计算机系统结构（第二版） 11页 测试程序;5.测试程序组件 测试程序;5.测试程序组件 ).11页 华中科技大学出版社
1.2.2 计算机的基本性能指标
1. 单CPU性能 CPU性能
计算机性能的评测可以划分为机器级、算法级和 计算机性能的评测可以划分为机器级、 程序级3个层次。 程序级3个层次。
机器级的性能评测主要包括：CPU的基本性能指标 机器级的性能评测主要包括：CPU的基本性能指标；存储 的基本性能指标； 主要包括 器的基本性能指标；并行计算机的并行计算与通信的开销； 器的基本性能指标；并行计算机的并行计算与通信的开销； 并行计算机的可用性和好用性以及机器成本、价格与性能/价 并行计算机的可用性和好用性以及机器成本、价格与性能/ 格比等。 格比等。 算法级的性能评测主要是为了评价算法的性能 主要是为了评价算法的性能。 算法级的性能评测主要是为了评价算法的性能。在并行计 算机上进行计算的主要目的是要加速整个计算过程，其中，并 算机上进行计算的主要目的是要加速整个计算过程，其中， 行算法的加速性能是最关键的因素，它体现了对于一个给定的 行算法的加速性能是最关键的因素， 应用，并行算法相对于串行算法的执行速度加快了多少倍。 应用，并行算法相对于串行算法的执行速度加快了多少倍。 程序级的性能评测主要使用一组基准测试程序测试和评价 程序级的性能评测主要使用一组基准测试程序测试和评价 计算机系统的各种性能。(1.真实程序评测 核心程序评测 小测试程序 综合 真实程序评测;2.核心程序评测;3.小测试程序;4. 计算机系统的各种性能。(1.真实程序评测;2.核心程序评测;3.小测试程序;4.综合
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2. 并行性等级
(分以下两种情况,每种情况四级) 分以下两种情况,每种情况四级)
（1）按计算机系统中执行程序的并行性划分 ① 指令内部并行 ② 指令之间并行 ③ 任务或进程之间并行 ④ 作业或程序之间并行 （2）按计算机信息加工的并行性划分 ① 存储器操作并行 ② 处理器操作步骤并行 ③ 处理器操作并行 指令、任务、 ④ 指令、任务、作业并行
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目 录
第1章 计算机系统结构导论
1.1 计算机系统结构的基本概念 1.2 计算机性能评测基础 1.3 并行计算机的发展
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第1章 计算机系统结构导论
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1.1 计算机系统结构的基本概念
微程序机器级 传统机器语言机器级 操作系统机器级 汇编语言机器级 高级语言机器级 应用语言机器级
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机器指令 系统
机器语言 程序员
机器程序
中央 处理机 机器指令 时序
传统机器语言 机器级
逻辑设计员
寄存器 传送门
微程序控制
硬操作时序
硬件维护员 设计员
逻辑线路 内核
计算机组成 ：
（Computer Organization）是计算机系统结构的逻辑实 Organization） 现，它主要研究硬件系统在逻辑上是如何组织的，机器级内部数 它主要研究硬件系统在逻辑上是如何组织的， 据流和控制流的组成与逻辑设计。计算机实现（ 据流和控制流的组成与逻辑设计。计算机实现（Computer Implementation）是指计算机组成的物理实现， Implementation）是指计算机组成的物理实现，主要着眼于器件 技术和微组装技术。 技术和微组装技术。