计算机系统结构(尹朝庆)第1章 导论
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计算机系统结构课件：第一章 计算机系统结构的基本概念
第一章 计算机系统结构的基本概念
Amdahl定律可表示为：
Sp = Te / T0
T0= Te(1 – fe + fe /re)
例1：运行60s的程序中， 有20s的运算可加速，则： fe=20/60=33.3%
例2：系统改进后执行程序， 可改进部分花费时间为2s， 改进前改进部分花费时间为 5s,则：re=5/2=2.5
(三) Wolfgan Handler(汉德勒)法 （1977年德国）
➢从硬件设备结构的并行级和流水线的程度分类。
•程序控制部件的个数 。
•算术逻辑运算部件或处理部件的个数 。
•基本逻辑线路的套数。
t(Cray-1)=(1，12×8，64) t(ILLIAC-Ⅳ)=(1，64，64)
计算机系统结构
如RISC机、向量 机
MM
DS
计算机系统结构
Computer Architecture
第一章 计算机系统结构的基本概念
多指令流、多数据流( MIMD )结构
CU1 CS1 PU1 DS1
IS1
CS2
DS2
CU2
PU2
MM IS2
CSn
DSn
ISn
CUn
PUn
IBM 3081/3084、Univac 1100/80，Cray-2等均属这一类型
计算机系统结构
Computer Architecture
第一章 计算机系统结构的基本概念
单指令流、单数据流( SISD )结构
单指令流、单数据流( SISD-Single Instruction stream Single Data stream ) 结构
指令流
IS
控制流
第1章计算机系统结构概论
人 为人民服务级 读书、学习级 语言、思维级
生理功能 5 级：高级语言虚拟机 第 4 级：汇编语言虚拟机 第 3 级：操作系统虚拟机 第 2 级：机器语言(传统机器级)
第 1 级：微程序机器级
计算机体系结构
计算机体系结构的定义：分经典和广义两种
一般将两种方法混合作用，对于使用频率高的指令用仿 真方法，而对于频率低而且难于仿真实现的指令使用模拟的 方法加以实现。
8088/80286 CPU PC/AT 总线
存储器 I/O 设备 (a) PC、XT 和 PC AT
80386
处理器总线/VL 总线
/80486 CPU
存储器 总线控制器
VL 设备
ISA 总线 I/O 设备
(b) 80386/80486 AT
Pentium CPU
处理器总线
总线控制器 1
存储器
PCI 总线
总线控制器 2 PCI 设备 ISA 总线
(c)
I/O 设备 Pentium AT
Pentium II CPU
处理器总线
AGP 总线 总线控制器 1 存储器
AGP 显示卡
PCI 总线
总线控制器 2 PCI 设备 ISA 总线
I/O 设备 (d) Pentium II AT
计算机型号
处理器型号 处理器上市 时间 处理器字宽 I/O总线
计算机网络
数字逻辑
通信与接口
计算机组成原理
计算机体系结构
操作系统
高级语言程序设计 数据结构
数据库原理及应用 软件工程
第一章 计算机体系结构的基本概念
计算机的分代
第一代：以电子管为主要逻辑器件（1945-1954）
《计算机系统结构》电子教案
《计算机系统结构》电子教案第一章：计算机系统结构概述1.1 计算机系统结构的概念解释计算机系统结构的基本概念强调计算机系统结构在计算机科学中的重要性1.2 计算机系统结构的分类介绍冯·诺伊曼结构介绍哈佛结构介绍堆栈式结构1.3 计算机系统结构的研究内容介绍计算机系统结构的研究内容强调计算机系统结构与计算机组成原理的区别第二章：中央处理器（CPU）2.1 CPU的基本组成介绍CPU的基本组成部件强调控制单元、算术逻辑单元（ALU）、寄存器的作用2.2 指令执行过程解释指令执行的过程强调取指、译码、执行、访存、写回的步骤2.3 CPU性能指标介绍CPU性能指标的概念强调时钟频率、流水线深度、指令吞吐量等指标的重要性第三章：存储系统3.1 存储器层次结构介绍存储器层次结构的概念强调高速缓存（Cache）、主存储器（RAM）、辅助存储器（硬盘、固态硬盘）的关系3.2 缓存机制解释缓存机制的原理强调缓存命中、缓存未命中的概念3.3 虚拟存储器介绍虚拟存储器的概念强调页表、分页机制的作用第四章：输入输出系统4.1 I/O系统的组成介绍I/O系统的组成部件强调I/O设备、I/O控制器、中断处理的作用4.2 中断机制解释中断机制的原理强调中断服务程序、中断优先级的概念4.3 DMA（直接内存访问）介绍DMA的概念强调DMA在数据传输中的优势第五章：总线与接口5.1 总线的概念与分类介绍总线的概念强调总线的作用与分类5.2 总线协议解释总线协议的概念强调地址总线、数据总线、控制总线的作用5.3 接口技术介绍接口技术的基本概念强调串行接口、并行接口、USB接口等常见接口技术的作用第六章：计算机系统性能评估6.1 计算机系统性能评估概述解释计算机系统性能评估的目的和重要性介绍性能评估的基本概念和指标6.2 性能评估指标介绍计算机系统性能评估的主要指标，如CPU性能、内存性能、I/O性能等强调不同指标的重要性和适用场景6.3 性能评估方法介绍常用的性能评估方法，如模拟、基准测试、实证分析等强调评估过程中可能遇到的问题和解决方案第七章：并行计算机系统7.1 并行计算机系统概述解释并行计算机系统的概念和特点强调并行计算的优势和挑战7.2 并行计算机体系结构介绍常见的并行计算机体系结构，如SIMD、MIMD、多核处理器等强调不同体系结构的特点和应用场景7.3 并行算法与编程介绍并行算法的基本概念和设计方法强调并行编程的技巧和挑战第八章：计算机网络基础8.1 计算机网络概述解释计算机网络的概念和作用介绍计算机网络的基本组成和架构8.2 网络协议与分层模型解释网络协议的概念和重要性介绍常见的网络分层模型，如OSI模型和TCP/IP模型8.3 网络互联设备与技术介绍网络互联设备的作用和分类，如交换机、路由器、网桥等强调不同网络技术的特点和应用场景第九章：计算机安全9.1 计算机安全概述解释计算机安全的重要性介绍计算机安全的常见威胁和攻击手段9.2 安全机制与协议介绍计算机安全的基本机制和协议，如加密、身份认证、访问控制等强调不同安全机制的适用场景和局限性9.3 安全实践与策略介绍计算机安全的实践方法和策略强调安全意识和安全措施的重要性第十章：计算机系统发展趋势10.1 计算机系统发展趋势概述介绍计算机系统发展的历史和现状强调未来计算机系统的发展趋势和挑战10.2 新一代计算机体系结构介绍新兴的计算机体系结构，如量子计算机、神经形态计算等强调这些新型计算机体系结构的特点和潜在应用10.3 未来计算机系统技术挑战介绍未来计算机系统可能面临的挑战和问题强调持续研究和创新的重要性重点和难点解析重点环节1：计算机系统结构的概念与重要性需要重点关注的概念：计算机系统结构的基本概念，包括冯·诺伊曼结构、哈佛结构和堆栈式结构等。
计算机系统结构第一章
第1章 计算机系统结构基本概念
1.1 引言 1.2 计算机系统结构的概念 1.3 定量分析技术 1.4 计算机系统结构的发展 1.5 计算机系统结构中并行性的发展
1.1 引言
第一台通用电子计算机诞生于1946年 计算机技术的飞速发展得益于两个方面：
– 计算机制造技术的发展 – 计算机系统结构的创新
•
解释执行比编译后再执行所花的时间多，但 占用的存储空间较少。
1.2 计算机系统结构的概念
从语言的角度划分层次结构
翻译 高级语言程序员 翻译 汇编语言程序员 翻译 系统操作员 部分解释 机器语言（传统机器级） 机器语言程序员 解释 微程序机器级 硬件设计人员 硬件直接执行
软 件 硬 件 或 固 件
用平面直角坐标系中的一个点代表一个计算 机系统，其横坐标表示字宽（n位），纵坐标 表示一次能同时处理的字数（m字）。m×n就 表示了其最大并行度。
1.3 定量分析技术
一. 计算机系统的定量原理
1. 以经常性事件为重点进行优化 – 优化是指分配更多的资源、达到更高的性 能或者分配更多的电能等。 – 使经常性事件的处理速度加快能明显提高 整个系统的性能 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。
指令数时钟周期时间cpucpicpicpi假定通过许多程序的统计得知程序中指令的总数为ic其中第i类指令的执行次数为ii或执行概率为pi而执行该类指令所需的时钟周期数为cpii而全部指令的类别数为n该处理机的统计平均cpi就为
计算机系统结构
四川大学计算机学院 主讲：倪云竹
E-MAIL：ybamboo@
提出问题：
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
计算机系统结构01
成汇编语言(或某种中间语言程序, 或机器语言程序)
第三级 虚拟机器
汇编语言机器级M3 具有L3机器语言（汇编语言）
汇编语言程序经汇编程序翻译
成机器语言程序
第二级 虚拟机器
操作系统机器级M2 具有L2机器语言(作业控制语言等)
一般使用机器语言程序解释作
业控制语句等
第一级 实际机器
传统机器级M1 具有L1机器语言（机器指令系统）
特定含义：层次结构中传统机器级的系统结构，界面
之上为软件，界面之下为硬件/固件。
计算机学院 COMPUTER ARCHITECTURE 12
第1章 计算机系统结构概论
1.2 计算机系统结构、计算机组成与计算机实现 1.2.1 定义与内涵
1.计算机系统结构 透明性：本来存在的事物或属性，从某个角度看却好
1.1 计算机系统的多级层次结构
1. 层次结构划分的角度 使用语言
2. 层次结构划分的目的
3. 多级层次结构的划分 操作系统的位置
计算机学院
COMPUTER ARCHITECTURE
3
第四级 虚拟机器
应用语言机器级M4 具有L4机器语言（应用语言）
应用语言程序经应用程序包翻
译成高级语言程序
第三级 虚拟机器
第1章 计算机系统结构概论
3.计算机实现（Computer Implementation） 定义：指的是计算机组成的物理实现。 着眼点：器件技术和微组装技术。 涉及范围：
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
高级语言机器级M3 具有L3机器语言（高级语言）
计算机系统结构导论
本章介绍计算机系统结构的基本概念、相关术语、主要特性、冯·诺依曼型计算机的发展，讨论影响计算机系统结构发展的主要因素、计算机系统并行性发展的技术途径与分类，阐述计算机系统结构设计的技术方法与定量分析，分析新型的计算机系统结构。 第一节 计算机系统结构的基本概念 第二节 计算机系统结构的发展及其影响因素 第三节 计算机系统结构中的并行性及其发展 第四节 计算机系统结构的设计 第五节 计算机系统结构的定量分析 第六节 数据流计算机
第一节 计算机系统结构的基本概念
二、计算机系统中的有关术语 1. 什么是计算机系统（computer system） 计算机系统这个术语的含义一般有三种指向。 一是指狭义的计算机系统。认为计算机系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五个部件组成。其中运算器和控制器合称为中央处理器（CPU），存储器又分为内存（又称主存memory）和外存（又称辅存storage）两种，所以这种说法又可简化为I/O—CPU—M/S模式。 二是指本义的计算机系统。认为计算机系统是由硬件（hardware）和软件（software）两部分组成。由于技术飞速进步，软件和硬件在逻辑功能上是等效的，某些操作既可以用软件实现，也可以用硬件实现。软件和硬件之间没有固定不变的界面，主要受实际的需要和性能价格比所支配。具有相同功能计算机系统的软件与硬件之间的组合分配可能相差很大。这就是当今软硬结合的现实，这种说法可以认为是S—H模式。
（2）计算机系统结构研究的问题及其内容。 计算机系统结构作为一门学科，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： ①数据表示、②寻址方式、③寄存器组织、④指令系统、⑤存储系统、⑥中断机构、⑦机器工作状态（如管态、目态等）的定义和切换、⑧机器级的1/0结构、⑨信息保护 2. 计算机组成 （1）什么是计算机组成。 在确定计算机系统结构以及分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究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。 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。 （2）计算机逻辑设计的目的及其内容。
第一节 计算机系统结构的基本概念
二、计算机系统中的有关术语 1. 什么是计算机系统（computer system） 计算机系统这个术语的含义一般有三种指向。 一是指狭义的计算机系统。认为计算机系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五个部件组成。其中运算器和控制器合称为中央处理器（CPU），存储器又分为内存（又称主存memory）和外存（又称辅存storage）两种，所以这种说法又可简化为I/O—CPU—M/S模式。 二是指本义的计算机系统。认为计算机系统是由硬件（hardware）和软件（software）两部分组成。由于技术飞速进步，软件和硬件在逻辑功能上是等效的，某些操作既可以用软件实现，也可以用硬件实现。软件和硬件之间没有固定不变的界面，主要受实际的需要和性能价格比所支配。具有相同功能计算机系统的软件与硬件之间的组合分配可能相差很大。这就是当今软硬结合的现实，这种说法可以认为是S—H模式。
（2）计算机系统结构研究的问题及其内容。 计算机系统结构作为一门学科，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： ①数据表示、②寻址方式、③寄存器组织、④指令系统、⑤存储系统、⑥中断机构、⑦机器工作状态（如管态、目态等）的定义和切换、⑧机器级的1/0结构、⑨信息保护 2. 计算机组成 （1）什么是计算机组成。 在确定计算机系统结构以及分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究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。 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。 （2）计算机逻辑设计的目的及其内容。
《计算机系统结构》第1章计算机设计基本原理
• 流水线CPU的设计与实现 • 指令级并行技术 • cache与虚拟存储器 • 了解多处理器、多核、多计算机系统结构
5
参考教材与成绩构成
• [1]李亚民 .计算机组成与系统结构 .清华大学出版社 • [2]徐洁等 . 计算机系统结构 . 中国铁道出版社 • [3] 郑纬民、汤志忠. 计算机系统结构（第2版）. 清华大学
34
铜层：电镀完成后， 铜离子沉积在晶圆表 面，形成一个薄薄的 铜层。
35
抛光：将多 余的铜抛光 掉，也就是 磨光晶圆表 面。
36
金属层：晶体管级别， 六个晶体管的组合，大 约500纳米。在不同晶 体管之间形成复合互连 金属层，具体布局取决 于相应处理器所需要的 不同功能性。芯片表面 看起来异常平滑，但事 实上可能包含20多层复 杂的电路，放大之后可 以看到极其复杂的电路 网络，形如未来派的多 层高速公路系统。
41
英特尔前CEO欧德宁展示基于22纳米制程技术可工作 芯片的硅晶圆 2009年
42
丢弃瑕疵内核：晶 圆级别。测试过程 中发现的有瑕疵的 内核被抛弃，留下 完好的准备进入下 一步。
43
制造第六阶段
44
单个内核：内核 级别。从晶圆上 切割下来的单个 内核，这里展示 的是Core i7的核 心。
Mainframe 1960s
Supercomputer 1970s
MiniSupercomputer 1970s
Embedded system 2000s
MiniComputer Work- PC 1970s Station
1980s-2000s
Massively Parallel
17
制造第一阶段
硅锭切割：横向 切割成圆形的单 个硅片，也就是 我们常说的晶圆 (Wafer)。
5
参考教材与成绩构成
• [1]李亚民 .计算机组成与系统结构 .清华大学出版社 • [2]徐洁等 . 计算机系统结构 . 中国铁道出版社 • [3] 郑纬民、汤志忠. 计算机系统结构（第2版）. 清华大学
34
铜层：电镀完成后， 铜离子沉积在晶圆表 面，形成一个薄薄的 铜层。
35
抛光：将多 余的铜抛光 掉，也就是 磨光晶圆表 面。
36
金属层：晶体管级别， 六个晶体管的组合，大 约500纳米。在不同晶 体管之间形成复合互连 金属层，具体布局取决 于相应处理器所需要的 不同功能性。芯片表面 看起来异常平滑，但事 实上可能包含20多层复 杂的电路，放大之后可 以看到极其复杂的电路 网络，形如未来派的多 层高速公路系统。
41
英特尔前CEO欧德宁展示基于22纳米制程技术可工作 芯片的硅晶圆 2009年
42
丢弃瑕疵内核：晶 圆级别。测试过程 中发现的有瑕疵的 内核被抛弃，留下 完好的准备进入下 一步。
43
制造第六阶段
44
单个内核：内核 级别。从晶圆上 切割下来的单个 内核，这里展示 的是Core i7的核 心。
Mainframe 1960s
Supercomputer 1970s
MiniSupercomputer 1970s
Embedded system 2000s
MiniComputer Work- PC 1970s Station
1980s-2000s
Massively Parallel
17
制造第一阶段
硅锭切割：横向 切割成圆形的单 个硅片，也就是 我们常说的晶圆 (Wafer)。
计算机系统结构第1章
第1章 计算机系统结构概论
（3）结构不同，组成也不同 如例：A：=B+C
D：=E*F 采用面向寄存器系统结构和采用面向主存三地址寻址方式结 构在组成上就不一样。 （4）计算机组成也会影响系统结构，如微程序控制
三者关系对系统结构设计的要求：
①系统结构设计不要对组成、实现技术的采用与发展 有过多或不合理的限制；
第1章 计算机系统结构概论
1.1 计算机系统的多级层次结构
计算机系统的层次结构(从不同的层次看计算机系统）
应用软件
虚拟机
系统软件
软硬件界面
应 用 语 言 级M5 应用语言
高 级 语 言 级M4 高级语言
5级
翻译(应用程序包)
4级
翻译(编译程序)
汇 编 语 言 级M3
3级
汇编语言
翻译(汇编程序)
操 作 系 统 级M2 作业控制语言
（2）含义
系统结构实际上是研究计算机系统中软、硬件之间的
界面定义，以及其上下的功能分配。
第1章 计算机系统结构概论
透明性
• 客观存在的事物和属性从某个角度看不到的现 象，被称为是“透明性” 。
例如，高级程序员看不到各种不同类型机 器的差异性就是一个明显的例证。如编译程序 对用户是透明的，Cache对程序员是透明的。
第1章 计算机系统结构概论
1.3.2 计算机系统的性能评测与定量设计原理
一.计算机的性能评价
计算机的性能以及对系统评价的目标都指系统速度的性能。 计算机的速度性能通常是用解题时间来衡量 解题时间是指用户的一个任务从送入计算机处理到得到 结果所需的时间
CPU时间
时间
解题时间
(访磁盘时间) (访主存时间） (I/O时间及其他时间)
体系结构第1章
解释或编译
作用对象
观察者
对计统的层次结构 计算机系统的层次结构
计算机系统可分为7 计算机系统可分为7个层次 从学科领域来划分： 从学科领域来划分： 级和第1级属于计算机组成原理 第0级和第1级属于计算机组成原理 级属于计算机系统结构 第2级属于计算机系统结构 至第5级属于系统软件 第3至第5级属于系统软件 级属于应用软件 第6级属于应用软件 它们之间有交叉 例如： 级必须依赖第4级和第5 例如：第3级必须依赖第4级和第5级来实现
第一章 计算机系统结构的基本概念
为什么要研究系统结构? 为什么要研究系统结构? 1.1 计算机系统结构 1.2 计算机系统设计技术 1.3 系统结构的评价标准 1.4 计算机系统结构的发展
为什么要研究系统结构
1. 提高处理机运算速度 2. 计算机性能提高的几个阶段 3. 技术与体系结构对处理机性能的贡献
IBM360系列计算机的概念性结构 系列计算机的概念性结构
主存储器 主存控制器 ＩＯＰ
打印机 卡片机 终 端
ＣＰＵ
ＩＯＰ
磁盘机 … 磁带机
功能特性:指令系统及其执行模式 功能特性 指令系统及其执行模式
数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型； 数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型； 寻址技术：编址方式、寻址方式和定位方式等； 寻址技术：编址方式、寻址方式和定位方式等； 寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、 寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存 器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等； 器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等； 指令系统：操作类型、格式，指令间的排序控制等； 指令系统：操作类型、格式，指令间的排序控制等； 中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等； 中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等； 存储系统：寻址空间、虚拟存储器、 存储器等； 存储系统：寻址空间、虚拟存储器、Cache存储器等； 存储器等 处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和目态等； 处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和目态等； 输入输出系统：数据交换方式、交换过程的控制等； 输入输出系统：数据交换方式、交换过程的控制等； 信息保护：信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。 信息保护：信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。
作用对象
观察者
对计统的层次结构 计算机系统的层次结构
计算机系统可分为7 计算机系统可分为7个层次 从学科领域来划分： 从学科领域来划分： 级和第1级属于计算机组成原理 第0级和第1级属于计算机组成原理 级属于计算机系统结构 第2级属于计算机系统结构 至第5级属于系统软件 第3至第5级属于系统软件 级属于应用软件 第6级属于应用软件 它们之间有交叉 例如： 级必须依赖第4级和第5 例如：第3级必须依赖第4级和第5级来实现
第一章 计算机系统结构的基本概念
为什么要研究系统结构? 为什么要研究系统结构? 1.1 计算机系统结构 1.2 计算机系统设计技术 1.3 系统结构的评价标准 1.4 计算机系统结构的发展
为什么要研究系统结构
1. 提高处理机运算速度 2. 计算机性能提高的几个阶段 3. 技术与体系结构对处理机性能的贡献
IBM360系列计算机的概念性结构 系列计算机的概念性结构
主存储器 主存控制器 ＩＯＰ
打印机 卡片机 终 端
ＣＰＵ
ＩＯＰ
磁盘机 … 磁带机
功能特性:指令系统及其执行模式 功能特性 指令系统及其执行模式
数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型； 数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型； 寻址技术：编址方式、寻址方式和定位方式等； 寻址技术：编址方式、寻址方式和定位方式等； 寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、 寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存 器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等； 器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等； 指令系统：操作类型、格式，指令间的排序控制等； 指令系统：操作类型、格式，指令间的排序控制等； 中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等； 中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等； 存储系统：寻址空间、虚拟存储器、 存储器等； 存储系统：寻址空间、虚拟存储器、Cache存储器等； 存储器等 处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和目态等； 处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和目态等； 输入输出系统：数据交换方式、交换过程的控制等； 输入输出系统：数据交换方式、交换过程的控制等； 信息保护：信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。 信息保护：信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。
操作系统第1章导论
电子工业出版社 机械工业出版社
4.操作系统实用教程（第二版） 操作系统实用教程（第二版） 操作系统实用教程 任爱华 王雷编著 5.操作系统原理 操作系统原理 6.计算机操作系统 计算机操作系统 何炎祥等编著 汤子瀛
清华大学出版社 科学出版社
西安电子科技大学出版社
章 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 导论
内
容
学 时 数 3 3 6 10 3 9 3 3 6
进程的描述与控制 进程的描述与控制 处理器调度 进程同步与进程通信 进程同步与进程通信 死锁 存储器管理 虚拟存储器管理 输入/ 输入/输出设备管理 文件管理 用户接口 期中考试+作业评讲+ 期中考试+作业评讲+期末复习 合 计
5 51
第1章 导
批量的自动处理-----------------监控程序 批量的自动处理-----------------监控程序 ----------------解决的问题： 解决的问题：1）作业的定序及命令的解释 内存的管理：编译、 2）内存的管理：编译、作业之间的切 换内存的分配、 换内存的分配、装入程序 设备的管理：作业的输入、 3）设备的管理：作业的输入、输出
计算机操作系统 四川大学 文 艺
Wy.2005@
参考书目: 参考书目 1.操作系统 操作系统 孟庆昌编著 电子工业出版社
2.操作系统 内核与设计原理（第四版） 操作系统---内核与设计原理 第四版） 操作系统 内核与设计原理（ 魏迎梅 王涌等译 3.现代操作系统 现代操作系统 陈向群等译
2：具有”前台“ “后台”的分时系 ：具有”前台“ 后台” 统 管理
管理 后台
作业A 作业
作业B 作业
前台 作业1 作业 作业2 作业 作业3 作业
第1章 计算机体系结构基础
对经常发生的情况采用优化方法的原则进 行选择，以得到更多的总体上的改进。 优化是指分配更多的资源、达到更高的性 能或者分配更多的电能等。
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
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)
计算机系统结构第1章 计算机系统结构的基本
2.影响：
1)不同的系统结构会使组成技术产生差异。 2)计算机组成也会影响系统结构，组成的设计， 其上取决于系统结构，其下又受限于所可以 用的实现技术。 3)计算机实现，特别是器件技术的进展构成了 计算机系统结构和组成的基础，对系统结构 有很大影响。
1.3 软硬件取舍与系统的设计思想
1.3.1软件取舍的基本原则 1.原则一：在现有的硬件和器件(主要是逻辑器
原理上，软件实现的功能完全可以用硬件或 固件实现，同样，硬件实现的功能也可以由软件
的模拟来完成，只是其性能、价格、实现的难易 程度不同而已。具有相同功能的系统，其软硬件 功能分配比例也是很宽的。而且在不同时期及同 一时期的不同机器也是在动态改变的。
计算机系统 的软、硬件 功能分配图
软 件
硬 件
只有最必 需的硬件
图1.1 计算机系统的多级层次结构
机器：并非是指真正的一台有鼠标、键盘、显
示器等的机器实体，而是指能够存贮和执行相应 语言程序的算法和数据结构的集合体，是同时存 在于计算机内的。 这样，对于会使用某一级高级语言编程的程 序员来说，只要他熟悉和遵守该级语言的规定， 所编写的程序总能在这一机器上运行，得到结果 而不用管这个机器级是如何实现的。就好像该程 序员有了可以直接使用这种语言作为机器语言的 机器一样。实际上，只有二进制机器指令即传统 所说的机器语言才与硬件直接对应，方可以被硬 件直接识别和执行。
VM2 操作系统机器M2
RM1 RM0 传统机器M1 微程序机器M0
面向应用环境，通过相应程序包 翻译成高级语言，逐层向下实现 经编译程序翻译成汇编语言或中 间语言或机器语言，再向下执行 经汇编程序翻译成机器语言，然 后在RM上实现 主要用C编写，但最终还要由机器 语言解释作业控制语句执行 用微指令程序（固件）解释机器 指令来实现 微指令直接由硬件执行
期末复习1.《计算机系统结构》重点知识总结
《计算机组成原理与结构》重要知识点第一章概论一、基本概念1.冯.诺依曼体制？存储程序方式？冯•诺依曼体制包含三个要点：（1）采用二进制代码表示信息，以便计算机识别；（2）采用存储程序工作方式，才能使计算机自动地对信息进行处理；（3）由存储器、运算器、控制器、输入/输出设备等功能部件组成计算机硬件系统。
存储程序工作方式：事先编制程序，事先存储程序，自动、连续地执行程序。
2.控制流？数据流？控制流：控制计算机工作的信息，即指令或命令。
数据流：计算机加工处理的对象，即数值和非数值数据。
传统的诺依曼机采用控制流（指令流）驱动方式：按指令序列依次读取指令，根据指令所包含的控制信息对数据进行处理，在程序执行过程中，始终由指令流驱动计算机工作。
数据流驱动方式是对传统诺依曼机工作方式的根本改变：只要数据准备好，有关指令就可并行执行，如数据流计算机。
3.模拟信号？数字信号？数字信号有哪两种？模拟信号：在时间上连续变化的电信号，用信号的某些参数模拟信息。
数字信号：在时间上或空间上断续变化的电信号，依靠彼此离散的多位信号的组合表示信息。
数字信号有两种：脉冲信号和电平信号。
脉冲信号：在时间上离散的电信号，利用脉冲的有无表示不同的状态。
电平信号：在空间上离散的电信号，利用信号电平的高低表示不同的状态。
4.总线及其组成？一组能为多个部件分时共享的公共的信息传送线路。
总线由一组传送线与相应控制逻辑构成（包括CPU内设置控制逻辑、总线控制器）。
按照传输的信息类型可分为地址总线、数据总线、控制总线。
5.接口的概念？主机与外设之间的连接逻辑，控制外设的I/O操作。
6.基本字长？一般指参加一次定点运算的操作数的位数。
7.CPU主频？时钟频率？外部频率或基频，也叫系统时钟频率。
CPU主频=外频×倍频系数；CPU主频是指CPU内核的工作频率，即CPU的时钟频率，计算机的操作在时钟信号的控制下分步执行，每个时钟信号周期完成一步操作，时钟频率的高低在很大程度上反映了CPU速度的快慢。
第1章计算机体系结构导论1
第一章计算机体系结构导论计算机体系结构是机器语言程序员看到的计算机属性，这些属性是计算机设计的基础。
本章介绍计算机体系结构的基本概念、主要特性及冯•诺依曼型计算机体系结构的改进与发展，讨论影响计算机体系结构发展的主要因素、计算机体系结构并行性发展的技术途径和实现并行处理的历程，阐述计算机体系结构、多机系统和多处理机系统的分类，分析计算机系统结构设计和量化分析的基本方法。
1.1 计算机体系结构的基本概念【问题小贴士】①对于一台汽车，任何使用者所看到的其功能及功能实现操作都是一样的；对于一台计算机(系统)，不同使用者所看到的其功能及功能实现操作是一样吗？以应用软件的开发者与使用者为例进行比较，对此应该引入哪些概念去理解呢？②建筑物设计可分为规划设计、土建设计和施工设计等三个层次，计算机(硬件)设计分为哪些层次呢？每个层次需要赋予哪些属性或完成哪些工作呢？③应用PC机开发的软件可以在ARM机上运行吗？如果不可以，怎样去实现呢？对此对计算机软硬有什么要求呢？1.1.1 影响计算机(硬件)性能提高的根本因素计算机在七十多年的发展历程中，可分为两个发展时期。
前三十多年为器件更新换代期，以逻辑器件设计为主体，通过器件个体性能的提高来提高计算机整体性能。
后三十多年为器件组织改进期，以逻辑器件组织为主体，通过器件组合性能的提高来提高计算机整体性能。
当然，器件更新一定促进器件组织的改进；器件组织一定程度上依赖于器件更新。
所以，影响计算机(硬件)性能提高的根本因素为器件更新与器件组织。
1. 器件更新是计算机(硬件)换代的基本标志自1946年第一台电子计算机问世以来，以器件更新为标志，计算机经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模超大规模集成电路等四代演变过程。
由于器件的发展及其性能提高，使得计算机在体积、重量、速度、可靠性、稳定性等方面得到极大改善，价格也不断降低。
器件是推动计算机发展的物质基础，器件设计制造的发展，为计算机发展提供必不可少的技术保障。
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计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
2. 计算机系统结构、计算机组成与实现
计算机系统结构：
（Computer Architecture）也称为计算机体系结构，经典
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，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
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
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。
同时性 ：
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。
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
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。 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 能和效率。
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
2. 并行性等级
（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 ④ 指令、任务、作业并行
由于0≤Fe≤1，Se≥1，故Sn≥1。可见性能的提高幅度受改 进部分所占比例Fe的限制。即使改进部分的改进效果非常好， 有Se→∞，可得Sn=1/(1-Fe)，整个系统的性能提高的程序受Fe 的限制。
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
【例1.3】 如果FP指令的比例为25%，其
中，FPSQR占全部指令的比例为2%，FP操
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
CU：控制部件 PU：处理部件 MM：存储器模块 IS：指令流 DS：数据流 图1.4 Flynn分类法各类机器结构
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
1.2 计算机性能评测基础
计算机性能 ：
通常是指计算机的工作速度，它是程序 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， 而且与程序和算法有关。
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。
计算机的器件 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
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
1.1.1 计算机系统的层次结构
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，每一层以一种不同的 语言为特征。
同样可计算出方案B的加速比SB = CPI /CPIB = 2 / 1.5 = 1.33。从加速比来看，也可得出方案B优 于方案A的结论。
计算机系统结构（第二版）
华中科技大学出版社
3. MIPS和MFLOPS
MIPS ： 表示每秒百万指令条数。对于一个给定 的程序，MIPS定义为
MIPS 指令条数 执行时间 10
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。
向上（下）兼容是指在某档机器上编制的程序可不加修改 地运行于比它高（低）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 改地运行于在它之前（后）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。
统一高级语言 采用系列机
模拟和仿真等。
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现技术 系列机：
的一系列不同型号的机器。
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，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。
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
3. 计算机系统结构的分类
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，包括输入数据和中 数据流 ：
间结果。
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。 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: 单指令流单数据流（SISD）体系结构 单指令流多数据流（SIMD）体系结构 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
硬件维护员 设计员
逻辑线路 内核
实现机器指 定功能的中 央控制部分
硬联逻辑
计算机系统结构（第二版）
华中科技大学出版社
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
CPI = CPU时钟周期数 / IC
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
可重写CPU时间表达式为
CPU时间 = ( IC × CPI ) / 时钟频率
上式表明，CPU的性能取决于3个因素： 时钟频率，时钟频率取决于硬件技术和组 织。
机器指令的平均时钟周期数CPI，CPI 取 决于系统结构及其指令集的设计与实现。 程序使用的指令条数IC，IC取决于系统结 构的指令集和编译技术。
比，那么，改进前不被改进部分的执行时间相对T0的百分比
为1-Fe。ห้องสมุดไป่ตู้外，用Se表示可被改进部分改进前执行时间对改 进后执行时间的比值，即被改进部分改进后的速度提高倍数。
可以用Fe和Se表示Tn为
Tn=T0(1-Fe)+T0Fe/Se=T0(1-Fe+Fe/Se)
可得改进后整个系统的加速比Sn为
1 S n T0 / Tn (1 Fe ) Fe / S e
1. 发展计算机系统并行性的技术途径
可以通过3类技术途径来提高计算机系统的并行 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，让多个处
理过程在处理时间上错开，轮流重叠地使用同一套硬件设
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，通过重复
作的CPI为4，FPSQR操作的CPI为20，其他
指令的平均CPI为1.33。现有两种改进方案，
一种是把FPSQR操作的CPI减至2，另一种是
把所有的FP操作的CPI减至2，试比较两种方
案对系统性能的提高程度。
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
解：没有改进之前，系统的指令平均时钟周期
CPI为
2. 性能评测的分级
计算机性能的评测可以划分为机器级、算法级和 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；存储
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 格比等。 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
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
采用方案B，如果使所有FP操作的平均时钟 周期数由CPIFP=4降至 CPI FP 2 ，那么，整个 系统的指令平均时钟周期数为
CPI B CPI (CPI FP CPI FP ) 25% 2 (4 2) 25% 1.5
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
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
计算机系统的各种性能。
计算机系统结构（第二版） 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
一个程序在计算机上运行，花费的CPU时间 为CPU的时钟周期与该程序所有机器指令使用 CPU的时钟周期数的乘积，即 CPU时间 = CPU时钟周期数 × 时钟周期 或 CPU时间 = CPU时钟周期数 / 时钟频率 若程序使用的指令条数用IC表示，那么，指 令的平均时钟周期数CPI为
华中科技大学出版社
计算机系统结构（第二版）
若指令 i 在程序中执行的次数为Ii，指令 i 所需的时钟周期数为CPIi ，那么，指令的平均时 钟周期数 CPI 为
Ii CPI ( CPI i I i ) / IC (CPI i ) IC i 1 i 1
其中，Ii / IC表示指令i在程序所使用的指 令条数中所占的比例，称为指令 i 的使用频度。
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
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
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
计算机系统结构（第二版）
华中科技大学出版社 华中科技大学出版社
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
计算机系统结构（第二版）
华中科技大学出版社
第1章 计算机系统结构导论
计算机系统结构（第二版）
华中科技大学出版社
1.1 计算机系统结构的基本概念
Ii CPI (CPI i ) IC i 1 (4 25%) (1.33 75%) 2
2. 计算机系统结构、计算机组成与实现
计算机系统结构：
（Computer Architecture）也称为计算机体系结构，经典
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，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
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
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。
同时性 ：
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。
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
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。 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 能和效率。
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
2. 并行性等级
（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 ④ 指令、任务、作业并行
由于0≤Fe≤1，Se≥1，故Sn≥1。可见性能的提高幅度受改 进部分所占比例Fe的限制。即使改进部分的改进效果非常好， 有Se→∞，可得Sn=1/(1-Fe)，整个系统的性能提高的程序受Fe 的限制。
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【例1.3】 如果FP指令的比例为25%，其
中，FPSQR占全部指令的比例为2%，FP操
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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 图1.4 Flynn分类法各类机器结构
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
1.2 计算机性能评测基础
计算机性能 ：
通常是指计算机的工作速度，它是程序 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， 而且与程序和算法有关。
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。
计算机的器件 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
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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，可将通用计算机系 统划分成多级层次结构，每一层以一种不同的 语言为特征。
同样可计算出方案B的加速比SB = CPI /CPIB = 2 / 1.5 = 1.33。从加速比来看，也可得出方案B优 于方案A的结论。
计算机系统结构（第二版）
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3. MIPS和MFLOPS
MIPS ： 表示每秒百万指令条数。对于一个给定 的程序，MIPS定义为
MIPS 指令条数 执行时间 10
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。
向上（下）兼容是指在某档机器上编制的程序可不加修改 地运行于比它高（低）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 改地运行于在它之前（后）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。
统一高级语言 采用系列机
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 系列机：
的一系列不同型号的机器。
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，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。
计算机系统结构（第二版） 华中科技大学出版社
3. 计算机系统结构的分类
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，包括输入数据和中 数据流 ：
间结果。
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。 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: 单指令流单数据流（SISD）体系结构 单指令流多数据流（SIMD）体系结构 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
硬件维护员 设计员
逻辑线路 内核
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
CPI = CPU时钟周期数 / IC
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可重写CPU时间表达式为
CPU时间 = ( IC × CPI ) / 时钟频率
上式表明，CPU的性能取决于3个因素： 时钟频率，时钟频率取决于硬件技术和组 织。
机器指令的平均时钟周期数CPI，CPI 取 决于系统结构及其指令集的设计与实现。 程序使用的指令条数IC，IC取决于系统结 构的指令集和编译技术。
比，那么，改进前不被改进部分的执行时间相对T0的百分比
为1-Fe。ห้องสมุดไป่ตู้外，用Se表示可被改进部分改进前执行时间对改 进后执行时间的比值，即被改进部分改进后的速度提高倍数。
可以用Fe和Se表示Tn为
Tn=T0(1-Fe)+T0Fe/Se=T0(1-Fe+Fe/Se)
可得改进后整个系统的加速比Sn为
1 S n T0 / Tn (1 Fe ) Fe / S e
1. 发展计算机系统并行性的技术途径
可以通过3类技术途径来提高计算机系统的并行 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，让多个处
理过程在处理时间上错开，轮流重叠地使用同一套硬件设
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，通过重复
作的CPI为4，FPSQR操作的CPI为20，其他
指令的平均CPI为1.33。现有两种改进方案，
一种是把FPSQR操作的CPI减至2，另一种是
把所有的FP操作的CPI减至2，试比较两种方
案对系统性能的提高程度。
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解：没有改进之前，系统的指令平均时钟周期
CPI为
2. 性能评测的分级
计算机性能的评测可以划分为机器级、算法级和 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；存储
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 格比等。 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
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采用方案B，如果使所有FP操作的平均时钟 周期数由CPIFP=4降至 CPI FP 2 ，那么，整个 系统的指令平均时钟周期数为
CPI B CPI (CPI FP CPI FP ) 25% 2 (4 2) 25% 1.5
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
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
计算机系统的各种性能。
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1.2.2 计算机的基本性能指标
1. 单CPU性能
一个程序在计算机上运行，花费的CPU时间 为CPU的时钟周期与该程序所有机器指令使用 CPU的时钟周期数的乘积，即 CPU时间 = CPU时钟周期数 × 时钟周期 或 CPU时间 = CPU时钟周期数 / 时钟频率 若程序使用的指令条数用IC表示，那么，指 令的平均时钟周期数CPI为
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计算机系统结构（第二版）
若指令 i 在程序中执行的次数为Ii，指令 i 所需的时钟周期数为CPIi ，那么，指令的平均时 钟周期数 CPI 为
Ii CPI ( CPI i I i ) / IC (CPI i ) IC i 1 i 1
其中，Ii / IC表示指令i在程序所使用的指 令条数中所占的比例，称为指令 i 的使用频度。
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
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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
计算机系统结构（第二版）
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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
计算机系统结构（第二版）
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第1章 计算机系统结构导论
计算机系统结构（第二版）
华中科技大学出版社
1.1 计算机系统结构的基本概念
Ii CPI (CPI i ) IC i 1 (4 25%) (1.33 75%) 2