计算机系统结构第一章(李学干版)
计算机系统结构李学干版+习题答案
1- 1 如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。
每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。
若执行第1级的一条指令需K ns时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需要多少时间？答：执行第2、3、4级的一条指令各需KN ns、(N*N)*K ns、(N*N*N)*K ns的时间。
1- 2 操作系统机器级的某些指令就用传统机器级的指令，这些指令可以用微程序直接解释实现，而不必有操作系统自己来实现。
更具你对1- 1题的回答，你认为这样做有哪些好处？答：这样做，可以加快操作系统中操作命令解释的速度，同时也节省了存放解释操作命令这部分解释程序所占的存储空间，简化了操作系统机器级的设计，也有利于减少传统机器级的指令条数。
1- 3 有一个计算机系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。
现若需第i级的N条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？答：第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。
第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。
第4级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。
1- 4 硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。
答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。
但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。
例如，编译程序、操作系统等许多用机器语言软件子程序实现的功能完全可以用组合电路硬件或微程序固件来解释实现。
它们的差别只是软件实现的速度慢，软件的编制复杂，编程工作量大，程序所占的存储空间量较多，这些都是不利的；但是，这样所用硬件少，硬件实现上也就因此而简单容易，硬件的成本低，解题的灵活性和适应性较好，这些都是有利的。
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
计算机系统结构习题答案(李学干)
计算机系统结构习题解答第一章习题一1.2一台经解释实现的计算机，可以按照功能划分成4级。
每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。
若执行第1级的一条指令需K纳秒时间，那么执行第2、3、4级的一条指令个需要多少时间？解：①分析：计算机按功能分级时，最底层的为第1级。
向上一次是第2 、3、4级。
解释执行是在低级机器级上，用它的一串指令或语句来解释执行高一级上的一条指令的功能。
是逐条解释的。
②解答：执行第2、3、4级的一条指令各需KNns,KN2ns,KN3ns的时间。
1.3操作系统机器级的某些指令就用传统机器级的指令，这些指令可以用微程序直接实现，而不由操作系统自己来实现。
根据你对习题1.2的回答，你认为这样做有哪两个好处？答：可以加快操作系统操作命令解释的速度。
同时也节省了存放解释操作命令这部分解释程序所占用的空间。
简化了操作系统机器级的设计。
也有利于减少传统机器级的指令条数。
1.5硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上是不等效的？试举例说明。
答：硬件和软件在逻辑意义上是等效的。
在物理意义上是不等效的。
①在原理上，用硬件或固件实现的功能完全可以用软件来完成。
用软件实现的功能也可以用硬件或固件来完成。
功能一样。
②只是反映在速度、价格、实现的难易程度上，这两者是不同的。
性能不同。
③例如，浮点运算在80386以前一直是用软件实现的。
到了80486，将浮点运算器集成到了CPU中，可以直接通过浮点运算指令用硬件实现。
但速度却高的多。
1.9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？系列机各档不同的数据通路宽度；虚拟存储器；Cache存储器；程序状态字；“启动I/O”指令；“执行”指令；指令缓冲器。
答：①对系统程序员和应用程序员均透明的：是全用硬件实现的计算机组成所包含的方面。
有：数据通路宽度、Cache存储器、指令缓冲器。
②仅对应用程序员透明的：是一些软硬件结合实现的功能。
有：虚拟存储器、程序状态字、“启动I/O”指令。
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 -。
计算机系统结构(课后习题答案)
第一章计算机系统结构的基本概念1.有一个计算机系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i—1级的M条指令的计算量。
现若需第i级的N 条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？答: 第2级上等效程序需运行：（N/M)*Ks。
第3级上等效程序需运行：（N/M）＊(N/M）*Ks。
第4级上等效程序需运行：（N/M)＊(N/M)＊（N/M）＊Ks。
note: 由题意可知：第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。
而现在第i 级有N条指令解释第i+1级的一条指令,那么,我们就可以用N/M来表示N/M 表示第i+1级需（N/M)条指令来完成第i级的计算量。
所以，当有一段第1级的程序需要运行Ks时，在第2级就需要(N/M）Ks，以此类推2。
硬件和软件在什么意义上是等效的?在什么意义上又是不等效的?试举例说明。
答: 软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上,软件的功能可用硬件或固件完成,硬件的功能也可用软件模拟完成。
但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。
在DOS操作系统时代，汉字系统是一个重要问题,早期的汉字系统的字库和处理程序都固化在汉卡(硬件）上,而随着CPU、硬盘、内存技术的不断发展,UCDOS把汉字系统的所有组成部份做成一个软件。
3。
试以实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系与影响.答: 计算机系统结构、计算机组成、计算机实现互不相同，但又相互影响。
（1）计算机的系统结构相同，但可采用不同的组成.如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。
从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设4级构成。
其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式.（2）相同的组成可有多种不同的实现。
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）
计算机系统结构李学干课后标准答案
计算机系统结构李学干课后答案【篇一:计算机系统结构李学干版+习题答案】级。
每一级为了执行一条指令需要下一级的n条指令解释。
若执行第1级的一条指令需k ns时间，那么执行第２、3、４级的一条指令各需要多少时间？答:执行第2、3、４级的一条指令各需kn ns、(ｎ*n）*k ns、(ｎ*n*n)*ｋ ns的时间。
１－２操作系统机器级的某些指令就用传统机器级的指令,这些指令可以用微程序直接解释实现，而不必有操作系统自己来实现。
更具你对1- 1题的回答，你认为这样做有哪些好处？答:这样做,可以加快操作系统中操作命令解释的速度,同时也节省了存放解释操作命令这部分解释程序所占的存储空间，简化了操作系统机器级的设计,也有利于减少传统机器级的指令条数。
1- ３有一个计算机系统可按功能分成４级,每级的指令互不相同,每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强ｍ倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的m条指令的计算量。
现若需第i级的n条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行ks，问在第2、3和４级上一段等效程序各需要运行多长时间?答：第２级上等效程序需运行:(n/m)*ks。
第3级上等效程序需运行：(n／m)*(ｎ/ｍ）*ｋｓ。
第4级上等效程序需运行:(n/ｍ)*（n/m）*(n ／ｍ)*ks。
1－ 4硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。
答:软件和硬件在逻辑功能上是等效的,原理上，软件的功能可用硬件或固件完成,硬件的功能也可用软件模拟完成。
但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。
例如,编译程序、操作系统等许多用机器语言软件子程序实现的功能完全可以用组合电路硬件或微程序固件来解释实现。
它们的差别只是软件实现的速度慢,软件的编制复杂,编程工作量大，程序所占的存储空间量较多，这些都是不利的；但是,这样所用硬件少，硬件实现上也就因此而简单容易,硬件的成本低，解题的灵活性和适应性较好,这些都是有利的。
计算机系统结构
计算机系统结构
1.5 并行性发展及计算机系统的分类
一、并行性含义 研究改进计算机系统结构的一个主要方面是如何开发出并行性。 并行性是指问题中具有可同时进行运算或操作的特性。 开发并行性的目的是为了能予以并行处理，以提高解题效率。 并行性包括同时性和并发性。 两个或多个事件在同一时刻发生属于同时性。 在同一时间间隔内发生则属于并发性。
例：主存操作数相关处理 通用寄存器相关处理 全局性相关的转移预测法处理
5.4 指令级高度并行的超级处理机
超标量处理机 超长指令字处理机 超流水线处理机 超标量超流水线处理机 超级计算机
Flynn分类已不适用于对现代非控制流计算机系统的分类。因此，还可以从对执行 程序或指令的控制方式上，将计算机系统分为由控制驱动的控制流方式，由数据 驱动的数据流方式，按需求驱动的归约方式，由模式驱动的匹配方式等。
5.2 流水方式
一、基本概念 1、流水技术
流水是把指令执行分成多个子过程，让相邻指令的执行在时间上错开重叠。
按流水线具有功能的多少，将流水线分成单功能的和多功能的两类。单功能 流水线指的是流水线内各段固定连接，只能完成单一的一种功能。多功能流水线 指的是流水线中各个段可以有多种不同的连接，以实现多种不同的功能。 在多功能流水线的基础上，流水线又有静态和动态之分。静态流水线指的是 在流水线内各个段于同一时间里只能按其中的一种功能流水，只有等各个段全部 空闲后，才能切换成按另一种功能的连接来流水。静态流水线要求编译生成的目 的指令串应尽可能调整成都是同一种功能，之后才是另一种功能的指令串。动态 流水线的各个段可以同时为不同的功能服务。相比而言，动态流水的控制较静态 流水的要复杂些。静态流水是把功能负担加到软件调整上，动态流水则是把功能 负担加到硬件控制上。 静态、动态流水线
计算机体系结构学习指导
计算机体系结构学习指导《计算机体系结构》学习指导温东新课程名称：计算机体系结构英⽂名称：COMPUTER ARCHITECTURE开课院系：远程教育学院开课学时：50学分：3授课对象：远程教育学院专升本计算机科学与技术专业学⽣⼀、教学⽬的与课程性质、任务。
教学⽬的：通过本课程的学习，能够帮助学⽣建⽴计算机系统的整体概念，树⽴按最合理的软硬件功能分配原则去设计开发计算机系统的思想，为今后学习并⾏计算机系统结构打下基础。
计算机体系结构课程是计算机科学与技术专业本科教学中⼀门重要的技术专业课。
计算机体系结构课程学习的主要任务是计算机体系结构的基本概念，基本原理，基本结构和基本分析⽅法，还应该清楚认识到涉及操作系统，程序语⾔及其编译，数据结构等内容与计算机体系结构的相互影响和相互促进。
⼆、教学要求该课程开设位于整个本科教学的后期，课程的教学不仅讲授计算机体系结构的基本概念，基本原理，基本结构，和基本分析⽅法，还要在教学过程中将原学习过的专业课结合起来，例如操作系统，程序设计语⾔及其编译，数据结构等内容与本课程结合起来，使学⽣清楚它们与计算机体系结构的相互影响和相互作⽤。
在教学环节上，对学⽣的学习提出“掌握”和“了解”两个层次上要求，所谓“掌握”，是指学⽣在课后，必须能将所学内容⾃⼰理解并解决实际问题，这是将所学知识熟练应⽤到实践中的基础。
所谓“了解”，是要求学⽣对所学内容有初步的认知，在遇到相关问题时要求能够辨识。
教学以课堂讲授为主，辅之以POWERPOINT⽅式。
三、教学进度表四、教学内容与讲授⽅法五、课程的重点、思考题第⼀章绪论本章学习重点：1、计算机系统层次结构组成，计算机系统结构,组成实现的定义和相互关系，2、软件硬件取舍原则及设计⽅法，软件移植⼿段3、应⽤与器件对体系结构的影响，并⾏性的分类与发展，计算机系统分类本章思考题：1、名词解释：翻译解释层次结构解释程序计算机系统结构固件⼯程软件兼容模拟仿真时间重叠资源共享同构型处理机异构型多处理机2、如有⼀个经解释实现的计算机，可以按功能划分4级，每⼀级为了执⾏⼀条指令需要下⼀条的N条指令解释。
《计算机系统结构》第1章计算机设计基本原理
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)
计算机系统结构基础知识PPT课件
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。
计算机系统结构第1章部分习题参考答案
第1章部分习题参考答案1.1 解释下列术语⏹翻译：先用转换程序将上一级机器级上的程序整个地变换成下一级机器级上可运行的等效程序，然后再在下一级机器级上去实现的技术。
⏹解释：在下一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真上一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过对上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。
⏹层次结构：将计算机系统由上往下依次划分为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器级和微程序机器级。
对于一个具体的计算机系统，层次的多少会有所不同。
⏹计算机系统结构：传统机器级的程序员所看到计算机的基本属性，即计算机的概念性结构和功能特性。
简称为计算机的外特性。
⏹计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，也常称为计算机组织。
该组织包括机器级内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。
它包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度、速度和信号，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术。
⏹透明性：本来存在的事物或属性，但从某个角度看似乎不存在，称为透明性现象。
⏹固件：是一种具有软件功能的硬件。
如将软件固化在ROM中，就是一种固件。
⏹由上往下设计：先考虑如何满足应用要求，确定好面对使用者那级机器应有什么基本功能和特性，然后再逐级往下设计，每级都考虑怎样优化上一级实现。
这种方法适合于专用机设计。
⏹由下往上设计：根据现有的部件，并参照或吸收已有各种机器的特点，先设计出微程序机器级（如果采用微程序控制）及传统机器级，然后再为不同应用配置多种操作系统和编译系统软件，采用合适的算法来满足相应的应用。
这是20世纪60-70年代前常用的通用机设计思路。
⏹系列机：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的机器。
⏹软件兼容：同一软件可以不加修改地运行于系统结构相同的不同档次的机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只是运行时间不同。
第1章-计算机系统结构(第五版)李学干【可编辑全文】
3.
1) 系列机只能在系统结构相同或相近(允许向后稍许发展) 的机器之间实现汇编语言软件的移植。 要求原来在B机器上运行的应用软件，能移植到有不同 系统结构的A机器上，根据层次结构概念，可把B机器的机器 语言看成是在A机器的机器语言级之上的一个虚拟机器语 言，在A机器上用虚拟机概念来实现B机器的指令系统，如图 1 - 6所示。
图 1-6 用模拟方法实现应用软件的移植
如果能直接用微程序去解释B机器的指令，如图1 - 7所 示，显然就会加快这一解释过程。
仿真和模拟的主要区别在于解释用的语言。仿真是用微 程序解释，其解释程序存在于控制存储器中; 而模拟是用机 器语言程序解释，其解释程序存在于主存中。
3) 不同系列间的软件移植一般是仿真和模拟并行。
TCPUICCPI1fc
假设系统共有n种指令，第i种指令的时钟周期数为 CPIi，第i种指令在程序中出现的次数为Ii，则
TCP U i n1 (CP iIIi)1 fc
这样
n
CP Ii1CIC P iIi i n1CP iIIIiC
为了反映程序的运行速度，通常引入如下一些定量指
(1) MIPS(Million Instructions Per Second，百万条指令 数每秒)
1 MFLOPS≈3 MIPS
2. 在设计计算机系统时，一般应遵循如下的定量设计原
理：
(1) 哈夫曼(Huffman)压缩原理。 (2) Amdahl定律。 性能可改进比fnew是系统性能可改进部分占用的时间与未 改进时系统总执行时间的比值，显然，0≤fnew≤1。部件加速 比rnew是系统性能可改进部分在改进后性能提高的比值。不 难看出，rnew＞1
1.1 计算机系统的层次结构 1.2 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现 1.3 计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定量设计原理 1.4 软件、应用、器件的发展对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类 1.6 本章小结
计算机系统结构ar1-
程序员看到的系统属性 ：
中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方 式等；
存储系统：最小编址单位、编址方式、主存容 量、最大寻址空间等；
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：连接方式、数据交换方式、数 据交换过程的控制等；
信息保护：包括信息保护方式和硬件对信息保 护的支持等。
解：
指令执行速度的几种平均方法
（1）指令执行速度MIPS又称为算术平均速度； （2）等效指令执行速度又称为加权平均速度，
或调和平均速度； （3）几何平均速度：
ETR(execution time ratio)，n 指不同的程序， 几何平均速度与机器无关，与程序的执行时 间无关。
4. 核心程序法
结构、组成与实现三者的关系越来越模糊
图示：
系统结构：IS、编译、对软件的支持；
逻辑映射
广泛采用组成技术
组成受制于结构和实现技术：
物理实现 组成影响系统结构的发展
实现技术是基础：推动了系统结构的发展
1.3计算机系统的评价标准： 性能和价格
1. 时钟频率（主频）：用于同类处理机之间 如：PentiumⅡ/450 比 PentiumⅡ/300快50
☆ Computer architecture refers to those attributes of a system visible to a programmer ,or,put another way , those attributes that have a direct impact on the logical execution of a program.
以软件实现的机器称为虚拟机
从学科领域来划分
计算机系统结构 李学干
计算机系统结构概述计算机系统结构是指计算机硬件和软件组件之间的关系和组织方式。
在软件和硬件之间有多个层次的相互作用和依存关系，这些层次的组织方式称为计算机系统结构。
计算机系统结构是计算机科学中非常重要的一个领域，它涉及到计算机硬件设计、指令集架构、操作系统以及应用软件等方面。
计算机系统结构的组成计算机系统结构由以下几个主要组成部分组成：1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机系统的核心，负责执行指令并处理数据。
它包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（Control Unit）和寄存器（Registers）等部分。
ALU负责执行算术和逻辑运算，控制单元负责控制指令的执行，而寄存器用于暂存数据。
2. 存储器存储器用于存储程序和数据。
计算机系统通常包括主存储器（主存）和辅助存储器（辅存）。
主存储器是CPU直接访问的存储器，而辅助存储器用于长期存储大量的数据和程序。
3. 输入输出（I/O）输入输出设备用于与外部世界进行数据的输入和输出。
常见的输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
计算机系统利用输入输出设备与用户进行交互，并将结果输出到显示器或打印机等设备上。
4. 总线总线是计算机系统中各个组件之间进行数据传输的通道。
它分为数据总线、总线和控制总线。
数据总线负责传输数据，总线负责传输，控制总线负责传输控制信号。
5. 指令集架构指令集架构是计算机硬件和软件之间的接口，定义了计算机能够执行的指令和操作。
常见的指令集架构包括xARM等。
不同的指令集架构决定了计算机的性能和可移植性。
计算机系统结构的设计原则设计计算机系统结构时需要遵循一些重要的原则，以保证系统的可靠性和性能。
1. 层次化原则计算机系统结构应该采用分层结构，将复杂的系统划分为若干层次，每个层次负责不同的功能。
这样可以提高系统的可维护性和可扩展性。
2. 模块化原则计算机系统应该由多个独立的模块组成，每个模块负责完成一定的功能。
这样可以提高系统的可测试性和可重用性。
-计算机系统结构(版)李学干
形，其处理单元阵列结构如图6 - 7所示。
第6章 向量处理机
图 6-7 ILLIAC Ⅳ处理单元的互连结构
第6章 向量处理机
6.2.3 ILLIAC Ⅳ
1.
阵列处理机解决矩阵加是最简单的一维情况。两个8×8 的矩阵A、B相加，所得的结果矩阵C也是一个8×8的矩阵。
7
cij aik bkj
k 1
其中，0≤i≤7且0≤j≤7
第6章 向量处理机
让J=0~7各部分同时在PE0~PE7上运算，这样只需K、I二 重循环，速度可提高为原来的8倍，即只需64次乘、加时间。 其程序流程图如图6 - 9所示。
第6章 向量处理机
图 6-9 矩阵乘程序执行流程图
第6章 向量处理机
第6章 向量处理机
图 6-6 具有集中式共享存储器的阵列处理机构形
第6章 向量处理机
2. 阵列处理机的单指令流多数据流处理方式和由它产生的 特殊结构是以诸如有限差分、矩阵、信号处理、线性规划等 一系列计算问题为背景发展起来的。
第6章 向量处理机
6.2.2 ILLIAC Ⅳ
由于阵列处理机上的并的计算过程
第6章 向量处理机
6.3
6.3.1
SIMD
在SIMD计算机中，无论是处理单元之间，还是处理单
元与存储分体之间，都要通过互连网络进行信息交换。
第6章 向量处理机
6.3.2
在确定PE之间通信的互连网络时，需要对操作方式、
循环互连网络的模型如图6 - 12所示。
编号只在右起第i位(i=0，1，2)上0、1互反，其余各位代码都
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确定数据通路的宽度
确定专用部件的设置
确定各种操作对功能部件的共享程度
确定功能部件的并行度 确定控制机构的组成方式
设计缓冲和排队策略
设计预估、预判技术 设计采用何种可靠性技术
计算机系统的实现
计算机实现是指计算机组成的物理实现， 包括： 处理机、主存储器等部件的物理结构 器件的集成度和速度 专用器件的设计
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，实际包括了系统结构和组 成两个方面的内容。
计算机系统结构、计算机组成和计算机实现 是三个不同的概念，但随着技术、器件和应 用的发展，三者之间的界限越来越模糊。
*在不同时期，系统结构、组成和实现所包含的内容会有所不 同。在某些计算机系统中作为系统结构的内容，在另一些计 算机系统中可能是组成和实现的内容。
功 能 配 比 /%
只有最必 需的硬件
程序不可 编
采用何种方式实现，应在满足应用的前提下，主要看 能否充分利用硬件、器件技术的进展，使系统有高的性能 价格比(对某种类型专用机除外)。 设计原则： 原则1：应考虑在现有硬件、器件（主要是逻辑器件和存储 器件）条件下，系统要有高的性价比，主要从实现费用、 速度和其他性能要求来综合考虑。
第4级:汇编语言机器 程序员使用计算机 第5级:高级语言机器 非程序员使用计算机 第 6级:应用语言机器
从学科领域来划分 第0和第1级属于计算机组成与系统结构 第3至第5级是系统软件 第6级是应用软件
它们之间仍有交叉 第0级要求一定的数字逻辑基础 第2级涉及汇编语言程序设计的内容 第3级与计算机系统结构密切相关。 在特殊的计算机系统中算机系统的性能评测及定量设计原理
1计算机系统性能评测
计算机系统的性能指标，主要取决于计算机的本质属性， 即时空属性。各项指标都围绕着它的本质属性来定义。其中， 在系统上程序实际运行的时间是衡量计算机速度性能的最可 靠标准。 计算机的性能通常用峰值性能及持续性能来评价。峰值 性能是指在理想状态下计算机系统可获得的最高理论性能， 不能反映出系统的实际性能。实际性能又称持续性能，它往 往只是峰值性能的5%~30%。 持续性能的表示有算术性能平均值、调和性能平均值和 几何性能平均值等。
高级程序员看到的是：软件子系统和固件子系统的属 性，包括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、 网络软件等用户界面。
程序设计者：使指为机器语言或编译程序设计者所看到的 属性：数据表示、寻址方式、寄存器定义、数据和使用 方式、指令系统、中断系统、机器工作状态的切换，输 入和输出结构传送方式等。不包括基本：数据论、控制 论、逻辑设计和物理实现等。 具体的属性如下： 数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式； 寻址方式：最小寻址单位、寻址方式的种类和地址运算等； 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； 指令系统：机器指令的操作类型、格式，指令间的排序和 控制机制等；
现代计算机是通过执行指令来解决问题的 由软件和硬件两大部分组成 程序的执行，一种方式是翻译translation 另一种方式是解释interpretation 把以软件为主实现的机器，称为虚拟机器 把由硬件和固件实现的机器称为实际机器
1. 虚拟机概念
从不同角度所看到的计算机系统的属性 是不同的，包括： 高级语言程序员、汇编语言程序员、系 统管理员、硬件设计者 大部分人对计算机的认识只需要在某一 个层次上
器件、模块、插件、底版的划分与连接 信号传输技术 电源、冷却及装配技术，相关制造工艺 及技术等
计算机系统结构、组成和实现互不相同，但 又相互影响。
相同结构的计算机，可以采用不同的组成； 同一种组成可以不同的实现方式； 计算机实现是计算机系统结构和计算机组成的基础，其技术 的发展对计算机系统结构有着很大的影响； 结构不同，采用的组成就不同； 组成不同也会影响结构的不同；
实现费用主要包括设计费用和重复生产费用。 假设某功能的软、硬件实现的每次设计费用分别为Ds和Dh，由于硬件的 设计费用远高于软件的设计费用。所以，不妨设Dh ≈100Ds 同理，设软、硬件的单次重复生产费用分别为Ms， Mh ，且不妨设Mh ≈100Ms， 硬件一般只需要设计1次，而软件实现则需要重复多次，设C为重复次 数，则该功能软件实现的设计费用为C× Ds，同一功能软件在存储介质 上可能多次复制和存储，设出现了R次，则重复生产费用为R × Ms
学习目的
建立计算机系统的完整概念 学习计算机系统的分析方法和设计方法 掌握新型计算机系统的基本结构及其工 作原理
与其他课程的交叉
主要包括：计算机组成原理、计算机操作系 统、汇编语言、数据结构、微机原理、高 级语言等 新内容：超标量处理机、超流水线处理机、 向量处理机、并行处理机、多处理机等 交叉点内容：提高，建立完整概念
原则2：要考虑准备采用和可能采用的组成技术，使之尽可 能不要过多或不合理的限制各种组成、实现技术的采用。 原则3：不能仅从“硬”的角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进展，还应从“软”的角度 把如何为编译和操作系统的实现以及如何为高级语言程序 的设计提供更多、更好的硬件支持放在首位。
中断系统：中断类型、中断级别和中断响应 方式等； 存储系统：最小编址单位、编址方式、主存 容量、最大寻址空间等； 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：连接方式、数据交换方式、 数据交换过程的控制等； 信息保护：包括信息保护方式和硬件对信息 保护的支持等。
2. 透明性概念
主存容量和编址方式（按位、按字节还是按字访 问）属于计算机系统结构研究的范畴；为达到性能、 价格要求、主存速度要求、逻辑结构设计属于计算 机组成研究的范畴；主存器件的选定、逻辑设计、 微组装技术的使用属于计算机实现研究的范畴；
1.3计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定 量设计原理
1.3.1软、硬件取舍的基本原则
本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不 存在,即: – 确定存在 – 用户无法控制和设置 例如：浮点数表示、乘法指令 对高级语言程序员、应用程序员透明 对汇编语言程序员、机器语言程序员 不透 明 例如：数据总线宽度、微程序 对汇编语言程序员、机器语言程序员 透明 对硬件设计者、计算机维修人员不透明
3. 定义二：计算机系统结构主要研究软 硬件功能分配和对软硬件界面的确定
计算机系统由软件、硬件和固器组成， 它们在功能上是同等的。 同一种功能可以用硬件实现，也可以用 软件或固件实现。 不同的组成只是性能和价格不同。
1.1.3计算机组成与实现
计算机组成(CoMputer Organization)指的是计算 机系统结构的逻辑实现， 包括机器级内的数据流 和控制流的组成以及逻辑设计等。 一般计算机组成设计包括：
*系统结构设计不要对组成,实现有过多和不合理限制.
*组成设计应在系统结构指导下,以目前可实现技术为基础.
*实现应在组成的逻辑结构指导下,以目前器件技术为基础,以 性能价格比优化为目标.
例1-2
指令系统的确定属于计算机系统结构研究的范畴； 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、运算等的操作安排和排序属于计 算机组成研究的范畴；实现这些指令功能的具体电 路、器件的设计及装配技术属于计算机实现研究的 范畴； 确定指令系统中是否要设乘法指令属于计算机系 统结构研究的范畴；乘法指令是用专门的高速乘法 器实现，还是利用加法器和移位器经一连串时序信 号控制来实现属于计算机组成研究的范畴；乘法器、 加法器、移位器的物理实现，如器件的类型、集成 度、数量、价格以及微组装技术的确定和选择属于 计算机实现研究的范畴；
计算机系统结构
主讲 林燕
QQ250745187
计算机系统结构课程介绍
Computer Architecture “建筑学”、“建筑物的设计或式样”， 通常是指一个系统的外貌。 计算机系统结构 计算机体系结构 研究内容 从外部来研究计算机系统 使用者所看到的物理计算机的抽象
编写出能够在机器上正确运行的程序所 必须了解到的计算机的属性。 软硬件功能分配及分界面的确定
软、硬件的功能分配是计算机系统结构的主要任务 ，而软件和硬件在逻辑功能上又是等效的。从原理上来 讲软件的功能可以用硬件或固件来完成，硬件的功能也 可以用软件模拟完成，只是在性能、价格和实现的难易 上有所不同。 具有相同功能的计算机系统，其软、硬件功能分配比 例可以有很大的不同。
软件 硬件 目前的计 算机系统
2. 层次结构
(接下页)
第1级 用微指令程 序解释机器 指令 第0级 微指令由硬 件直接执行
传统机器语言机器级M1 具有L1机器语言(机器指令系统) 微程序机器级M0 具有L0机器语言(微指令系统)
第3级
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2级 一般用机器 语言程序解 释作业控制 语句等
机器的组成和作用
虚拟计算机
广义语言 解释或编译
作用对象
观察者
1.2计算机系统结构、计算机组成和计 算机实现
1.2.1计算机系统结构的定义和内涵 1. 定义一 从计算机系统的层次结构角度来看，系统 结构是对计算机系统中各级界面的定义 及其上下的功能分配。 AMdahl于1964年在推出IBM360系列计算 机时提出：程序员所看到的计算机系 统的属性，即概念性结构和功能特性
1 n 1 n 1 Am Ri n i 1 n i 1 Ti
算术性能平均值Am是n道程序运算速度或运算时间的算 术平均值。以速率评价
1 n 1 n 1 Am Ri n i1 n i1 Ti
其中，Ti是第i个程序的执行时间,Ri是第i个程序的执行速 率。以执行时间评价,则
假设某计算机系统生产V台，则每台计算机用硬件实现 的费用为Dh/V+ Mh,而用软件实现则为C× Ds/V+ R × Ms 只有当 Dh/V+ Mh<C× Ds/V+ R × Ms 时用硬件实现才适宜。 将上述比值代入： 100Ds/V+ 100Ms<C× Ds/V+ R × Ms 只有在C和R的值越大时，这个不等式才能成立。 而且，目前软件的设计费用远比重复生产费用高，不妨 设Ds≈ 104 × Ms，则有 106/V+ 100<104×C/V+ R 因为C一般比100小，因此，从此不等式看来，只有当V足 够大时，这个不等式才能成立。