计算机系统结构第一章(李学干版)

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，有些级别可 能不存在。
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
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
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
计算机系统结构正处于变革时期
软件、系统结构、组成技术，两头发展快、 中间慢 非冯计算机正兴起 系统结构的发展时期已经到来
教材
计算机系统结构，李学干，西安电子科技大 学出版社，2011
目录
第1章计算机系统结构基础及并行性的开发 第2章数据表示、寻址方式与指令系统 第3章存储、中断、总线与输入/输出系统 第4章存储体系 第5章标量处理机 第6章向量处理机 第7章多处理机 第8章数据流计算机和归约机
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
*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。
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；
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
第一章 计算机系统结构基础及 并行性的开发
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 系统分类
1.1计算机系统的层次结构
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
操作系统机器级M2 具有L2机器语言(作业控制语言等)
第5级
应用语言机器级M5 具有L5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4级
高级语言机器级M4 具有L4机器语言(高级语言)
高级语言程 序经编译程 序翻译成汇 编语言（或 某种中间语 言或机器语 言程序）
3. 层次结构说明 第0级:由硬件实现,硬联逻辑，实现微指令 本身的控制顺序 第1级:由微程序实现 第0级+第1级=CPU 第2级至第6级由软件实现(由软件实现的机 器称为：虚拟机) 第2级:是传统指令系统（机器语言）机器, 定义了计算机的指令系统 第3级:操作系统机器,指出了计算机的功能 和脚本
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。
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
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
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
1.3.2计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。
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
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
Байду номын сангаас
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
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。
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
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；
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：