浙江工商大学计算机体系结构第1章 计算机体系结构概述
浙江工商大学计算机体系结构第1章 计算机体系结构概述PPT课件
与晶体管性能改进相比，连线延迟改进空间更大
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1.5 集成电路功耗的发展趋势
器件升级会对功耗产生影响 动态功率：主要能耗来自开关晶体管 动态功率计算：与电容电压频率有关
移动设备关注电池寿命，用能量单位度量：
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1.3 计算机系统结构定义
2）存储器寻址 使用字节形式访问存储器中的操作数
3）寻址方式 寻址方式需要明确指出操作数的地址（特殊寄存器和 常量除外），有多种方式寻址，如寄存器寻址、立即数 寻址、相对寻址和变址寻址等
4） 操作数类型及大小 操作数大小有8位（ASCII码）、16位（unicode码或 半字）、32位（整型或字）和64位（长整型或双字）
带宽的提高速度明显优于时延的提高速度（P10 图1.8），带宽有了1000-2000倍的提高，时 延则改进20-40倍，经验法则是带宽的提高速 度至少相当于时延改进速度的平方
1.4 实现技术的发展趋势
晶体管性能与连线的规模
特征尺寸：表征集成电路的加工工艺，是晶体管 或连线在x或y方向上的最小尺寸，从1971年 到2006年，特征尺寸从10微米降到0.09微米
由于电容不变，电压的平方和频率之比为：
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1.4 实现技术的发展趋势
4）网络实现技术 交换和传输的性能决定了网络的性能，网络的发展趋势 参考附录E
以上四种技术的快速发展，可使计算机设计 的生存周期延长至5年或更长
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1.4 实现技术的发展趋势
性能的发展趋势：带宽优于时延
带宽或吞吐量：给定的时间内完成的工作总量 时延或响应时间：从事件开始到完成所需要的时间
计算机体系结构概述
第 1 章系统结构的基本概念1.1计算机系统的多级层次结构1.从使用语言的角度，可以将系统看成是按功能划分的多个机器级组成的层次结构，由高到低分别为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级和微程序机器级。
2.各机器级的实现方法：翻译（变换成低一级等效程序）或解释（仿真高级机器级语句或指令）3.通过多层次结构的观点可以得出，软件的功能可以由硬件实现，硬件的功能也可用软件模拟实现。
1.2计算机系统结构、组成与实现1. 透明：客观存在的事物或属性从某个角度看不到的。
2. 计算机系统结构指的是传统机器级的系统结构；它是软、硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定，提供机器语言、汇编语言程序设计者或编译程序生成系统为使其设计或生成的程序能在机器上正确运行应看到和遵循的计算机属性。
数据表示、寻址方式、寄存器组织、指令系统、存储系统组织、中断系统、管态目态定义与转换、IO结构、保护方式和机构。
2.计算机组成：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及逻辑设计等。
它着眼于机器级内的各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能及各部件间的联系。
近40年里，计算机组成设计主要围绕提高速度，着重从提高操作的并行度、重叠度、以及功能的分散和设置专用功能部件来设计的。
(1)数据通路宽度；(2)专用部件的设置；(3)各种操作对部件的共享程度；(4)功能部件的并行度；(5)控制机构的组成方式；(6)缓冲和排队技术；(7)预估、预判技术；(8)可靠性技术。
3.计算机实现：指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、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等。
它着眼于器件技术和微组装技术，其中，器件技术在实现技术中起着主导作用。
4. 计算机系统结构、组成、实现三者互不相同，但又相互影响。
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。
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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
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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
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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。
计算机体系结构课件
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）。
计算机体系结构总结
第1章计算机系统结构的基本概念多级层次结构：第一级：微程序机器级；机器语言（传统机器级）；操作系统虚拟机；汇编语言虚拟机；高级语言虚拟机；应用语言虚拟机计算机系统结构：程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。
经典计算机系统结构的实质：计算机系统中软、硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。
硬件和软件在功能实现上是等效的，即一种功能可以由软件实现，也可以由硬件实现。
在实现性能上是不等效的。
软件实现的优点是设计容易、改进简单；硬件实现的优点是速度快语言实现的两种基本技术：翻译，解释翻译和解释是语言实现的两种基本技术。
它们都是以执行一串Ｎ级指令来实现N+1级指令，但二者存在着差别：翻译技术是先把N+1级程序全部变换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。
而解释技术是每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行。
在这个过程中不产生翻译出来的程序，因此解释过程是边变换边执行的过程。
软件兼容同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各档机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。
软件兼容分为向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。
其中向后兼容是软件兼容的根本特征。
向上(下)兼容：按某档计算机编制的程序，不加修改的就能运行于比它高（低）档的计算机。
向前(后)兼容：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。
兼容机：不同厂家生产的具有相同系统结构的计算机。
系列机：是指在一个厂家内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。
它的出现较好地解决了软件要求环境稳定和硬件、器件技术迅速发展之间的矛盾。
透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好象不存在。
响应时间从事件开始到结束之间的时间，也称为执行时间。
计算机体系结构(计算机软、硬件的系统结构)
计算机体系结构发展的第四代从20世纪80年代中期开始，一直持续到现在。这个阶段，人们感受到的是硬件 和软件的综合效果。由复杂操作系统控制的强大的桌面机及局域网和广域网，与先进的应用软件相配合，已经成 为当前的主流。计算机体系结构已迅速地从集中的主机环境转变成分布的客户机/服务器(或浏览器/服务器)环境。 世界范围的信息网为人们进行广泛交流和资源的充分共享提供了条件。软件产业在世界经济中已经占有举足轻重 的地位。随着时代的前进，新的技术也不断地涌现出来。面向对象技术已经在许多领域迅速地取代了传统的软件 开发方法。
概念性结构与功能特性，这是从程序设计者角度所看到的计算机属性。它包括机器内的数据表示、寻址方式 以及对这些数据的运算和控制这些运算的执行等(即指令系统)。对于通用型机器，一般包括数据表示、寻址方式、 寄存器定义、指令系统、中断机构、机器工作状态的定义和状态切换、机器级的输入、输出结构以及对信息保护 的支持等 。
计算机体系结构总结
一、计算机系统结构概述1、计算机体系结构的研究对象计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构和功能特性计算机体系结构是研究计算机系统中软、硬件界面的，即研究那些功能由软件完成，那些功能由硬件完成。
2、计算机系统结构的分类及发展，冯氏计算机的特点冯氏计算机的特点（1）机器以运算器位中心（2）采用存储程序原理（3）存储器是按地址访问的、线性编址的空间（4）控制流由指令流产生（5）指令由操作码和地址码组成（6）数据以二进制编码表示，采用二进制方式运算改进（1）分布的输入输出处理能力。
中断，使CPU和外部设备一定成熟上并行工作。
DMA（2）保护的存储器空间。
在执行过程中不准修改程序（3）存储器组织结构的发展。
高速缓冲存储器Cache（4）并行处理能力。
改进CPU的组成，在体系结构上实现并行运算，多级并行处理（5）指令集的发展。
RISC的技术思想已经成为当代计算机设计的基础技术之一。
3、计算机性能评价，Amdahl‘s law设计定量原则：①发挥并行处理的优势②局部性原理（时间，当前被访问的单元；空间，附近的单元）③大概率时间优先原则④Amdahl’s law加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性⑤处理器性能公式总CPU时间=CPI×IC/时钟频率4、latency&bandwidth摩尔定律对带宽的提高更大距离限制了延时带宽更有卖点延时有助于提升带宽，反过来不成立带宽对延时有负面作用操作系统对延时的损害更大二、计算机指令系统软、硬件功能分配最主要的界面1、计算机指令集结构分类5个因素考虑分类1) CPU中操作数的存储方法（最重要）2) 指令中显示表示的操作数个数3) 操作数的寻址方式4) 指令集所提供的操作类型5) 操作数的类型和大小根据CPU内部存储单元类型对指令集结构进行分类，一般可以分为堆栈型、累加器型和通用寄存器型指令集结构。
易于生成高效的目标代码，但是指令比较长2、微程序，作用及其局限性3、Little’s Law系统中的平均任务数=到达率×平均响应时间适用于所有稳定系统4、CISC，RISC，VLIW指令系统及其关键技术CISC和RISC重要区别之一就在于其指令的功能强弱上。
计算机体系结构课件
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
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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
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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。
计算机体系结构(全书1)
主要缺点：
（1）不同指令的速度差别很大 （2）指令使用频度差别很大 （3）有相当多的非功能性指令
3. 等效指令速度：吉普森（Gibson）法
其中， Wi：指令使用频度，i：指令种类 静态指令使用频度：在程序中直接统计
动态指令使用频度：在程序执行过程中统计在计算机发展 的早期，用加法指令的运算速度来衡量计算机的速度。通 常：加、减法50％，乘法15％，除法5％，程序控制15％， 其他15％
传统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远程需翻译生成的机器语言目标程 序能在机器上正确运行所应具有的界面结构和功能。
2.计算机组成与实现
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，它主要研究硬件系统在 逻辑上是如何组织的，机器级内部数据流和控制流的组成与逻辑设计。 计算机实现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。
序。称为基准程序(benchmark) 整数测试程序：Dhrystone
用C语言编写，100条语句。包括：各种赋值语句，各种数据类型和数据区，各 种控制语句，过程调用和参数传送，整数运算和逻辑操作。 VAX-11/780的测试结果为每秒1757个Dhrystones，即：1VAX MIPS＝ 1757Dhrystones/Second
高等计算机系统结构
Hale Waihona Puke 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。
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
计算机体系结构
计算机体系结构随着计算机技术的不断发展，计算机体系结构也日益成为人们关注的重要领域。
计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的关系以及它们如何协同工作。
在本文中，我们将深入探讨计算机体系结构的基本概念、主要组成部分及其相互关系，并通过例子和解析来加深对该领域的理解。
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构包括计算机系统的硬件组件和软件组件。
硬件组件包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等，而软件组件则包括操作系统、编译器、应用程序等。
这些组件之间相互协调配合，共同实现计算机的功能。
计算机体系结构的基本概念还包括指令集架构和微体系结构。
指令集架构定义了计算机的指令集合以及这些指令的操作方式。
微体系结构则决定了如何实现指令集架构，包括处理器内部的各个组件和其相互连接的方式。
二、计算机体系结构的主要组成部分1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机体系结构的核心部分，它负责执行计算机指令。
CPU由控制单元和算术逻辑单元组成。
控制单元负责指令的解码和执行，算术逻辑单元则负责执行算术运算和逻辑运算。
2. 内存内存是计算机体系结构中用于存储数据和指令的组件。
它分为主存储器和辅助存储器两种形式。
主存储器是CPU直接访问的存储空间，而辅助存储器则用于长期存储数据和程序。
3. 输入输出设备输入输出设备用于计算机与外部环境之间的信息交互。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等，而输出设备则包括显示器、打印机等。
三、计算机体系结构的相互关系计算机体系结构的各个组成部分之间存在紧密的相互关系。
中央处理器通过总线与内存和输入输出设备进行数据交换。
控制单元负责控制数据流的传输和处理单元的执行，而算术逻辑单元则执行各种运算操作。
内存作为存储数据和指令的场所，为CPU提供了工作所需的数据和指令。
输入输出设备与CPU之间通过输入输出控制器进行数据交互，并通过总线将数据传输到内存中。
四、例子和解析为了更好地理解计算机体系结构，我们以一台具体的计算机为例进行分析。
计算机体系结构基础详解
计算机体系结构基础详解计算机体系结构是指计算机系统中各个组件之间的关系和交互方式，它决定了计算机的性能和功能。
本文将详细介绍计算机体系结构的基本概念、组成部分以及其运行原理，以便读者对计算机体系结构有更深入的了解。
一、计算机体系结构概述计算机体系结构是计算机硬件和软件之间的接口，决定了计算机的指令系统、数据表示方式和操作方式。
它包括三个要素：指令集体系结构、处理器体系结构和系统结构。
1.1 指令集体系结构指令集体系结构（ISA）是一种硬件体系结构的抽象表示，定义了可供程序员使用的指令集合、寻址方式、数据类型和寄存器等。
ISA决定了计算机的指令集、执行过程和编程模型，并通过指令和数据之间的交互来完成各种计算任务。
1.2 处理器体系结构处理器体系结构是指计算机中的中央处理器（CPU）的组成和工作原理。
它包括指令流水线、寄存器、运算器和控制器等组件，负责执行计算机指令、进行数据处理和控制计算机系统的各个部件。
1.3 系统结构系统结构是计算机硬件和软件之间的桥梁，将处理器、内存、输入输出设备和外部存储器等组件有机地连接在一起，形成一个完整的计算机系统。
系统结构涉及到计算机组成原理、总线结构、内存管理和I/O控制等技术，并提供了操作系统和应用程序的运行环境。
二、计算机体系结构的组成部分计算机体系结构由若干组成部分构成，每个部分都具有特定的功能和作用。
2.1 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心部件，负责执行指令、进行算术运算和逻辑运算。
它由控制单元和算术逻辑单元组成，通过时钟信号控制指令的执行和数据的处理。
2.2 存储器存储器用于存储数据和指令，分为主存储器和辅助存储器两种形式。
主存储器包括随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM），用于存储正在执行的程序和数据；辅助存储器包括硬盘、光盘和磁带等，用于长期存储大容量的数据和文件。
2.3 输入输出设备输入输出设备用于计算机与外部环境之间的数据交换。
计算机体系结构 完整讲义
2021年8月8日星期日
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一 按采用的基本器件分类
• 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。
由硬件固件实现——高级语言机器 多处理机系统——由真正微处理机实现 4. 理解计算机体系结构的定义
5. 在一台真正的宿主机上通过模拟或仿真另一台不 同的假想机器——自虚拟技术
1.1.2 系统结构、组成与实现
• 定义与理解 • 三者的相互关系
2021年8月8日星期日
15
计算机系统结构的定义 System Architecture
多指令流单数据流 MISD (Multiple Instruction stream Single Data stream)（较先进的流水线处理机，
如VLIW机）
多指令流多数据流 MIMD (Multiple Instruction stream Multiple Data stream)（多计算机系统）
2021年8月8日星期日
7
从设计人员看到的层次
• 应用程序级 • 高级语言级 • 汇编语言级 • 操作系统级 • 机器语言级 • 微程序控制级 • 硬联逻辑级
用户 高级语言程序员 汇编语言程序员 操作员 机器语言程序员
逻辑程序员 硬件设计员
2021年8月8日星期日
8
翻译(Translation)：先用转换程序将高 一级机器级上的程序整个地变换成低一 级机器级上可运行的等效程序（中间程 序），然后再在低一级机器级上去实现 的技术。