1 计算机系统结构的基本知识

到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。
1.1.1 计算机系统结构的含义
1、计算机系统的外特性（计算机系统结构）
Amdahl的计算机系统结构定义具有争议，这是因为:
由于计算机系统是包括软/硬件乃至固件的复杂系统，因此处
于不同层次的各级程序员所看到的同一计算机系统具有不同 的属性。
不同计算机系统从传统机器级或汇编语言程序员角度看，具
L2：机器语言(传统机器级) L1：微程序机器级
1.1.1 计算机系统结构的含义
L6：应用语言虚拟机 L5：高级语言虚拟机 L4：汇编语言虚拟机 L3：操作系统虚拟机 软件 硬/固件
提供传统机器所没有 的基本操作和数据结构， 和传统机器的指令集一起 提供给更高层次的虚拟机 使用。
L2：机器语言(传统机器级) L1：微程序机器级
指令系统 数据表示 操作数的寻址方式 寄存器的构成定义 中断机构和异常 存储体系和管理 I/O结构 机器工作状态的定义和切换 信息保护
1.1.1 计算机系统结构的含义
2、计算机系统的内特性（计算机组成）
计算机系统外特性
硬件和固件
由电路、逻辑门或寄存器传递级等
计算机系统内特性
20世纪70年代末到80年代初，大规模集成电路和微处理器
的出现使计算机性能的年增长率提高到约35%，主要归功于 以集成电路为代表的制造技术的发展。
1.1 计算机系统结构的含义和分类
计算机系统性能提高的历程
20世纪80年代初RISC结构的出现使得计算机系统结构发生
重大变革，从80年代中期开始，计算机性能增长达到了每年 50%以上。
辑上是等价的，即绝大部分硬件功能可用软件来实现，反之 亦然。
两者在实现时将在性价比上及实现难易程度上反映出不等价。
性能 硬件实现 软件实现 优 劣
占用存储 少 多
成本 高 低
灵活性 差 强
1.1.1 计算机系统结构的含义
1、计算机系统的外特性（计算机系统结构）
几个重要概念
（3）软/硬件交界面是模糊的，没有明确的固定界限

考核方法

本章主要内容

1.1 计算机系统结构的含义和分类

1.1.1 计算机系统结构含义 1.1.2 计算机系统结构分类 1.2.1 计算机系统设计的定量原理 1.2.2 计算机系统设计者的主要任务 1.3.1 计算机系统结构的演变 1.3.2 软件、应用需求和器件对系统结构发展的影响
多指令流多数据流MIMD
多机系统：多个处理器系统或多计算机系统，每个处
理机可以独立执行指令和处理数据。
1.1.2 计算机系统结构的分类
2、按“并行级”和“流水线”分类
（1）1977，德国Erlangen大学Händler教授提出，把计 算机硬件结构分成三个层次，并分别考虑它们的可并 行程度和流水线处理程度进行分类。这三个层次为：
CU
CS
DS
PU
MU
单指令流多数据流SIMD
典型SIMD机器：阵列处理机 在同一控制部件控制下，多个处理部件同时执行同一条
指令所规定的操作，分别对各自的数据进行处理。
多指令流单数据流MISD
多个处理器，对同一数据流进行处理
MISD只是一种人为的划分，什么样的实际机器属于此类
存在争议。
1.1.1 计算机系统结构的含义
4、计算机系统结构、计算机组成及计算机实现 三者的关系
计算机系统结构是计算机系统中软硬件之间的界面； 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现； 计算机实现是计算机组成的物理实现。 计算机系统结构、组成与实现各自包含不同的内容，
但又有紧密的关系：
一种体系结构可以有多种组成； 一种组成可以有多种物理实现。
1.1.1 计算机系统结构的含义
5、计算机系统的微系统结构—微外特性
由微程序编写者所看到的计算机的外部特性--逻辑结
构和功能；
是硬件和固件之间的界面。
1.1.2 计算机系统结构的分类
1、Flynn分类法—按“流”分类
（1）指令流：机器执行的指令序列。 （2）数据流：由指令流调用的数据序列，包括输入数据 和中间结果。 （3）多倍性：在系统最受限制的元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。 （4）按照指令流和数据流的不同组织方式，分为四类：

1.2 计算机系统设计准则


1.3 计算机系统结构的发展

1.1 计算机系统结构的含义和分类
计算机技术飞速发展的原因
计算机器件的制造技术的发展 计算机系统结构的创新和改进
计算机系统性能提高的历程
在计算机开始发展的25年中，两种因素都起着主要作用，使
得计算机的性能每年提高约25%。
L2：机器语言(传统机器级) L1：微程序机器级
1.1.1 计算机系统结构的含义
1、计算机系统的外特性（计算机系统结构）
几个重要概念
（1）计算机系统按功能可划分成多级层次结构
虚拟机：由软件实现的机器，以区别于由硬件/固件实现的
物理机器。
翻译：先把N+1级程序全部变换成N级程序后，再去执行新
L2：机器语言(传统机器级) L1：微程序机器级
1.1.1 计算机系统结构的含义
L6：应用语言虚拟机 L5：高级语言虚拟机 L4：汇编语言虚拟机 L3：操作系统虚拟机 软件 硬/固件
这一级的机器语言是 各种高级语言。用这些 语言所编写的程序一般 是由称为编译程序的翻 译程序翻译到第4级或第 3级上，个别的高级语言 也用解释的方法实现， 如绝大多数BASIC语言系 统。
各部件的功能及各部件间的联系等。
关心的主要问题：如何合理地实现分配给硬件的功能
和性能指标。
1.1.1 计算机系统结构的含义
3、计算机系统的实现（计算机实现）
计算机实现：指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，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输， 电源、冷却及整机装配技术等。
L4：汇编语言虚拟机 一级语言来说功能更强，更 便于应用，但又都以低级语 L3：操作系统虚拟机 言为基础。
软件
L2：机器语言(传统机器级) 硬/固件 L1：微程序机器级ຫໍສະໝຸດ Baidu
1.1.1 计算机系统结构的含义
L6：应用语言虚拟机
本级的机器语言是指 微指令集。微程序一般是 直接由硬件解释实现的， 因此工作于该级的程序员 实际上是计算机系统的设 计人员。
间的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是 硬件和固件实现的功能。
1.1.1 计算机系统结构的含义
1、计算机系统的外特性（计算机系统结构）
几个重要概念
（1）计算机系统按功能可划分成多级层次结构
每层以一种语言为特征；
L6：应用语言虚拟机
语言从低级向高级发展； L5：高级语言虚拟机 高一级语言的语句相对于低
L2：机器语言(传统机器级) L1：微程序机器级
1.1.1 计算机系统结构的含义
L6：应用语言虚拟机 L5：高级语言虚拟机 L4：汇编语言虚拟机 L3：操作系统虚拟机 软件 硬/固件
这一级是为满足某种 特殊用途而专门设计的， 因此这一级的语言就是 各种面向问题的应用语 言。例如可以设计专门 用于人工智能、教育、 行政管理、计算机设计 等方面的虚拟机。
程序控制部件PCU 算术逻辑部件ALU或处理部件PE； 基本逻辑电路ELC：1Bit逻辑运算电路
1.1.1 计算机系统结构的含义
2、计算机系统的内特性（计算机组成）
内特性，也称为计算机组成：对由电路、逻辑门或寄
存器传递级等硬件及固件实现计算机外特性方法的抽 象，它是计算机系统结构的逻辑实现。
涉及的内容：包括数据流、控制流的组成，CPU内部
和主存等部件的逻辑设计等。
着重于：物理机器级内各事件的排序方式与控制结构、
1、计算机系统的外特性（计算机系统结构）
计算机系统结构 -- Computer Architecture
1.建筑学、建筑风格；体系结构、总 体、层次结构。
2.从建筑学角度看，该词可以认为是 指一个系统的外貌。
3.计算机作为一个包括硬件/固件和 软件的系统，也有其外观，即外特性。
1964年Amdahl提出计算机系统结构的定义:程序员所看
计算机系统结构
张长明
hdjsjxtjg@126.com ncepubd
教材和参考教材

教材
计算机系统结构（第2版），陆鑫达，高等教育出版社

参考教材
计算机系统结构，郑纬民等，清华大学出版社 计算机系统结构教程，张晨曦等，清华大学出版社
课堂要求及考核方法

课堂要求

认真听讲，对课堂上讲解的题要理解并会做。 及时完成作业。 按时出勤，无故缺勤视为旷课，累计旷课超过课程 学时三分之一，取消考试资格，成绩以0分计。 平时成绩30%，其中作业15%，出勤15%。 期末成绩70%，闭卷考试。
具有相同功能的计算机系统，其软/硬件间的功能分配可随
各种影响因素在很宽的范围内变化。
主要因素有性能和成本、对存储器容量的需求量、可扩展性
和可更改性等。
硬件在功能实现中的比例趋向增大。
1.1.1 计算机系统结构的含义
1、计算机系统的外特性（计算机系统结构）
计算机系统结构的外特性包含的内容
2002年以来，计算机性能增长率下降到约20%。主要因为：

大功耗问题； 可以进一步有效地开发的指令级并行性已经很少； 存储器访问速度的提高缓慢。
很多计算机公司放弃高性能单处理机项目，转向多核的研发，
标志着系统结构从单纯依靠指令级并行转向开发线程级并行 和数据级并行。
1.1.1 计算机系统结构的含义
有不同属性，但从高级语言程序员角度看，几乎没差别。也 就是说，传统机器级所存在的差别对于高级语言程序员来讲 是“看不见”的，此即“透明性”。
透明性概念：一种本来存在的有差异的事物或属性，但从
某种角度看又好象不再存在，称为透明性。
1.1.1 计算机系统结构的含义
1、计算机系统的外特性（计算机系统结构）
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
单指令流单数据流SISD
典型的SISD机器：传统的顺序计算机 SISD机器结构 CU：控制部件 PU：处理部件 MU：存储部件
IS：指令流 DS：数据流
IS I/O
1.1.1 计算机系统结构的含义
L6：应用语言虚拟机 L5：高级语言虚拟机 L4：汇编语言虚拟机 L3：操作系统虚拟机 软件 硬/固件
本级的机器语言是 汇编语言。用汇编语言 编写的程序，首先翻译 成第3级和第2级语言， 然后再由相应的机器执 行。通常的第1、2和3级 是用解释方法实现的， 而第4级或更高级则经常 是用翻译方法实现。
着眼于：器件技术（起主导作用）、微组装技术。
1.1.1 计算机系统结构的含义
概念举例
确定指令系统中是否有乘法指令属于计算机系统 结构的内容； 乘法指令是用乘法器实现还是用加法器经多步操 作来实现属于计算机组成； 乘法器、加法器的物理实现，如器件的选定及所 用的微组装技术等属于计算机实现。
产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。
解释：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。
1.1.1 计算机系统结构的含义
1、计算机系统的外特性（计算机系统结构）
几个重要概念
（2）软硬件功能的逻辑等价
虽然软件和硬件在实质上是完全不同的，但它们的功能在逻
计算机系统结构的科学定义：机器语言程序员或编译
程序编写者所看到的计算机的基本属性，即概念性结 构和功能特性。
由机器语言程序员或编译程序编写者所看到的计算机
的基本属性是指传统机器级的系统结构，在传统机器 级之上的功能被视为软件功能，而在其下的则属于硬 件和固件的功能。
计算机系统结构结构的实质：计算机系统中软硬件之
L5：高级语言虚拟机 L4：汇编语言虚拟机 L3：操作系统虚拟机 软件 硬/固件
L2：机器语言(传统机器级) L1：微程序机器级
1.1.1 计算机系统结构的含义
L6：应用语言虚拟机 L5：高级语言虚拟机 L4：汇编语言虚拟机 L3：操作系统虚拟机 软件 硬/固件
本级机器语言是指 令集。由微程序解释指 令集又称作仿真。可以 通过仿真在一台机器上 实现多种指令集。 也可以没有微程序机 器级，如RISC处理器的 指令集全部用硬件直接 实现以提高指令执行速 度。