计算机系统结构 第一章 计算机体系结构的基本概念(同济大学)

处理器总线
总线控制器 1
PCI /PCI - E 总线
PCI-E 设备
PCI 设备
总线控制器 2
USB 总线
(e)
Pentium 4 PC
USB 设备
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1.2 计算机体系结构的概念
表1.1 PC系列机典型特性比较
计算机 PC和PC XT PC AT 80386 PC 80486 PC Pentium PC 时间 1981 1982 1985 1989 1993 1997
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项目调研与实践
1.2 计算机体系结构的概念
(8) 信息保护 （包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持） (9) I/O结构 （包括I/O连接方式、处理机/存储器与I/O设备 间数据传送的方式和格式以及I/O操作的状态等） 经典计算机体系结构概念的实质： 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。
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项目调研与实践
1.2 计算机体系结构的概念
1.2.3 计算机组成和计算机实现技术
1. 计算机组成：计算机体系结构的逻辑实现。 2. 计算机实现：计算机组成的物理实现。 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。
3. 系列机 (1) 系列机 在一个厂家内生产的具有相同的体系 结构，但具有不同组成和实现的一系列不 同型号的机器。
超标量、超流 大规模、可 水、SMP、MP、 扩展并行与 MPP 分布处理
1.3 计算机体系结构的发展
3. 计算机系统性能随时间“下移”
价 格 对 数 坐 标
巨型机 大型机 中型机 虚线为等性能线 小型机 微型机 时间 t
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( )
1.3 计算机体系结构的发展
4.根据当前的计算机应用市场的现状和价格特征， 通常把计算机分为服务器、桌面系统和嵌入式计
◆ 多机并行处理系统
把一个作业(程序)划分成能并行执行的多个任 务(程序段)，把每个任务分配给一个处理机执行。
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1.3 计算机体系结构的发展
(5) 指令集结构的发展
◆ 指令集的功能

复杂指令集计算机(CISC)
精简指令集计算机(RISC)
◆ 指令的地址空间和寻址方式
多种灵活的寻址方式。
1. 计算机性能的高速增长受益于：


电路技术的发展
体系结构技术的发展
2. 体系结构的重要性
3. 基于微处理器的系统
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项目调研与实践
第一章 计算机体系结构的基本概念
1.2
计算机体系结构的概念
1.2.1 计算机系统中的层次概念
1. 计算机系统＝软件＋硬件/固件
2. 计算机语言由低级向高级发展
高一级语言的语句相对于低级语言功能更强， 更便于应用，但又都以低级语言为基础。 3. 从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成 多级层次结构。
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项目调研与实践
第 6 级：应用语言虚拟机
第 5 级：高级语言虚拟机
第 4 级：汇编语言虚拟机
软件
第 3 级：操作系统虚拟机
第 2 级：机器语言( 传统机器级)
ISA/EISA
ISA+VL ISA+PCI
Pentium II PC
Pentium II 32位
ISA+PCI+AGP
PCI+AGP +USB
Windows 95
Windows 98、2000 Windows Me、XP
Pentium III PC 1999 Pentium 4 PC 2000
Pentium III 32位
2. 对体系结构进行的改进 (1) 分布的I/O处理能力
以运算器为中心带来了慢速输入／输
出操作占用快速运算器的问题。 为了解决这一问题，人们提出了各种 输入/输出方式。
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1.3 计算机体系结构的发展
程序控制 输入输出方式
程序等待 程序中断 成组传递 周期挪用 通道
DMA I/O 处理机
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第一章 计算机体系结构的基本概念
1.1 引言
1.2 计算机体系结构的概念 1.3 计算机体系结构的发展 1.4 影响计算机体系结构的成本和价格因素 1.5 定量分析技术基础 1.6 计算机体系结构中并行性的发展
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第一章 计算机体系结构的基本概念
1.1 引 言
的根本特征。
5. 兼容机 不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机。
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第一章 计算机体系结构的基本概念
1.3
计算机体系结构的发展
1.3.1 存储程序计算机体系结构及其发展
控制器
输入设备
运算器 (ALU)
输出设备
存储器 数据流
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控制流
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1.3 计算机体系结构的发展
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1.3 计算机体系结构的发展
1.3.2 计算机的分代和分型
1. 计算机到目前为止已经发展了五代 这五代计算机分别具有明显的器件、体系结 构技术和软件技术的特征。 2. 计算机可以根据价格分为五个档次： 巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机
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第一代 (19451954) 第二代 (19551964) 第三代 (19651974) 第四代 (19741990) 第五代 (1991-)


相联存储器和相联处理机
通用寄存器 高速缓冲存储器和多级存储器组织结构
(4) 并行处理技术 如何挖掘传统机器中的并行性？
◆ 改进CPU的组成

重叠方式 先行控制
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1.3 计算机体系结构的发展

多操作部件 流水方式
◆ 在体系结构上对某些计算问题实现并行计算。
如向量计算
算三大领域。
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1.3 计算机体系结构的发展
5. 新型体系结构的设计 (1) 合理地增加计算机系统中硬件的功能比例， 这种体系结构对操作系统、高级语言甚至应 用软件提供更多更好的支持； (2) 通过多种途径提高计算机体系结构中的并行 性等级，使得凡是能并行计算和处理的问题 都能并行计算和处理，使这种体系结构和组
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1.3 计算机体系结构的发展
缺点：

不利于进行程序调试诊断； 不利于实现程序的可再入性和程序的递归调用；

不利于重叠和流水方式的操作。
现在绝大多数计算机都规定，在执行进程中
不准修改程序。
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1.3 计算机体系结构的发展
(3) 存储器组织结构的发展
电子管和继 电器
存储程序计算 机、程序控制 I/O
机器语言和 汇编语言
普林斯顿ISA、 ENIAC、IBM701
晶体管、磁 芯、印刷电 路 SSI和MSI、 多层印刷电 路、微程序
浮点数据表示、 高级语言和 寻址技术、中 编译、批处 断、I/O处理机 理监控系统 流水线、Cache、 多道程序和 先行处理、系 分时操作系 列计算机 统 并行与分布 处理
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项目调研与实践
1.2 计算机体系结构的概念
4. Amdahl提出的体系结构：传统机器级的体系结构。 即一般所说的机器语言程序员所看到的传统 机器级所具有的属性。 5. 对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指： (1) 数据表示 （硬件能直接辩认和处理的数据类型） (2) 寻址规则 （包括最小寻址单元、寻址方式及其表示） (3) 寄存器定义 （包括各种寄存器的定义、数量和使用方式）
项目调研与实践
1.2 计算机体系结构的概念
Pentium II/Ⅲ CPU
处理器总线
AGP 总线 总线控制器 1
存储器
PCI 总线 AGP 显示卡 总线控制器 2 PCI 设备
ISA 总线
(d)
Pentium II/Ⅲ PC
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I/O 设备
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1.2 计算机体系结构的概念
Pentium 4 CPU 存储器
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当前机器
1.2 计算机体系结构的概念
◆ 向上(下)兼容：按某档机器编制的程序，不加修
改的就能运行于比它高(低)档的机器。
◆ 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。
向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机
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1.2 计算机体系结构的概念
(4) 指令集 （包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排 序和控制机构等） (5) 中断系统 （中断的类型和中断响应硬件的功能等）
(6) 机器工作状态的定义和切换 （如管态和目态等） (7) 存储系统 （主存容量、程序员可用的最大存储容量等）
ISA 总线 I/O 设备 (b) 80386/80486 PC
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1.2 计算机体系结构的概念
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)
Pentium PC
I/O 设备
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Univac LARC、 CDC1604、IBM7030
IBM360/370、 CDC6600/7600、 DEC PDP-8 Cray-1、IBM 3090、 DEC VAX9000、 Convax-1 SGI Cray T3E、IBM SP2、DEC AlphaServer8400
LSI和VLSI、 向量处理、分 布式存储器 半导体存储 器 高性能微处 理器、高密 度电路
1. 存储程序计算机的主要特点 (1) 机器以运算器为中心； (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，采用二进制运算。
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1.3 计算机体系结构的发展
处理器
8088 80286 80386 80486 Pentium
字宽 16位 16位 32位 32位 32位
主要I/O总线 PC总线 AT（ISA）
存储空间
20位 24位 32位 32位 32位 32位
主要操作系统 DOS DOS、XENIX DOS、Windows 3.0 DOS、Windows 3.1 DOS、Windows 3.1
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。 解释执行比翻译花的时间多，但存储空间占用较少。
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1.2 计算机体系结构的概念
1.2.2 计算机体系结构
1. 计算机体系结构的定义：
程序员所看到的计算机的属性，即概念性 结构与功能特性。 2. 按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序 员所看到的计算机具有不同的属性。 3. 透明性 在计算机技术中，对这种本来是存在的 事物或属性，但从某种角度看又好象不存在。
32位
32位
Pentium 4 32位 PCI-X+AGP +USB
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1.2 计算机体系结构的概念
4. 软件兼容:同一个软件可以不加修改地运行于体 系结构相同的各档机器，而且它们所获得的结果 一样，差别只在于有不同的运行时间。
机器档次 高 向上兼容 向下兼容 低 向前兼容 向后兼容 时间
பைடு நூலகம்
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项目调研与实践
1.2 计算机体系结构的概念
8088/80286 CPU PC/AT 总线
存储器 (a)
I/O 设备
PC、 XT 和 PC AT
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项目调研与实践
1.2 计算机体系结构的概念
80386 /80486 CPU
处理器总线/VL 总线
存储器
总线控制器
VL 设备
硬件或 固件
第 1 级：微程序机器级
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项目调研与实践
1.2 计算机体系结构的概念
(1) 虚拟机：由软件实现的机器。 (2) 语言实现的两种基本技术
◆ 翻译：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。
◆ 解释：每当一条N+1级指令被译码后，就直接
外围处理机
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1.3 计算机体系结构的发展
(2) 保护的存储器空间 是否把指令和数据放在同一存储器中？ 优点 : 不必预先区分指令和数据，易实现存储管理软件；

程序和指令在执行过程中可以被修改，因而可以 编写出灵活的可修改的程序；
对于存取指令和数据仅需一套读/写和寻址电路， 硬件简单； 数据可以分配于任何可用空间，从而可更有效地 利用存储空间等。
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项目调研与实践
1.2 计算机体系结构的概念
如：IBM 370系列有370/115、125、135、145、158、 168等一系列从低速到高速的各种型号。 (2) IBM PC系列机
（处理器、处理器字宽、主要I/O总线、存储空间、 主要操作系统和计算机结构）
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