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：
10
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
4
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
1
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
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。
Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。
所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。
计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。
可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式，指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。
计算机组成是计算机结构的逻辑实现。
可以包含数据通路宽度，专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。
计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。
包括处理机，主存部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、插件底板的划分和连接。
从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为7级：0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。
3～6级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。
硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。
首先是应用领域对应的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。
如运算速度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。
体系结构设计的方法有三种：由上而下－从考虑如何满足应用要求开始设计；由下而上－基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的方法。
体系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。
计算机体系结构的分类：（1）弗林FLYNN分类法：按指令流和数据流将计算机分为4类：①单指令流、单数据流－Single Instruction Stream Single Data Stream，SISD。
计算机，即传统的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机systolic array；②单指令流、多数据流－Multiple，SIMD。
典型代表是并行处理机。
其并行性在于指令一级。
如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等；③MISD计算机；④MIMD计算机。
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
1 2
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
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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
计算机体系结构知识点汇总
第一章计算机体系结构的基本概念1.计算机系统结构的经典定义程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
（计算机组成：指计算机系统结构的逻辑实现。
计算机实现：计算机组成的物理实现）2.计算机系统的多级层次结构：1.虚拟机：应用语言机器->高级语言机器->汇编语言机器->操作系统机器2.物理机：传统机器语言机器->微程序机器3.透明性：在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
4.编译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序5.解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都转去执行低一级机器上的一段等效程序。
6.常见的计算机系统结构分类法有两种：Flynn分类法、冯氏分类法（按系统并行度计算机系统在单位时间内能处理的最大二进制位数）进行分类。
Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类：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)IS指令流，DS数据流，CS（控制流），CU（控制部件），PU（处理部件），MM，SM（表示存储器）7.计算机设计的定量原理：1.大概率事件优先原理（分配更多资源，达到更高性能）2.Amdahl定理：加速比：0加速前）（加速后）11(Fe为可改进比例（可改进部分的执行时间/总的执行时间），Se为部件加速比（改进前/改进后）3.程序的局部性原理：时间局部性：程序即将使用的信息很可能是目前使用的信息。
空间局部性：即将用到的信息可能与目前用到的信息在空间上相邻或相近。
4.CPU性能公式：1.时钟周期时间2.CPI：CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC3.IC(程序所执行的指令条数)8.并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。
同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发生。
并发性：两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生。
《计算机体系结构》课件
计算机体系结构的应用领域
1
云计算
了解云计算架构的特点和应用领域，
物联网
2
如基础设施即服务（IaaS）和软件 即服务（SaaS）。
探索物联网架构的设计原则和适用
场景，如智能家居和智慧城市。
3
人工智能
了解人工智能系统的计算机体系结 构，包括深度学习和神经网络。
总结和展望
通过本课件，我们深入了解了计算机体系结构的定义、重要性、经典模型和 应用领域。希望这些知识能够帮助您更好地理解和应用计算机体系结构的原 理和思想。
3
多核处理器
了解多核处理器的原理，以及如何充分利用多核架构提高系统性能。
计算机体系结构的演进
主机计算机时代
个人计算机时代
回顾早期大型计算机的发展， 如IBM System/360系列。
介绍个人计算机的崛起，如 IBM PC和Apple Macintosh。
云计算时代
探索云计算的概念和发展， 如Amazon Web Services和 Microsoft Azure。
《计算机体系结构》PPT 课件
欢迎来到《计算机体系结构》PPT课件！在这里，我们将深入探讨计算机体系 结构的定义、重要性、经典模型以及应用领域。让我们一起展望计算机体系 结构的未来吧！
课程介绍
探索计算机架构的奥秘
了解计算机体系结构的基本概念和学习目标，以及如何应用这些知识。
重要性与应用
探索计算机体系结构在各个领域中的重要性和应用，如云计算、物联网和人工智能。
2 可伸缩性
计算机体系结构的合 理设计可以实现系统 的可扩展性，适应不 断增长的需求。
3 可靠性
合理的计算机体系结 构可以提高系统的可 靠性，减少故障和中 断。
一章计算机体系结构的基本概念
Computer Architecture
1.3 定量分析技术
– 改进后程序的总执行时间
总执行时间改进后 ＝ 不可改进部分的执行时间 ＋ 可改进部分改进后的执行时间
总执行时间改进后 ＝ (1－可改进比例)×总执行时间改进前
Computer Architecture
1.2 计算机体系结构的概念
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 第 3级：操作系统虚拟机 第 2 级 ： 机 器 语 言 (传 统 机 器 级 )
第 1级：微程序机器级
Computer Architecture
1.2 计算机体系结构的概念
0.25m
0.18m
0.13m
11
Computer Architecture
1.1 引论
2) ILP(指令级并行)问题: 1)
应用中可利用的ILP在4 ~ 10 之间,目前 可达到的ILP在4 ~ 8 之间
进一步发展的空间并不是很大 2)
实现过于复杂可能反而造成性能下降
12
Computer Architecture
1.1 引论
微处理机的发展轨迹遵从摩尔定理： Moore's law : ▪ The number of transistors that can be placed inexpensively on an integrated circuit doubles approximately every two years.
Computer Architecture
Computer Architecture
计算机体系结构 完整讲义
2021年8月8日星期日
29
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
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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
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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。
第1章计算机体系结构导论1
第一章计算机体系结构导论计算机体系结构是机器语言程序员看到的计算机属性，这些属性是计算机设计的基础。
本章介绍计算机体系结构的基本概念、主要特性及冯•诺依曼型计算机体系结构的改进与发展，讨论影响计算机体系结构发展的主要因素、计算机体系结构并行性发展的技术途径和实现并行处理的历程，阐述计算机体系结构、多机系统和多处理机系统的分类，分析计算机系统结构设计和量化分析的基本方法。
1.1 计算机体系结构的基本概念【问题小贴士】①对于一台汽车，任何使用者所看到的其功能及功能实现操作都是一样的；对于一台计算机(系统)，不同使用者所看到的其功能及功能实现操作是一样吗？以应用软件的开发者与使用者为例进行比较，对此应该引入哪些概念去理解呢？②建筑物设计可分为规划设计、土建设计和施工设计等三个层次，计算机(硬件)设计分为哪些层次呢？每个层次需要赋予哪些属性或完成哪些工作呢？③应用PC机开发的软件可以在ARM机上运行吗？如果不可以，怎样去实现呢？对此对计算机软硬有什么要求呢？1.1.1 影响计算机(硬件)性能提高的根本因素计算机在七十多年的发展历程中，可分为两个发展时期。
前三十多年为器件更新换代期，以逻辑器件设计为主体，通过器件个体性能的提高来提高计算机整体性能。
后三十多年为器件组织改进期，以逻辑器件组织为主体，通过器件组合性能的提高来提高计算机整体性能。
当然，器件更新一定促进器件组织的改进；器件组织一定程度上依赖于器件更新。
所以，影响计算机(硬件)性能提高的根本因素为器件更新与器件组织。
1. 器件更新是计算机(硬件)换代的基本标志自1946年第一台电子计算机问世以来，以器件更新为标志，计算机经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模超大规模集成电路等四代演变过程。
由于器件的发展及其性能提高，使得计算机在体积、重量、速度、可靠性、稳定性等方面得到极大改善，价格也不断降低。
器件是推动计算机发展的物质基础，器件设计制造的发展，为计算机发展提供必不可少的技术保障。
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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：
1.5 集成电路功耗的发展趋势
电压降低：可以在很大程度上减少动态功率 和能耗，在过去的20年中，电压从5V降 低到接近1V的水平。
电容性负载：由连接到输出的晶体管数目以 及决定电线和晶体管电容的实现技术确定
1.6 成本的发展趋势
例子：直径为30cm 晶圆上有多少边长为 1.5cm的晶片？
以上仅仅给出每个晶圆上可以容纳的晶片的最大 数目，关键问题是每个晶圆上合格晶片的比率 如何计算？
1.6 成本的发展趋势
晶片的成品率
假设有缺陷的产品在晶片中随机分布且成品率与 制造过程的复杂度成反比，则有以下经验公式
CPI=一个程序的CPU时钟周期数/该程序的指令数 CPU时间=指令数*CPI*时钟周期
结论：处理器性能与三个因素有关，程序的指令数 、每条指令执行所需要的时钟周期数和时钟周 期长度，这三个因素对CPU时间影响是相同的
1.9 计算机设计的量化原则
处理器性能
指令数：由指令集系统结构和编译器技术决定 CPI：由计算机组成和指令系统结构决定 时钟周期：由硬件技术和计算机组成决定 总的处理器时钟周期数：
1.3 计算机系统结构定义
指令集系统结构
指令集系统结构（ISA，Instruction Set Architecture）指的是可见的实际指令系统， ISA作 用相当于硬件和软件之间的分界
包含以下内容：
1）ISA分类 归类为通用寄存器系统结构，其操作数是寄存器或 者存储器地址，16/32位通用寄存器或浮点寄存器
1.9 计算机设计的量化原则
关注经常性事件 计算机设计中最广泛的准则是提 高经常性事件的执行速度，就是说，在设计时 必须优先考虑经常性事件；此外，经常出现的 情况比不经常出现的情况要简单一些，因而提 高性能相对容易
Amdahl定律 该定律是对“关注经常性事件”原 则进行量化。Amdahl定律描述为：通过使用 某种较快的执行方式所获得的性能提高，受限 于可使用这种较快执行方式的时间所占的比例
1.4 实现技术的发展趋势
以下四种实现技术对计算机的发展最为重要： 1）集成电路技术 晶体管密度以每年35%的速度增长，四年翻两番，芯 片尺寸每年增长15%左右，使得每个芯片上晶体管数 目以每年50%左右速度增加。 2）DRAM（动态随机存取存储器） 容量每年增长40%，每两年翻一番 3）磁盘技术 1990年以前，每三年翻一番，此后提高到每年60% ，2004年以后又回落到每年30%
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）
1.8 计算机性能测量
评价计算机性能的指标：响应时间和吞吐量
计算机用户关心的是如何减小响应时间，而大型数据处理 中心的管理员关心的是如何增大吞吐量
基准测试程序
测试性能最好用包含真实应用基准测试程序，如编译器 等，运行比实际应用简单的程序来评价性能缺乏说服力
基准测试程序集
包括桌面基准测试程序和服务器基准测试程序
1.2 计算机的分类
嵌入式计算机
增长最快，智能设备随处可见，其处理能力和价格覆 盖范围很广。 嵌入式应用的特点 ： 1）实时性 如数字机顶盒，视频帧处理时间必须有限 2）最小化存储器需求 涉及到代码量大小问题 3）最小化功耗需求 优化功耗同样重要
1.3 计算机系统结构定义
定义
早期的计算机系统结构通常是指指令系统设 计，计算机设计的其他方面则称为实现 这种定义忽视了计算机实现技术面临的挑战 回顾：指令集系统结构
1.6 成本的发展趋势
集成电路的成本
集成电路的成本是影响计算机总成本的重要因 素，分析整机的成本就必须先研究芯片的成本 硅晶片生产程序：先对一个晶圆进行测试，然后 把晶圆切割为晶片，再对每个晶片进行封装
1.6 成本的发展趋势
成本计算公式
集成电路成本=（晶片成本+晶片测试成本+封装成本） /最终成品数目 晶片成本=晶圆成本/（每片晶圆的晶片数*晶片成品率）
1.9 计算机设计的量化原则
Amdahl定律定义了采用某种增强措施所取得的加 速比，加速比定义如下：
或者
1.9 计算机设计的量化原则
Amdahl定律为计算某些情况下的加速比提供了一 种简洁的方法，加速比取决于以下两个因素
1）在原有的计算机上，能被改进并增强的部分在总执行时 间中所占的比例 2）通过增强的执行方式所取得的改进，即整个程序使用了 增强的执行方式后，该任务执行速度提高的程度
从模块可用直至发生故障时的持续服务实现，平均故 障时间（MTTF , Mean Time To Failure）是一个可 靠性度量方法；服务中断以平均修复时间（MTTR , Mean Time To Repair）来度量
模块可用性
是对于在完成和中断两个状态间变迁所完成的服务度量
1.7 可靠性
例子：假设一个磁盘系统有如下组件和MTTF： 1）10个磁盘，每一个是1000000小时的MTTF 2) 1个SCSI控制器，500000小时的MTTF 3) 1个电源，200000小时的MTTF 4) 1个风扇，200000小时的MTTF 5) 1条SCSI电缆，1000000小时的MTTF 试计算该磁盘系统的MTTF
核心内容：计算机量化研究方法对程序的观 察实验和模拟
1.2 计算机的分类
桌面计算机
占有市场最大份额，从低端到高端不等，性 价比是设计者关注的焦点，桌面计算机是最 新、最高性能微处理器和低成本微处理器最 先应用的领域
1.2 计算机的分类
服务器
提供更大规模及更可靠文件与计算服务，万维网的出 现加速了这种服务 服务器注重以下特性： 1）可靠性 最关键，必须保证长期运转，不能出现故障，否则后果 很严重，会造成重大经济损失（P4 图1.3） 2）可扩展性 随服务需求或功能需求能随之扩展 3）吞吐量 单位时间处理的事务数要越多越好
ห้องสมุดไป่ตู้
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 晶体管密度：由于芯片上单位面积晶体管数目由 单个晶体管表面积大小决定，所以晶体管密度 与特征尺寸大小的平方成反比 与晶体管性能改进相比，连线延迟改进空间更大
1.9 计算机设计的量化原则
关注四个方面的内容：并行性、局部性原理、 经常性事件和Amdahl定律
采用并行性 采用并行性是改善计算机性能的一种 重要方法，如指令级并行、线程级并行以及数 字设计层面上的并行性等
局部性原理 程序经常会重复使用它最近使用过的 指令和数据，有两种类型，分别为时间局部性 原理和空间局部性原理
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
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
第1章 计算机设计基本原理
1.1 简介 计算机技术在近60年时间内性能飞速发展 前25年： 以 25%/年 速度增长 70年代末：以35%/年 速度增长 80年代初：精简指令集计算机(RISC)出现， 使得计算机性能每年以超过50%速度 增长。
1.1 简介
RISC（Ruduced Instruction Set Computer） 诞生于80年代初期，关注两种关键的实现 技术：指令级并行和Cache的使用 指令级并行：流水线多发射指令 Cache：高速缓存，简单组织复杂结构及优 化
类似的例子见P28
1.9 计算机设计的量化原则
处理器性能公式
一个程序的CPU时间度量公式： CPU时间=一个程序的CPU时钟周期数*时钟周期长度
或者
CPU时间=一个程序的CPU时钟周期数/时钟频率
1.9 计算机设计的量化原则
处理器性能
指令平均时钟周期（CPI，Clock cycles Per Instruction） 指令路径长度或指令数（IC , Instruction Count）
a为衡量工艺复杂度的参数，大概与掩膜层数相对应，对 多层金属CMOS生产流程而言，一般取a=4.0
1.6 成本的发展趋势
例子：设单位面积残次品密度为 ，分别求 边长为1.5cm和1.0cm晶片的成品率 1.5cm晶片成品率为
1.0cm晶片成品率为 结论：晶片面积越小，成品率越高
1.7 可靠性
模块可靠性
1.5 集成电路功耗的发展趋势
例子：目前一些微处理器采用可调整电压技 术，当电压下降15%时，频率也会下降 15%，这对动态功率有何影响？
由于电容不变，电压的平方和频率之比为：
动态功率比原来减少40%的功率 思考静态功率？
1.6 成本的发展趋势
成本问题比较复杂，教科书中往往忽略性 价比中的成本因素，但当设计者想增加某 一功能特性时，必须考虑成本因素，这里 我们主要考虑集成电路的成本