计算机组织与系统结构
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如何使得程序运行的更快 应用程序需要哪种类型的硬件支持 技术、结构将如何变化
北京大学计算机科学技术系 17
北京大学微处理器研究开发中心
技术工艺
DRAM芯片容量
Microprocessor Logic Density
100000000
DRAM
年代 1980
大小 64 Kb
10000000
R10000
Pentium R4400
last year’s software is embedded directly [for example] in readonly memory on a memory management
chip where it is invisibly invoked by the programs being managed.
1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995
Performance
技术工艺迅猛发展
•处理器
•逻辑门数： 每年 ≈ 30% •时钟频率： 每年 ≈ 20%
•存储器
•RAM容量： 每年 ≈ 60%（每3年 4 倍）
北京大学微处理器研究开发中心
Moore’s Law
1995
.35μm
0.35µm
1997
.20μm
0.25µm
1999
.13μm
0.18µm
Production
2001
ready
2003
Terahertz Transistor Structure
70nm
0.13µm
50nm
90nm
Raised Source /
寄存器传输级别 (RTL) 的规范！
从逻辑设计人员的角度来看
指令系统体系结构 功能部件 & 互联
北京大学计算机科学技术系 13
北京大学微处理器研究开发中心
Pentium 4 的基本构成
计算机组成示例
TI SuperSPARC™ TMS390Z50 in Sun SPARCstation20
SuperSPARC
R0 - R31
PC HI LO
指令格式
OP
rs
rt
rd
sa
OP
rs
rt
immediate
OP
target
funct
北京大学计算机科学技术系 11
北京大学微处理器研究开发中心
指令系统体系结构示例
DEC Alpha HP PA-RISC Sun Sparc
(v1, v3) (v1.1, v2.0) (v8,v9)
Building Blocks Processor Basics
What hardware can I build?
What hardware can I build next year?
Digital Design
北京大学计算机科学技术系 18
Computer architect must be broad!
SBus
SBus DMA
SCSI Ethernet
SBus Cards
STDIO
serial kbd mouse audio RTC Boot PROM Floppy
北京大学微处理器研究开发中心
Pentium 4 的微体系结构
北京大学计算机科学技术系 15
北京大学微处理器研究开发中心
北京大学计算机科学技术系 16
北京大学微处理器研究开发中心
Role within Curriculum
Architecture Bridges from
Fundamental Operating
Structures
Systems
Compilers EE to CS
Data Structures Mem. Mgmt Code Generation Applications Scheduling Optimization
What is an “ISA”?
... the attributes of a system as seen by the programmer, i.e., the conceptual structure and functional behavior, as distinct from the organization of the data flows and controls, the logic design, and the physical implementation.
target address
26 bits
北京大学微处理器研究开发中心
计算机组成
主要功能部件的实际能力和性能 特性
例如, 寄存器, ALU, 移位器, 逻辑部件, 等等
部件之间的互联方式 部件之间信息的流动 控制这些信息流动的逻辑和方法 为实现指令系统体系结构, 功能
部件协作、运行的情况
北京大学微处理器研究开发中心
指令系统:一个关键界面
软件 硬件
指令系统
北京大学计算机科学技术系 8
北京大学微处理器研究开发中心
Hardware/Software Interface:
The line between hardware and software becomes somewhat fuzzy when
1983
256 Kb
1000000
i80486
Transistors
1986
1 Mb
i80386
1989 1992 1996 1999 2002
4 Mb 16 Mb 64 Mb 256 Mb 1 Gb
100000
i80286
R3010
10000
1000 1965
i4004 1970 1975
i8086
The Hardware/Software Interface, Second Edition, 1998，Patterson and Hennessy 机械工业出版社（影印本）
主讲教师：
程旭 教授 佟冬 副教授
北京大学微处理器研究开发中心
助课教师：
钮燕 庞九凤 北大理科1号楼八层
北京大学计算机科学技术系 2
1992--97 1986-96 1987-95
SGI MIPS Intel
(MIPS I, II, III, IV,V)
1986-96
(8086,80286,80386,
1976-2001
80486,Pentium,MMX,
PentiumPro, Pentium II, Pentium III，IV
北京大学微处理器研究开发中心
课程主题
每位计算机科学家和工程人员都应该了解计算机的内部机理
为什么?
一些人将设计、制造计算机 每个人都将使用计算机
{ 了解得越多，使用得越有效
以用户为中心的计算机系统
本课程将使你能够更好地启迪用户 考虑整个计算机系统：处理器、存储器、I/O、存储系统、网络
有益收获
R型
op
ห้องสมุดไป่ตู้
6 bits
31
26
I型
op
6 bits
J型
31
26
op
6 bits
北京大学计算机科学技术系 12
21 rs 5 bits
21 rs 5 bits
16
11
6
0
rt
rd
shamt
funct
5 bits
5 bits
16
5 bits
6 bits 0
rt
immediate
5 bits
16 bits 0
C Programming Concurrency
What are the application requirements?
What features are required
to support O.S.?
Computer Architecture
What features can optimizing compilers use?
- Harold Stone, 1987
北京大学计算机科学技术系 9
北京大学微处理器研究开发中心
MIPS R3000 指令系统结构
指令分类
装入/存储(Load/Store) 计算(Computational) 跳转和转移(Jump and Branch) 浮点(Floating Point)
{ 协处理器(coprocessor) 存储管理(Memory Management) 特殊指令(Special)
计算机组织与系统结构
课程介绍
（第一讲 ）
程旭
2006年2月24日
北京大学计算机科学技术系 1
北京大学微处理器研究开发中心
本讲进度安排
课程概述 课程特点和结构 计算机组成和系统结构
北京大学计算机科学技术系 3
北京大学微处理器研究开发中心
主要教材：
Computer Organization and Design:
• 五十年代~六十年代: •七十年代~八十年代:
计算机组织与系统结构课程
计算机算逻设计
计算机组织与系统结构课程
指令系统设计, 特别是针对编译的ISA设计
• 九十年代:
北京大学计算机科学技术系 7
计算机组织与系统结构课程
CPU设计、存储系统、I/O系统、 多处理器、网络 等
北京大学微处理器研究开发中心
Tel:62765828
北京大学微处理器研究开发中心
“计算机系统结构(Computer Architecture)”
计算机系统结构 = 指令系统体系结构 + 机器组成 + …
Computer Architecture = Instruction Set Architecture + Machine Organization + …
SU MIPS
1980 1985 1990
i80x86 M68K MIPS Alpha
1995 2000
2005
• 1985年左右, 出现了 单片处理器(32位)和单板机 => 推动了 工作站、个人计算机、多处理器
• 2002年左右，很可能会出现大型机级别的单片计算机（IBM POWER4）
北京大学计算机科学技术系 19
Drain
Gate
<30nm Silicon
Oxide
High-k Gate Dielectric
Gate width
Fully Depleted Channel
2005
30nm
65nm
2007
20nm
45nm
2009
15nm
32nm
北京大学计算机科学技术系 20
Source: Intel 北京大学微处理器研究开发中心
Amdahl, Blaaw, and Brooks, 1964
-- 可编程存贮系统的组成
-- 数据类型 & 数据结构: 编码 & 表示
-- 指令格式
-- 指令 (或操作码) 集合
-- 对数据项和指令进行寻址和访问的模式
-- 意外情况
北京大学计算机科学技术系 5
软件
北京大学微处理器研究开发中心
计算机系统结构的定义变化
- Amdahl, Blaaw, and Brooks, 1964
... the portion of the machine visible to the programmer or compiler writer.
- Hennessey and Patterson, 1990
北京大学计算机科学技术系 6
北京大学计算机科学技术系 4
北京大学微处理器研究开发中心
指令系统体系结构(Instruction Set Architecture)
. . . the attributes of a [computing] system as seen by the programmer, i.e. the conceptual structure and functional behavior, as distinct from the organization of the data flows and controls the logic design, and the physical implementation.
•存储器速度：每年 ≈ 10% •每位成本： 每年 ≈ 25%
•磁盘
•容量： 每年 ≈ 60% 使用的总数据量 100%/9个月
•网络带宽
•网络带宽： 每年 〉 100%
北京大学计算机科学技术系 21
北京大学微处理器研究开发中心
处理器性能（SPEC）
IA-64...
北京大学计算机科学技术系 10
北京大学微处理器研究开发中心
MIPS R3000 指令系统体系结构
•指令分类
•装入/存储 •计算 •跳转与转移
寄
R0 -- R31
存
•浮点指令 (协处理器) •存储管理 •特殊
PC
器
HI
堆
LO
所有的 MIPS 指令都是32位长。具有如下三种格式：
31
26
MBus Module
Floating-point Unit Integer Unit
L2 CC $
MBus
DRAM Controller
Inst Cache
Ref MMU
Data Cache
Store Buffer
Bus Interface
北京大学计算机科学技术系 14
L64852 MBus control M-S Adapter
北京大学计算机科学技术系 17
北京大学微处理器研究开发中心
技术工艺
DRAM芯片容量
Microprocessor Logic Density
100000000
DRAM
年代 1980
大小 64 Kb
10000000
R10000
Pentium R4400
last year’s software is embedded directly [for example] in readonly memory on a memory management
chip where it is invisibly invoked by the programs being managed.
1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995
Performance
技术工艺迅猛发展
•处理器
•逻辑门数： 每年 ≈ 30% •时钟频率： 每年 ≈ 20%
•存储器
•RAM容量： 每年 ≈ 60%（每3年 4 倍）
北京大学微处理器研究开发中心
Moore’s Law
1995
.35μm
0.35µm
1997
.20μm
0.25µm
1999
.13μm
0.18µm
Production
2001
ready
2003
Terahertz Transistor Structure
70nm
0.13µm
50nm
90nm
Raised Source /
寄存器传输级别 (RTL) 的规范！
从逻辑设计人员的角度来看
指令系统体系结构 功能部件 & 互联
北京大学计算机科学技术系 13
北京大学微处理器研究开发中心
Pentium 4 的基本构成
计算机组成示例
TI SuperSPARC™ TMS390Z50 in Sun SPARCstation20
SuperSPARC
R0 - R31
PC HI LO
指令格式
OP
rs
rt
rd
sa
OP
rs
rt
immediate
OP
target
funct
北京大学计算机科学技术系 11
北京大学微处理器研究开发中心
指令系统体系结构示例
DEC Alpha HP PA-RISC Sun Sparc
(v1, v3) (v1.1, v2.0) (v8,v9)
Building Blocks Processor Basics
What hardware can I build?
What hardware can I build next year?
Digital Design
北京大学计算机科学技术系 18
Computer architect must be broad!
SBus
SBus DMA
SCSI Ethernet
SBus Cards
STDIO
serial kbd mouse audio RTC Boot PROM Floppy
北京大学微处理器研究开发中心
Pentium 4 的微体系结构
北京大学计算机科学技术系 15
北京大学微处理器研究开发中心
北京大学计算机科学技术系 16
北京大学微处理器研究开发中心
Role within Curriculum
Architecture Bridges from
Fundamental Operating
Structures
Systems
Compilers EE to CS
Data Structures Mem. Mgmt Code Generation Applications Scheduling Optimization
What is an “ISA”?
... the attributes of a system as seen by the programmer, i.e., the conceptual structure and functional behavior, as distinct from the organization of the data flows and controls, the logic design, and the physical implementation.
target address
26 bits
北京大学微处理器研究开发中心
计算机组成
主要功能部件的实际能力和性能 特性
例如, 寄存器, ALU, 移位器, 逻辑部件, 等等
部件之间的互联方式 部件之间信息的流动 控制这些信息流动的逻辑和方法 为实现指令系统体系结构, 功能
部件协作、运行的情况
北京大学微处理器研究开发中心
指令系统:一个关键界面
软件 硬件
指令系统
北京大学计算机科学技术系 8
北京大学微处理器研究开发中心
Hardware/Software Interface:
The line between hardware and software becomes somewhat fuzzy when
1983
256 Kb
1000000
i80486
Transistors
1986
1 Mb
i80386
1989 1992 1996 1999 2002
4 Mb 16 Mb 64 Mb 256 Mb 1 Gb
100000
i80286
R3010
10000
1000 1965
i4004 1970 1975
i8086
The Hardware/Software Interface, Second Edition, 1998，Patterson and Hennessy 机械工业出版社（影印本）
主讲教师：
程旭 教授 佟冬 副教授
北京大学微处理器研究开发中心
助课教师：
钮燕 庞九凤 北大理科1号楼八层
北京大学计算机科学技术系 2
1992--97 1986-96 1987-95
SGI MIPS Intel
(MIPS I, II, III, IV,V)
1986-96
(8086,80286,80386,
1976-2001
80486,Pentium,MMX,
PentiumPro, Pentium II, Pentium III，IV
北京大学微处理器研究开发中心
课程主题
每位计算机科学家和工程人员都应该了解计算机的内部机理
为什么?
一些人将设计、制造计算机 每个人都将使用计算机
{ 了解得越多，使用得越有效
以用户为中心的计算机系统
本课程将使你能够更好地启迪用户 考虑整个计算机系统：处理器、存储器、I/O、存储系统、网络
有益收获
R型
op
ห้องสมุดไป่ตู้
6 bits
31
26
I型
op
6 bits
J型
31
26
op
6 bits
北京大学计算机科学技术系 12
21 rs 5 bits
21 rs 5 bits
16
11
6
0
rt
rd
shamt
funct
5 bits
5 bits
16
5 bits
6 bits 0
rt
immediate
5 bits
16 bits 0
C Programming Concurrency
What are the application requirements?
What features are required
to support O.S.?
Computer Architecture
What features can optimizing compilers use?
- Harold Stone, 1987
北京大学计算机科学技术系 9
北京大学微处理器研究开发中心
MIPS R3000 指令系统结构
指令分类
装入/存储(Load/Store) 计算(Computational) 跳转和转移(Jump and Branch) 浮点(Floating Point)
{ 协处理器(coprocessor) 存储管理(Memory Management) 特殊指令(Special)
计算机组织与系统结构
课程介绍
（第一讲 ）
程旭
2006年2月24日
北京大学计算机科学技术系 1
北京大学微处理器研究开发中心
本讲进度安排
课程概述 课程特点和结构 计算机组成和系统结构
北京大学计算机科学技术系 3
北京大学微处理器研究开发中心
主要教材：
Computer Organization and Design:
• 五十年代~六十年代: •七十年代~八十年代:
计算机组织与系统结构课程
计算机算逻设计
计算机组织与系统结构课程
指令系统设计, 特别是针对编译的ISA设计
• 九十年代:
北京大学计算机科学技术系 7
计算机组织与系统结构课程
CPU设计、存储系统、I/O系统、 多处理器、网络 等
北京大学微处理器研究开发中心
Tel:62765828
北京大学微处理器研究开发中心
“计算机系统结构(Computer Architecture)”
计算机系统结构 = 指令系统体系结构 + 机器组成 + …
Computer Architecture = Instruction Set Architecture + Machine Organization + …
SU MIPS
1980 1985 1990
i80x86 M68K MIPS Alpha
1995 2000
2005
• 1985年左右, 出现了 单片处理器(32位)和单板机 => 推动了 工作站、个人计算机、多处理器
• 2002年左右，很可能会出现大型机级别的单片计算机（IBM POWER4）
北京大学计算机科学技术系 19
Drain
Gate
<30nm Silicon
Oxide
High-k Gate Dielectric
Gate width
Fully Depleted Channel
2005
30nm
65nm
2007
20nm
45nm
2009
15nm
32nm
北京大学计算机科学技术系 20
Source: Intel 北京大学微处理器研究开发中心
Amdahl, Blaaw, and Brooks, 1964
-- 可编程存贮系统的组成
-- 数据类型 & 数据结构: 编码 & 表示
-- 指令格式
-- 指令 (或操作码) 集合
-- 对数据项和指令进行寻址和访问的模式
-- 意外情况
北京大学计算机科学技术系 5
软件
北京大学微处理器研究开发中心
计算机系统结构的定义变化
- Amdahl, Blaaw, and Brooks, 1964
... the portion of the machine visible to the programmer or compiler writer.
- Hennessey and Patterson, 1990
北京大学计算机科学技术系 6
北京大学计算机科学技术系 4
北京大学微处理器研究开发中心
指令系统体系结构(Instruction Set Architecture)
. . . the attributes of a [computing] system as seen by the programmer, i.e. the conceptual structure and functional behavior, as distinct from the organization of the data flows and controls the logic design, and the physical implementation.
•存储器速度：每年 ≈ 10% •每位成本： 每年 ≈ 25%
•磁盘
•容量： 每年 ≈ 60% 使用的总数据量 100%/9个月
•网络带宽
•网络带宽： 每年 〉 100%
北京大学计算机科学技术系 21
北京大学微处理器研究开发中心
处理器性能（SPEC）
IA-64...
北京大学计算机科学技术系 10
北京大学微处理器研究开发中心
MIPS R3000 指令系统体系结构
•指令分类
•装入/存储 •计算 •跳转与转移
寄
R0 -- R31
存
•浮点指令 (协处理器) •存储管理 •特殊
PC
器
HI
堆
LO
所有的 MIPS 指令都是32位长。具有如下三种格式：
31
26
MBus Module
Floating-point Unit Integer Unit
L2 CC $
MBus
DRAM Controller
Inst Cache
Ref MMU
Data Cache
Store Buffer
Bus Interface
北京大学计算机科学技术系 14
L64852 MBus control M-S Adapter