计算机系统结构第1章教材
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计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软 硬件界面的确定
• 计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功 能上是同等的。 • 同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固 件实现。 系列计算机概念：相同系统结构，不同组成和实现 的一系列计算机系统。
计算机系统结构
1.1.3 计算机组成
计算机组成指计算机系统结构的逻辑实现，主要包括：
• 专用器件的设计 • 器件、模块、插件、底版的划分与连接 • 信号传输技术 • 电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技术等
计算机系统结构
计算机系统结构、计算机组成和计算机实现之间的关系： • 系统结构－组成－实现，组成和实现的改进推动系统结 构的进步； • 随着技术、器件和应用的发展，三者间界限越来越模糊。
第2级 机器语言 目标程序
机器语言程序员
第1级 微程序控制 寄存器逻辑 第0级 硬联逻辑 逻辑线路
逻辑设计员
硬件设计员
计算机系统结构
1.1.2 计算机系统结构定义
计算机＝软件＋硬件
两种定义： 定义1：Amdahl于1964年提出：程序员所看到的 计算机系统属性，即概念性结构和功能特性 看到的：编写出能在机器上正确运行的程序所必须 了解到的。
等均有关
计算机系统结构
2、指令执行速度
计算机系统结构
概念结构
主存储器 主存控制器 ＩＯＰ
打印机 卡片机 终 端
ＣＰＵ
ＩＯＰ
磁盘机 磁带机
IOP：IO控制器
计算机系统结构
功能特性：指令系统及其执行模式
• 数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型和 格式； • 寻址方式：最小寻址单位、寻址方式的种类和地址 运算等； • 寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄 存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等； • 指令系统：机器指令的操作类型、格式，指令间的 排序和控制机制；
应用语言 应用程序 高级语言 解释程序 编译程序 汇编语言 汇编程序
第6级 应用程序 信息处理系统
用 户
第5级 高级语言 可执行程序
高级语言程序员
第4级 汇编语言 可执行程序
汇编语言程序员
系统原语 键盘命令 操作系统
第3级 操作系统 系统资源
系统操作员
计算机系统结构
指令系统 中央处理机 指令时序 微程序控制 操作时序 硬联逻辑
• 确定数据通路的宽度 • 确定各种操作对功能部件的共享程度 • 确定专用的功能部件 • 确定功能部件的并行度 • 设计缓冲和排队策略 • 设计控制机构
• 确定采用何种可靠性技术
计算机系统结构
1.1.4 计算机实现
计算机实现是指计算机组成的物理实现，包括：
• 处理机、主存储器等部件的物理结构
• 器件的集成度和速度
Intel 的第一块CPU—4004
计算机系统结构
1.1 计算机系统结构 1.1.1 计算机系统的多级层次模型
第 6 级：应用程序 第 5 级：高级语言 第 4 级：汇编语言 第 3 级：操作系统 第 2 级：机器语言 第 1 级：微程序
硬件 软硬件分界 系统软件 应用软件
第 0 级：硬联逻辑
计算机系统结构
例如：浮点数表示、乘法指令 对高级语言程序员、应用程序员透明 对汇编语言程序员、机器语言程序员不透明 例如：数据总线宽度、微程序
对汇编语言程序员、机器语言程序员透明
对硬件设计者、计算机维修人员不透明 透明度越高，编程越简单，执行效率降低 透明度越低，编程越复杂，执行效率提高
计算机系统结构
定义2：
语言 • 2、1955－1964：分立式晶体管、铁磁心存储器、单层 PCB，变址寄存器，浮点运算，高级语言＋批处理监控； • 3、1965－1974：SSI、MSI，多层PCB，微程序控制，
Cache，多道程序并行，分时OS，IBM360/370；
• 4、1975－1990：LSI、VLSI，半导体存储器，并行处理， 分布处理；
只电阻，5万多个焊点，长30.48米，宽1米，占地面积约
170平方米，30个操作台，约相当于10间普通房间的大小， 重达30吨，消耗功率150kW。
计算机系统结构
透视计算机的心脏——CPU
4004,Intel最早的 CPU，集成有2，250 个晶体管，晶体管之 间的距离是10微米 （即10000纳米）， 主频0.74MHz。
• 5、1991～ ：VLSI，ULSI，大规模并行处理
计算机系统结构
推动计算机性能提高的两个关键因素:
• 组成器件：电子管－晶体管－集成电路 • 系统结构的改进
计算机系统结构
第一台电子计算机：ENIAC
计算机系统结构
ENIAC的总成本为48万6千8百美元。它是一个有18000多 只电子管，7200只晶体二极管，10000多只电容，7000多
第一章
基本概念
介绍计算机系统结构的一些基本知识。包括定性知识和定 量知识两大内容。 定性知识：本课程经常使用的一些名词概念，以及对计算 机的定性认识、分析方法。 定量知识：对计算机性能进行定量评价的几个重要公式。
计算机系统结构
计算机发展的五个阶段
• 1、1945－1954：电子管、继电器，定点运算、机器/汇编
计算机系统结构
计算机组成
计算机实现 计算机系统结构
1.2 计算机系统的评价标准
1.2.1 性能评测的常用方法
1.2.2 其他性能
1.2.3 价格标准
计算机系统结构
1.2.1 性能评测的常用方法
以运算速度为主
1、时钟频率（主频）：如：
只表示CPU的指令处理能力
实际运算速度还与Cache、内存、I/O、被执行程序
计算机系统结构
Computer Architecture
计算机系统结构
•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 计算机属性
•学习目的
建立计算机系统的完整概念 学习计算机系统的分析方法和设计方法
了解计算机系统的最新研究成果
百度文库计算机系统结构
计算机系统结构
•中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；
•存储系统：最小编址单位、编址方式、主存容量、最 大寻址空间等；
•输入输出系统：连接方式、数据交换方式、数据交换 过程的控制等； •信息保护: 信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。
计算机系统结构
透明性概念
本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在
• 计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功 能上是同等的。 • 同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固 件实现。 系列计算机概念：相同系统结构，不同组成和实现 的一系列计算机系统。
计算机系统结构
1.1.3 计算机组成
计算机组成指计算机系统结构的逻辑实现，主要包括：
• 专用器件的设计 • 器件、模块、插件、底版的划分与连接 • 信号传输技术 • 电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技术等
计算机系统结构
计算机系统结构、计算机组成和计算机实现之间的关系： • 系统结构－组成－实现，组成和实现的改进推动系统结 构的进步； • 随着技术、器件和应用的发展，三者间界限越来越模糊。
第2级 机器语言 目标程序
机器语言程序员
第1级 微程序控制 寄存器逻辑 第0级 硬联逻辑 逻辑线路
逻辑设计员
硬件设计员
计算机系统结构
1.1.2 计算机系统结构定义
计算机＝软件＋硬件
两种定义： 定义1：Amdahl于1964年提出：程序员所看到的 计算机系统属性，即概念性结构和功能特性 看到的：编写出能在机器上正确运行的程序所必须 了解到的。
等均有关
计算机系统结构
2、指令执行速度
计算机系统结构
概念结构
主存储器 主存控制器 ＩＯＰ
打印机 卡片机 终 端
ＣＰＵ
ＩＯＰ
磁盘机 磁带机
IOP：IO控制器
计算机系统结构
功能特性：指令系统及其执行模式
• 数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型和 格式； • 寻址方式：最小寻址单位、寻址方式的种类和地址 运算等； • 寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄 存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等； • 指令系统：机器指令的操作类型、格式，指令间的 排序和控制机制；
应用语言 应用程序 高级语言 解释程序 编译程序 汇编语言 汇编程序
第6级 应用程序 信息处理系统
用 户
第5级 高级语言 可执行程序
高级语言程序员
第4级 汇编语言 可执行程序
汇编语言程序员
系统原语 键盘命令 操作系统
第3级 操作系统 系统资源
系统操作员
计算机系统结构
指令系统 中央处理机 指令时序 微程序控制 操作时序 硬联逻辑
• 确定数据通路的宽度 • 确定各种操作对功能部件的共享程度 • 确定专用的功能部件 • 确定功能部件的并行度 • 设计缓冲和排队策略 • 设计控制机构
• 确定采用何种可靠性技术
计算机系统结构
1.1.4 计算机实现
计算机实现是指计算机组成的物理实现，包括：
• 处理机、主存储器等部件的物理结构
• 器件的集成度和速度
Intel 的第一块CPU—4004
计算机系统结构
1.1 计算机系统结构 1.1.1 计算机系统的多级层次模型
第 6 级：应用程序 第 5 级：高级语言 第 4 级：汇编语言 第 3 级：操作系统 第 2 级：机器语言 第 1 级：微程序
硬件 软硬件分界 系统软件 应用软件
第 0 级：硬联逻辑
计算机系统结构
例如：浮点数表示、乘法指令 对高级语言程序员、应用程序员透明 对汇编语言程序员、机器语言程序员不透明 例如：数据总线宽度、微程序
对汇编语言程序员、机器语言程序员透明
对硬件设计者、计算机维修人员不透明 透明度越高，编程越简单，执行效率降低 透明度越低，编程越复杂，执行效率提高
计算机系统结构
定义2：
语言 • 2、1955－1964：分立式晶体管、铁磁心存储器、单层 PCB，变址寄存器，浮点运算，高级语言＋批处理监控； • 3、1965－1974：SSI、MSI，多层PCB，微程序控制，
Cache，多道程序并行，分时OS，IBM360/370；
• 4、1975－1990：LSI、VLSI，半导体存储器，并行处理， 分布处理；
只电阻，5万多个焊点，长30.48米，宽1米，占地面积约
170平方米，30个操作台，约相当于10间普通房间的大小， 重达30吨，消耗功率150kW。
计算机系统结构
透视计算机的心脏——CPU
4004,Intel最早的 CPU，集成有2，250 个晶体管，晶体管之 间的距离是10微米 （即10000纳米）， 主频0.74MHz。
• 5、1991～ ：VLSI，ULSI，大规模并行处理
计算机系统结构
推动计算机性能提高的两个关键因素:
• 组成器件：电子管－晶体管－集成电路 • 系统结构的改进
计算机系统结构
第一台电子计算机：ENIAC
计算机系统结构
ENIAC的总成本为48万6千8百美元。它是一个有18000多 只电子管，7200只晶体二极管，10000多只电容，7000多
第一章
基本概念
介绍计算机系统结构的一些基本知识。包括定性知识和定 量知识两大内容。 定性知识：本课程经常使用的一些名词概念，以及对计算 机的定性认识、分析方法。 定量知识：对计算机性能进行定量评价的几个重要公式。
计算机系统结构
计算机发展的五个阶段
• 1、1945－1954：电子管、继电器，定点运算、机器/汇编
计算机系统结构
计算机组成
计算机实现 计算机系统结构
1.2 计算机系统的评价标准
1.2.1 性能评测的常用方法
1.2.2 其他性能
1.2.3 价格标准
计算机系统结构
1.2.1 性能评测的常用方法
以运算速度为主
1、时钟频率（主频）：如：
只表示CPU的指令处理能力
实际运算速度还与Cache、内存、I/O、被执行程序
计算机系统结构
Computer Architecture
计算机系统结构
•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 计算机属性
•学习目的
建立计算机系统的完整概念 学习计算机系统的分析方法和设计方法
了解计算机系统的最新研究成果
百度文库计算机系统结构
计算机系统结构
•中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；
•存储系统：最小编址单位、编址方式、主存容量、最 大寻址空间等；
•输入输出系统：连接方式、数据交换方式、数据交换 过程的控制等； •信息保护: 信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。
计算机系统结构
透明性概念
本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在