第一章 计算机系统结构的基本概念
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具有相同系统结构的计算机可以采用不同的组成，一种计 算机组成可以采用多种不同的计算机实现； 采用不同的系统结构会使可以采用的组成技术产生差异， 计算机组成也会影响系统结构；
11
一种计算机系统结构，可以采用不同的组成
一种计算机系统结构 1. 设计指令系统 可以采用不同的组成 1. 指令间顺序执行 2. 指令间重叠执行 2. 乘法指令 1. 用加法器、移位器 2. 用专门乘法器 性能与价格 速度慢、价格低 速度快、价格高 速度慢、价格低 速度快、价格高 性能价格比、 乘法指令使 用频度 考虑因素 性能价格比
解：CPI1=100×2% + 4×23 % + 1.33×75%=3.92 CPI2 =4×25% + 1.33×75%=2
22
(2) 系统性能评价指标 MIPS(Million Instructions Per Second)每秒百万指令条数 IC fc MIPS = = 6 TCPU ×10 CPI ×10 6 MFLOPS(Million Floating Point Per Second)每秒百万浮点 操作次数
I FN MFLOPS = × 10 −6 TCPU
采用基准测试程序
最常见的测试程序组件是基于UNIX的SPEC，主要版本包括SPEC89、 SPEC92、SPEC95和SPEC2000等。
23
1.2.2 Amdahl定律 定律 加速比
若用T0表示某部件改进前执行某一任务所用的时间，Tn 表示改进后执行该任务所用的时间；Se表示可改进部件速 度提高的倍数，Fe表示可改进部件执行时间相对于T0 的比 值；则系统性能(或时间)加速比Sn的公式可表示如下：
17
冯泽云分类
提出用数据处理的并 行度来定量地描述各 种计算机系统特性。
WSBS（字串位串） WSBP（字串位并） WPBS（字并位串） WPBP（字并位并）
位片宽 WSBS
n
WSBP
m
WPBS WPBP
1
字宽
1 m’ n’
18
Leabharlann Baidu
1.2 计算机系统评测及定量设计原理
1.2.1 计算机系统性能评测 （1）CPU性能公式 (a) 一个程序所花的CPU时间: CPU :
3
第5级 虚拟机器 第4级 虚拟机器 第3级 虚拟机器 第2级 虚拟机器 第1级 实际机器 第0级 实际机器
应用语言机器级M5 具有L5机器语言（应用语言）
应用语言程序经应用程序 包翻译成高级语言程序 高级语言程序经编译程序翻译 成汇编语言（或是某种中间语 言程序，或是机器语言程序） 汇编语言程序经汇编程序 翻译成机器语言程序
CPU时间= CPU 时钟周期数 / 时钟频率f = CPU 时钟周期数 × 时钟周期 (b) CPI (Cycles Per Instruction) 每条指令平均时钟周期数 CPI= CPU 时钟周期数 / 指令条数IC 由(a) 、(b) 知
CPU时间 IC × CPI / f 时间= 时间
19
14
SM
PU1
IS CS DS DS1
MM1 MM2
PU2
DS2
CU
CS
CU MM
PU
PUn SISD
DSn IS
MMm
SIMD
CU：控制部件，PU：处理部件，MM：存储模块，SM：共享主存 IS：指令流，CS：控制流，DS：数据流
15
CS1
CU1 CU2
CS2
PU1 PU2
DS
SM
MM1
MM2
对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指： 对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指： (1) 数据表示 硬件能直接识别和处理的数据类型和格式） （硬件能直接识别和处理的数据类型和格式） (2) 寻址规则 包括最小寻址单元、寻址方式及其表示） （包括最小寻址单元、寻址方式及其表示） (3) 寄存器组织 （包括各种寄存器的定义、数量和使用方式） 包括各种寄存器的定义、数量和使用方式）
高级语言机器级M4 具有L4机器语言（高级语言）
汇编语言机器级M3 具有L3机器语言（汇编语言）
操作系统机器级M2 具有L2机器语言（作业控制语言等）
一般用机器语言程序解释 作业控制语句
传统机器语言机器级M1 具有L1机器语言（机器指令系统）
由微指令程序解释机器指令
微程序机器级M0 具有L0机器语言（微指令系统）
8
(4) 指令系统 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） （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） （中断的类型和中断响应硬件的功能等） (6) 处理机工作状态的定义和切换方式 如管态和目态等） （如管态和目态等） (7) 输入输出系统 包括I/O连接方式、处理机/存储器与I/O I/O连接方式 I/O设备间数据传送的方式和 （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） I/O操作的状态等 格式以及I/O操作的状态等） (8) 信息保护 包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持） （包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持）
1 Sn = = ≈ 156 . 0.4 0.64 0.6 + 10
25
1
Amdahl例2
假设某个测试程序中求浮点数平方根 FPSQR操作占整个测试程序执行时间的20%， 而所有浮点运算指令FP操作占整个程序执行时 间的50% 。 现有两种实现技术来提高系统性能，一种 是采用FPSQR硬件，使FPSQR操作的速度加快 到10倍。另一种实现方法是使所有浮点数据指 令的速度加快，使FP指令的速度提高到2倍。 请比较这两种设计方案。
26
Amdahl例2
解：分别计算出这两种设计方案所能得到 的加速比：
SPFPSQR = SPF = 1 (1− Fe ) + 1 (1− Fe ) + Fe Se Fe Se = = 1 ≈ 1.22 (1− 0.2) + 0.2 /10
1 ≈ 1.33 (1− 0.5) + 0.5 / 2
通过计算可以看出，使采用“提高FP指令的速度”，要比“FPSQR硬件” 方案好一些。
假设系统共有n种指令，第i种指令在程序中 出现的次数为Ii，则CPU时钟周期数为
∑ (CPI × I )
i =1 i i
n
即：
CPI =
∑ (CPI × I )
i =1 i i
n
IC
Ii = ∑ (CPI i × ) IC i =1
n
Ii IC 表示第i种指令在程序中所占的比例
20
举例1
一台40MHZ的处理机执行一标准测试程序，它含有的 的处理机执行一标准测试程序， 一台 各类指令条数和相应一条指令所需时钟周期数如下所示： 各类指令条数和相应一条指令所需时钟周期数如下所示：
12
1.1.4 计算机系统结构的分类
(1) Flynn分类法
弗林Flynn1966年提出按指令流和数据流的多倍性进行分类 指令流：是指机器执行的指令序列。 数据流：是指指令流调用的数据序列，包括输入数据和中 间结果。 多倍性：是指在系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的 指令或数据的最大可能个数。
13
TCPU =
IC × CPI 100000 × 1 .55 = = 3 .875 × 10 − 3 S 6 f 40 × 10
21
举例2
假设在程序中浮点数开平方操作FPSQR操作的 比例为2%，它的CPI=100；其它浮点操作FP的比 例为23%，FP操作的平均CPI=4，其余75%指令的 平均CPI=1.33，计算该处理机的等效CPI，如果 FPSQR操作的CPI也是4，重新计算CPI
第一章 计算机系统结构的基本概念
吕友波 哈尔滨商业大学 计算机学院 2011年 2011年8月
1
目录
计算机系统的多级层次结构 计算机系统结构、组成与实现 计算机系统评测及定量设计原理 系统结构中的并行性发展和计算机系统 的分类
2
1.1 计算机系统结构概念
1.1.1 计算机系统的层次结构
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， 高一级语言的语句相对于低级语言功能更强，更便于应 但又都以低级语言为基础。 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。
Flynn分类
SISD 单指令流单数据流
传统的单处理机属于SISD计算机
SIMD 单指令流多数据流
并行处理机是SIMD计算机的典型代表 我国的YH-I型是此类计算机型
MISD 多指令流单数据流
宏流水线、脉动阵列流水
MIMD 多指令流多数据流
包括了大多数多处理机及多计算机系统 我国的YH-II型计算机是这种类型的计算机
指令类型 整数运算 数据传送 浮 点 控制传送 指令条数 45000条 32000条 32000 15000条 8000条 时钟周期数 1 2 2 2
求 CPI，MIPS和程序执行时间
解：
CPI =
45000 × 1 + 32000 × 2 + 15000 × 2 + 8000 × 2 = 1 .55 45000 + 32000 + 15000 + 8000
定义2 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，是计算机软硬件的交界面。 确定，是计算机软硬件的交界面。
9
计算机系统的软、硬件成本变化
成本
硬件
软件
七十年代
年代
10
1.1.3 计算机组成和实现
计算机组成（Computer Organization）是计算 计算机组成 机系统结构的逻辑实现，包括机器级的数据流 和控制流的组成以及逻辑设计等。 计算机实现(Computer Implementation)是计算机 计算机实现 组成的物理实现，它着眼于器件技术和微组装 技术。
27
1.2.3 程序访问的局部性规律
局部性包含时间上的局部性和空间上的 局部性
时间局部性：程序中近期被访问的信息项很 可能马上将被再次访问。 空间局部性：指那些在访问地址上相邻近的 信息项很可能会被一起访问。
机
件
5
几点说明
虚拟机（Virtual Machine）：用软件实现为主的机器 虚拟机 透明性 在计算机技术中，某种本来存在 本来存在的事物或属性，但从 本来存在 某种角度看好象不存在 不存在。例如，每一层“机器”上对应的 不存在 使用者只需要了解对应层次的语言，对下层的工作原理不 需了解和掌握。 同一功能可以由软件或硬件实现，软硬件在逻辑功能上是 等效的，只是性能和价格不同。
6
分层的优点
有利于人们正确理解计算机系统的工作， 明确软硬件和固件在计算机系统的地位和 作用 理解各种语言的实质及其实现 有利于探索虚拟机器新的实现途径，便于 设计新的系统 有助于理解计算机体系结构的含义，从而 合理地进行计算机系统的开发和设计。
7
1.1.2 计算机系统结构的定义
定义1 1964年 IBM/360系列机的总设计工程师Amdahl提出 系列机的总设计工程师Amdahl提出： 1964年，IBM/360系列机的总设计工程师Amdahl提出： Computer Architecture 为程序员所看到的计算机的属 性，即程序员为编写出能在机器上正确运行的程序所必须了 解的机器的概念性结构和功能特性。 解的机器的概念性结构和功能特性。
微指令由硬件直接执行
4
应用 软件 虚 拟 机 器 系统 软件
应用语言级 高级语言级 汇编语言级 操作系统级
L5虚拟机 翻译（应用程序包） 翻译（应用程序包） L4虚拟机 翻译（编译程序） 翻译（编译程序） L3虚拟机 翻译（汇编程序） 翻译（汇编程序） L2虚拟机 软 件
实 际 机 器
件 件
统机 级 程序机 级
T0 T0 1 = = S = n T T0 × (1 − Fe ) + T0 × Fe / S e (1 − Fe ) + Fe / S e n
24
Amdahl例1
假设将某系统的某一部件的处理速度加快到原 来的10倍,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间 的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提 高多少？ 解：由题意可知：Fe=0.4, Se=10，根据Amdahl定 律
ISn
MMm
IS1
CUn
CSn
PUn
DS
IS2
MISD
CU：控制部件，PU：处理部件，MM：存储模块，SM：共享主存 IS：指令流，CS：控制流，DS：数据流
16
IS1
CS1
CU1 CU2
IS2 CS2
PU1 PU2
DS1 DS2
MM1 MM2
CUn
ISn
CSn
PUn
DSn
MMm
MIMD
CU：控制部件，PU：处理部件，MM：存储模块，SM：共享主存 IS：指令流，CS：控制流，DS：数据流
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一种计算机系统结构，可以采用不同的组成
一种计算机系统结构 1. 设计指令系统 可以采用不同的组成 1. 指令间顺序执行 2. 指令间重叠执行 2. 乘法指令 1. 用加法器、移位器 2. 用专门乘法器 性能与价格 速度慢、价格低 速度快、价格高 速度慢、价格低 速度快、价格高 性能价格比、 乘法指令使 用频度 考虑因素 性能价格比
解：CPI1=100×2% + 4×23 % + 1.33×75%=3.92 CPI2 =4×25% + 1.33×75%=2
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(2) 系统性能评价指标 MIPS(Million Instructions Per Second)每秒百万指令条数 IC fc MIPS = = 6 TCPU ×10 CPI ×10 6 MFLOPS(Million Floating Point Per Second)每秒百万浮点 操作次数
I FN MFLOPS = × 10 −6 TCPU
采用基准测试程序
最常见的测试程序组件是基于UNIX的SPEC，主要版本包括SPEC89、 SPEC92、SPEC95和SPEC2000等。
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1.2.2 Amdahl定律 定律 加速比
若用T0表示某部件改进前执行某一任务所用的时间，Tn 表示改进后执行该任务所用的时间；Se表示可改进部件速 度提高的倍数，Fe表示可改进部件执行时间相对于T0 的比 值；则系统性能(或时间)加速比Sn的公式可表示如下：
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冯泽云分类
提出用数据处理的并 行度来定量地描述各 种计算机系统特性。
WSBS（字串位串） WSBP（字串位并） WPBS（字并位串） WPBP（字并位并）
位片宽 WSBS
n
WSBP
m
WPBS WPBP
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字宽
1 m’ n’
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1.2 计算机系统评测及定量设计原理
1.2.1 计算机系统性能评测 （1）CPU性能公式 (a) 一个程序所花的CPU时间: CPU :
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第5级 虚拟机器 第4级 虚拟机器 第3级 虚拟机器 第2级 虚拟机器 第1级 实际机器 第0级 实际机器
应用语言机器级M5 具有L5机器语言（应用语言）
应用语言程序经应用程序 包翻译成高级语言程序 高级语言程序经编译程序翻译 成汇编语言（或是某种中间语 言程序，或是机器语言程序） 汇编语言程序经汇编程序 翻译成机器语言程序
CPU时间= CPU 时钟周期数 / 时钟频率f = CPU 时钟周期数 × 时钟周期 (b) CPI (Cycles Per Instruction) 每条指令平均时钟周期数 CPI= CPU 时钟周期数 / 指令条数IC 由(a) 、(b) 知
CPU时间 IC × CPI / f 时间= 时间
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SM
PU1
IS CS DS DS1
MM1 MM2
PU2
DS2
CU
CS
CU MM
PU
PUn SISD
DSn IS
MMm
SIMD
CU：控制部件，PU：处理部件，MM：存储模块，SM：共享主存 IS：指令流，CS：控制流，DS：数据流
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CS1
CU1 CU2
CS2
PU1 PU2
DS
SM
MM1
MM2
对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指： 对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指： (1) 数据表示 硬件能直接识别和处理的数据类型和格式） （硬件能直接识别和处理的数据类型和格式） (2) 寻址规则 包括最小寻址单元、寻址方式及其表示） （包括最小寻址单元、寻址方式及其表示） (3) 寄存器组织 （包括各种寄存器的定义、数量和使用方式） 包括各种寄存器的定义、数量和使用方式）
高级语言机器级M4 具有L4机器语言（高级语言）
汇编语言机器级M3 具有L3机器语言（汇编语言）
操作系统机器级M2 具有L2机器语言（作业控制语言等）
一般用机器语言程序解释 作业控制语句
传统机器语言机器级M1 具有L1机器语言（机器指令系统）
由微指令程序解释机器指令
微程序机器级M0 具有L0机器语言（微指令系统）
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(4) 指令系统 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） （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） （中断的类型和中断响应硬件的功能等） (6) 处理机工作状态的定义和切换方式 如管态和目态等） （如管态和目态等） (7) 输入输出系统 包括I/O连接方式、处理机/存储器与I/O I/O连接方式 I/O设备间数据传送的方式和 （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） I/O操作的状态等 格式以及I/O操作的状态等） (8) 信息保护 包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持） （包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持）
1 Sn = = ≈ 156 . 0.4 0.64 0.6 + 10
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1
Amdahl例2
假设某个测试程序中求浮点数平方根 FPSQR操作占整个测试程序执行时间的20%， 而所有浮点运算指令FP操作占整个程序执行时 间的50% 。 现有两种实现技术来提高系统性能，一种 是采用FPSQR硬件，使FPSQR操作的速度加快 到10倍。另一种实现方法是使所有浮点数据指 令的速度加快，使FP指令的速度提高到2倍。 请比较这两种设计方案。
26
Amdahl例2
解：分别计算出这两种设计方案所能得到 的加速比：
SPFPSQR = SPF = 1 (1− Fe ) + 1 (1− Fe ) + Fe Se Fe Se = = 1 ≈ 1.22 (1− 0.2) + 0.2 /10
1 ≈ 1.33 (1− 0.5) + 0.5 / 2
通过计算可以看出，使采用“提高FP指令的速度”，要比“FPSQR硬件” 方案好一些。
假设系统共有n种指令，第i种指令在程序中 出现的次数为Ii，则CPU时钟周期数为
∑ (CPI × I )
i =1 i i
n
即：
CPI =
∑ (CPI × I )
i =1 i i
n
IC
Ii = ∑ (CPI i × ) IC i =1
n
Ii IC 表示第i种指令在程序中所占的比例
20
举例1
一台40MHZ的处理机执行一标准测试程序，它含有的 的处理机执行一标准测试程序， 一台 各类指令条数和相应一条指令所需时钟周期数如下所示： 各类指令条数和相应一条指令所需时钟周期数如下所示：
12
1.1.4 计算机系统结构的分类
(1) Flynn分类法
弗林Flynn1966年提出按指令流和数据流的多倍性进行分类 指令流：是指机器执行的指令序列。 数据流：是指指令流调用的数据序列，包括输入数据和中 间结果。 多倍性：是指在系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的 指令或数据的最大可能个数。
13
TCPU =
IC × CPI 100000 × 1 .55 = = 3 .875 × 10 − 3 S 6 f 40 × 10
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举例2
假设在程序中浮点数开平方操作FPSQR操作的 比例为2%，它的CPI=100；其它浮点操作FP的比 例为23%，FP操作的平均CPI=4，其余75%指令的 平均CPI=1.33，计算该处理机的等效CPI，如果 FPSQR操作的CPI也是4，重新计算CPI
第一章 计算机系统结构的基本概念
吕友波 哈尔滨商业大学 计算机学院 2011年 2011年8月
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目录
计算机系统的多级层次结构 计算机系统结构、组成与实现 计算机系统评测及定量设计原理 系统结构中的并行性发展和计算机系统 的分类
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1.1 计算机系统结构概念
1.1.1 计算机系统的层次结构
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， 高一级语言的语句相对于低级语言功能更强，更便于应 但又都以低级语言为基础。 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。
Flynn分类
SISD 单指令流单数据流
传统的单处理机属于SISD计算机
SIMD 单指令流多数据流
并行处理机是SIMD计算机的典型代表 我国的YH-I型是此类计算机型
MISD 多指令流单数据流
宏流水线、脉动阵列流水
MIMD 多指令流多数据流
包括了大多数多处理机及多计算机系统 我国的YH-II型计算机是这种类型的计算机
指令类型 整数运算 数据传送 浮 点 控制传送 指令条数 45000条 32000条 32000 15000条 8000条 时钟周期数 1 2 2 2
求 CPI，MIPS和程序执行时间
解：
CPI =
45000 × 1 + 32000 × 2 + 15000 × 2 + 8000 × 2 = 1 .55 45000 + 32000 + 15000 + 8000
定义2 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，是计算机软硬件的交界面。 确定，是计算机软硬件的交界面。
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计算机系统的软、硬件成本变化
成本
硬件
软件
七十年代
年代
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1.1.3 计算机组成和实现
计算机组成（Computer Organization）是计算 计算机组成 机系统结构的逻辑实现，包括机器级的数据流 和控制流的组成以及逻辑设计等。 计算机实现(Computer Implementation)是计算机 计算机实现 组成的物理实现，它着眼于器件技术和微组装 技术。
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1.2.3 程序访问的局部性规律
局部性包含时间上的局部性和空间上的 局部性
时间局部性：程序中近期被访问的信息项很 可能马上将被再次访问。 空间局部性：指那些在访问地址上相邻近的 信息项很可能会被一起访问。
机
件
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几点说明
虚拟机（Virtual Machine）：用软件实现为主的机器 虚拟机 透明性 在计算机技术中，某种本来存在 本来存在的事物或属性，但从 本来存在 某种角度看好象不存在 不存在。例如，每一层“机器”上对应的 不存在 使用者只需要了解对应层次的语言，对下层的工作原理不 需了解和掌握。 同一功能可以由软件或硬件实现，软硬件在逻辑功能上是 等效的，只是性能和价格不同。
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分层的优点
有利于人们正确理解计算机系统的工作， 明确软硬件和固件在计算机系统的地位和 作用 理解各种语言的实质及其实现 有利于探索虚拟机器新的实现途径，便于 设计新的系统 有助于理解计算机体系结构的含义，从而 合理地进行计算机系统的开发和设计。
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1.1.2 计算机系统结构的定义
定义1 1964年 IBM/360系列机的总设计工程师Amdahl提出 系列机的总设计工程师Amdahl提出： 1964年，IBM/360系列机的总设计工程师Amdahl提出： Computer Architecture 为程序员所看到的计算机的属 性，即程序员为编写出能在机器上正确运行的程序所必须了 解的机器的概念性结构和功能特性。 解的机器的概念性结构和功能特性。
微指令由硬件直接执行
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应用 软件 虚 拟 机 器 系统 软件
应用语言级 高级语言级 汇编语言级 操作系统级
L5虚拟机 翻译（应用程序包） 翻译（应用程序包） L4虚拟机 翻译（编译程序） 翻译（编译程序） L3虚拟机 翻译（汇编程序） 翻译（汇编程序） L2虚拟机 软 件
实 际 机 器
件 件
统机 级 程序机 级
T0 T0 1 = = S = n T T0 × (1 − Fe ) + T0 × Fe / S e (1 − Fe ) + Fe / S e n
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Amdahl例1
假设将某系统的某一部件的处理速度加快到原 来的10倍,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间 的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提 高多少？ 解：由题意可知：Fe=0.4, Se=10，根据Amdahl定 律
ISn
MMm
IS1
CUn
CSn
PUn
DS
IS2
MISD
CU：控制部件，PU：处理部件，MM：存储模块，SM：共享主存 IS：指令流，CS：控制流，DS：数据流
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IS1
CS1
CU1 CU2
IS2 CS2
PU1 PU2
DS1 DS2
MM1 MM2
CUn
ISn
CSn
PUn
DSn
MMm
MIMD
CU：控制部件，PU：处理部件，MM：存储模块，SM：共享主存 IS：指令流，CS：控制流，DS：数据流