1、第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識1計算機系統結構主講第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識2一、課程目標1 1、計算機系統結構的研究 掌握計算機系統結構基本概念、組成及相關設計原理； 掌握計算機系統結構各組成部分的相關技術、分析及設計方法； 了解計算機系統設計的基本方法。2 2、計算機并行處理技術的研究 流水線技術分析及設計； 互連網絡技術研究； 并行處理機技術研究； 多處理機技術研究。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識3二、課程主線 在掌握系統結構組成基礎上，研究各組成部分軟、硬件功能分配，軟硬件界面的確

2、定，及分配給軟、硬件的功能的實現。 熟悉并行處理機和多處理機所采用技術的基礎。三、參考教材1、 計算機系統結構，李學干等，西電出版社2、計算機系統結構，張晨曦等，高等教育出版社3、計算機系統結構，鄭緯民等，清華大學出版社4、計算機系統結構，陸鑫達等，高等教育出版社第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識4第1 1章 計算機系統結構的基礎知識 1.1 計算機系統的多級層次結構1.2 計算機系統結構、組成與實現1.3 計算機系統的軟硬件功能分配、性能 評測及定量設計原理1.4 軟件、應用、器件對系統結構的影響1.5 系統結構中的并行性發展和計算機系 統的分類第第1 1章章

3、計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識5本章要點 計算機層次結構 計算機系統結構、組成和實現三者的概念及聯系 持續性能的三種表示方法 阿姆達爾(Amdahl)(Amdahl)定律 Flynn(Flynn(弗林) )分類法 軟件可移植性的途徑、方法、使用場合、存在問題及對策第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識6計算機的發展歷程：電子管、繼電器存儲晶體管集成電路大規模和超大規模集成電路磁介質存儲從器件發展而言：從結構的發展而言 : :單個CPUCPU組成的單機系統 流水線機大規模的并行處理機 多處理機第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎

4、知識7從語言及應用方面而言 : : 由匯編到高級語言從單用戶到多用戶，到并行處理的語言、編譯，操作系統，直到如今計算機網絡、異構系統處理等等 。v總結，計算機換代的標志： 1) 構成計算機的器件，是計算機發展的物質基礎，是計算機換代最突出的標志。2) 計算機系統結構的發展：是計算機換代的重要標志。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識8應 用 語 言 級M5高 級 語 言 級M4匯 編 語 言 級M3操 作 系 統 級M2傳 統 機 器 級M1微程序機器級M0 應用軟件 系統軟件 翻譯( (編譯程序) ) 翻譯( (匯編程序) ) 軟硬件界面 物理機 用微指令程序解釋

5、機器語言用機器語言解釋作業控制語言虛擬機硬件固件翻譯( (應用程序包) )計算機系統的層次結構(從不同的層次看計算機系統）1.1 計算機系統的多級層次結構 第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識9(1)(1)固件：具有軟件功能的硬件。(2)(2)翻譯：是先用轉換程序將高一級機器級上的程序整個地轉換成低一級機器級上可運行的等效程序，然后再在低一級機器級上去實現的技術。(3)(3)解釋：是在低一級機器級上用它的一串語句或指令來仿真高一級機器級上的一條語句或指令的功能，通過高一級機器語言程序中的每條語句或指令逐條解釋來實現的技術。(4) (4) 分層的好處： A A、有利于

6、明確計算機各部分的地位和作用； B B、有利于采用系統的方法，研究系統的整體性能及最佳組合； C C、有利于提高可靠性和開放性。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識101.2 計算機系統結構、組成與實現1.2.11.2.1計算機系統結構、組成、實現的定義和內涵1 1. .計算機系統結構（1 1）定義 思考1 1：怎樣理解概念性結構？系統的軟、硬件功能界面 思考2 2：怎樣理解功能特性？界面上的功能如何分配（2 2）含義 系統結構實際上是研究計算機系統中軟、硬件之間的界面定義，以及其上下的功能分配。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識11透

7、明性 客觀存在的事物和屬性，從某種角度上看又好像不存在的現象，被稱為是“透明性” 。 例如，高級程序員看不到各種不同類型機器的差異性就是一個明顯的例證。如編譯程序對用戶是透明的，CacheCache對程序員是透明的。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識12 指令系統 數據表示 操作數的尋址方式 寄存器的構成定義 中斷機構和例外條件 存儲系統 輸入輸出結構 機器工作狀態的定義和切換 信息保護 （3 3）計算機系統結構的屬性第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識132 2、 計算機組成：計算機系統結構的邏輯實現。 內容：Y 數據通路的寬度 Y

8、專用部件的設置 Y 各功能部件的共享程度Y 功能部件的并行度Y 控制機構的組成方式 Y 緩沖和排隊技術 Y 可靠性技術的采用和方式的選擇 Y 預估、預判、優化處理 研究：實際器件技術和微組裝技術（是數字電路等課程主要研究的內容）第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識14舉例：我們要制造飛機。首先要確定載客人數、速度、高度等技術指標，這就屬于系統結構；然后根據技術指標研究、設計座艙怎么安排才可以滿足載客數量，飛機外形怎么設計才符合空氣動力學，供油、發動機、控制系統等等怎樣設計、組成，從而形成設計圖紙上的飛機，這屬于組成；最后，經過論證確定設計沒有問題，把圖紙交付工廠，由

9、工人開始生產，這就是實現了。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識15(1)(1)相同結構的計算機因速度不同可采用不同的組成。如指令可順利執行，也可重疊執行，乘法指令可由乘法器實現，也可由加法器- -移位器實現。（2 2）一種組成可有多種不同的實現如器件可用單片大規模集成電路，也可用多片小規模集成電路。1.2.2 1.2.2 系統結構、組成與實現的相互關系第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識16（3 3）結構不同，組成也不同如例：A A：=B+C=B+C D D：=E=E* *F F采用面向寄存器系統結構和采用面向主存三地址尋址方式結構在組

10、成上就不一樣。（4 4）計算機組成也會影響系統結構，如微程序控制 （5)5)計算機實現，特別是器件技術的進展構成了計算機系統結構和組成的基礎，對系統結構有很大影響。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識171.3 計算機系統的軟硬取舍、性能評測及定量設計原理圖 計算機系統的軟、 硬件功能分配比例 1.3.1 軟硬取舍的基本原則 第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識181 1在現有硬件和器件的條件下，系統有較高的性價比。 2 2要考慮到準備采用和可能采用的組成技術，使它盡可能不要過多或不合理地限制各種組成、實現技術地應用。3 3不能僅從“硬”

11、地角度去考慮如何便于應用組成技術地成果和發揮器件技術地進展，還應從“軟”地角度把為編譯和操作系統的實現，以致高級語言程序地設計提供更好地硬件支持放在首位。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識19一. .計算機的性能評價 計算機的性能以及對系統評價的目標都指系統速度的性能。1.3.2 1.3.2 計算機系統的性能評測與定量設計原理 時 間響應時間CPUCPU時間用戶CPUCPU時間系統CPUCPU時間( (訪磁盤時間) )( (訪主存時間）(I/O(I/O時間及其他時間) )第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識201.CPU時間 CPU時間

12、：CPU執行程序所用的時間。Tcpu=Ic CPI TcCPU執行某一程序中所包含的指令總數時鐘周期執行每條指令所需的平均時鐘周期數第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識21CPI=INni=1(CPIiIi)ini=1i：第i類指令Ii：第i類指令的數目CPIi：執行每條i類指令所需的周期數=（CPIi ）ni=1IiIN第i類指令在總程序中占的比例第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識22指令類型指令所占比例CPI算邏指令LOAD指令SRORE指令轉移指令43%21%12%24%1222第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結

13、構的基礎知識232.2.其他性能指標 計算機系統真正的衡量標準：CPUCPU真正執行程序的時間。但這種標準在實際中較難把握，一是因為不同的程序執行的時間不等；二是因為一個實際程序中包含大量非CPUCPU執行的時間，如I/OI/O操作等。因此，出現了以下幾種替代標準： 第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識24 MIPSMIPS標準存在的不足: : 1 1）MIPSMIPS和指令集緊密相關，因此不同機器之間的MIPSMIPS沒有可比性，如SUNSUN工作站中的MIPSMIPS和PCPC中的MIPSMIPS之間幾乎無可比性。 2 2）在同一臺機器上, ,不同程序可能產生多

14、種MIPSMIPS，因此，大多以平均MIPSMIPS作為典型值。 3 3）MIPSMIPS可能與性能相反，如采用軟件實現FloatFloat運算，雖然MIPSMIPS很高，但運算卻遠不及硬件實現快，所以用MIPSMIPS衡量標量機的性能較為合適。v指標1：MIPS（million instructions per second) 對于某一給定的程序，MIPS定義為：661010CPIMIPS時鐘頻率執行時間指令條數第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識251 1）MFlopsMFlops取決于機器和程序兩個方面，不能反映整體情況，而只能反映浮點運算的情況。對浮點運算而

15、言，MFLOPSMFLOPS比MIPSMIPS更精確；MFLOPSMFLOPS比較適宜于評估向量計算機；2 2）同一機器的浮點運算情況具有一定的同類可比性，而非同類浮點操作仍無可比性。610執行時間程序的浮點操作次數MFlops特點: :v指標2： MFlops(Million Floating point Operation Per Second) MFLOPS MFLOPS與MIPS關系：1MFLOPS3MIPS。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識263、性能評價結果的統計1 1）算術性能平均值niTnniinmiRA11111基準測試程序處理機X XY YZ

16、 ZB B1 120(1.00)20(1.00)10(0.50)10(0.50)40(2.00)40(2.00)B B2 240(1.00)40(1.00)80(2.00)80(2.00)20(0.50)20(0.50)A Am m (1.00)(1.00)(1.25)(1.25)(1.25)(1.25)基準測試程序處理機X XY YZ ZB B1 120(2.00)20(2.00)10(1.00)10(1.00)40(4.00)40(4.00)B B2 240(0.50)40(0.50)80(1.00)80(1.00)20(0.25)20(0.25)A Am m (1.25)(1.25)(1

17、.00)(1.00)(2.13)(2.13) 特性：在對各種機器性能比較進行性能規格化過程中，選擇不同的參考機，A Am m結論不同。計算機性能常用峰值性能和持續性能來評價。持續性能算術性能平均值幾何性能平均值調和性能平均值第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識272 2）幾何性能平均值nniTnniimiRG)()(111基準測試程序處理機X XY YZ ZB B1 120(1.00)20(1.00)10(0.50)10(0.50)40(2.00)40(2.00)B B2 240(1.00)40(1.00)80(2.00)80(2.00)20(0.50)20(0.5

18、0)G Gm m (1.00)(1.00)(1.00)(1.00)(1.00)(1.00)基準測試程序處理機X XY YZ ZB B1 120(2.00)20(2.00)10(1.00)10(1.00)40(4.00)40(4.00)B B2 240(0.50)40(0.50)80(1.00)80(1.00)20(0.25)20(0.25)G Gm m (1.00)(1.00)(1.00)(1.00)(1.00)(1.00) 特性：在對各種機器性能比較進行性能規格化過程中，不論取哪一臺作參考機，G Gm m均能保持比較結果的一致性。 依據：G Gm m(X(Xi i)/G)/Gm m(Y(Yi

19、 i)=G)=Gm m(X(Xi i/Y/Yi i) )第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識283 3）調和性能平均值nniiniiRTTnTnnmH.1111 特性：最接近CPUCPU的實際性能。 依據：H Hm m與所有測試程序時間總和成反比，衡量計算機性能較為準確。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識29這是軟件和硬件設計中均經常采用的一種技術。如cache,cache,常用程序硬件化等。ReasonReason：經常性事件的快速處理可以明顯地提高整個系統的性能。二 計算機系統的定量設計原理 第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識

20、計算機系統結構的基礎知識30加速比 加速比= =采用改進措施后的性能沒有采用改進措施的性能加速比= =采用改進措施前執行某任務所用時間采用改進措施后執行某任務所用時間核心：定義了系統或部件的加速比。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識31AmdahlAmdahl定律可表示為： SpSp：加速比；TeTe：采用改進措施前執行某任務系統所用的時間；T0T0：采用改進措施后所需的時間；f fe e： 被改進部分的執行時間占的百分比大?。籸 re e: : 性能提高的倍數。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識32則第第1 1章章 計算機系統結構的

21、基礎知識計算機系統結構的基礎知識33 例：若考慮將系統中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理使用時間僅為整個系統運行時間的40%，則采用此增強功能方法后，能使整個系統的性能提高多少？由題可知：fe=0.4，re=10，則可得：Sp=1.56 若以Sp作縱坐標， fe作橫坐標，可畫出Sp=f(fe)的函數。0.0 0.5 1.0 fe10105Sp加速比SpSp與可增強性能部分f fe e的關系 由圖中曲線可知，為使系統能獲得較高性能加速比，則功能性能可增強部分必須占有較大的比例；否則，增強該功能就沒有多大意義。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識34（三）程

22、序訪問局部性原理 程序往往重復使用它剛剛使用過的數據和指令。分為時間上的局部性和空間上的局部性原理。存儲器體系結構的設計是以此原理為基礎的。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識351.3.3 1.3.3 系統結構設計的方法： ：2 2、由下向上方法 已淘汰 1 1、由上向下方法 適合專用機設計3 3、從中間開始方法 “中間”取在傳統機器級和操作系統機器級之間 從軟、硬件交界面開始設計。 此方法引發了計算機系統結構的研究，并很快占有主導地位。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識361.4 軟件、應用和器件對計算機系統結構發展的影響 第第1

23、1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識37(一)軟件對系統結構的影響(1)(1)系列機 指同一廠家生產的具有相同的系統結構，但采取了不同的組成與實現的技術方案，形成了不同型號的多種機型 。主要體現在軟件可移植性問題。 影響1 1：系列機思想使得新的組成與實現技術很快得到應用，大量兼容產品出現，推動了系統結構發展。 兼容機：具有相同系統結構或對原系統結構進行擴充，不同組成或實現技術。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識38 軟件兼容種類：向上/下、向前/后兼容。 時間機器檔次當前機器向上兼容向下兼容高低向后兼容向前兼容軟件必須做到向后兼容，力爭做到向

24、上兼容。 影響2：為保持軟件兼容性，系列機要求系統結構基本不變，又限制了系統結構的發展。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識39(2) (2) 模擬和仿真模擬：指用機器語言程序解釋另一臺機器的機器指令實現軟件移植的方法 。A A計算機系統( (宿主機) )B B系統( (虛擬機) )編譯A A計算機指令硬件執行應用程序B B機入口指令模擬圖 A A機上模擬執行B B應用系統的示意 第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識40仿真：用微程序解釋另一臺計算機的機器指令實現軟件移植。適用于：移植運行時間短，使用次數少，而且在時間關系上沒有約束和限制

25、的軟件。 缺點：模擬方法速度較慢。當機器指令系統差異較大時，程序速度會嚴重下降。A A計算機系統( (宿主機) )B B系統( (虛擬機) )編譯A A計算機指令硬件執行應用程序B B機入口指令仿真圖 A A機上仿真執行B B應用系統的示意 第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識413 3）統一標準的高級語言 設計出一種對各種應用領域都比較高效的通用高級語言。 存在一定的困難，從長遠看是必須解決的重要方向問題。優點：可以提高被移植軟件的運行速度。缺點：靈活性差，當機器結構差異較大時，很難仿真。區別：模擬是用機器語言程序解釋，其解釋程序存于主存中 ；仿真用微程序解釋，其

26、解釋程序放在控制存貯器中。對策: :兩者結合使用, ,讓頻繁使用且容易仿真的機器指令采用 仿真, ,以提高速度; ;讓很少使用, ,對速度要求不高的, ,難 以仿真的指令采用模擬實現. . 軟件是促使計算機系統結構發展最重要的因素。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識42（二）應用需求對系統結構的影響 應用要求：高速度、大容量、大吞吐率 演變過程：簡單通用機、專用機、多功能通用機 巨、大型機趨勢： 研究新的系統結構、組成技術， 推廣、并向通用結構發展； 中、小、微型機趨勢： 保持價格基本不變，提高性能； 保持性能基本不變，降低價格。應用是促使計算機系統結構發展最根本

27、的動力。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識43（三）器件對系統結構的影響1.1.器件功能和使用方法的改變影響系統結構和組成技術 非用戶片 現場片 用戶片2.2.器件的發展改變了邏輯設計的傳統方法；3.3.器件的發展使系統結構的“下移”速度加快；器件的發展還促進了算法、語言和軟件的發展。 器件是促使計算機系統結構發展最活躍的因素。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識441.5 系統中的并行性及其分類 1.5.1并行性概念1.并行性的含義及理解 1)并行性: :解題中具有可以同時進行運算或操作的特性。目的是為了能并行處理，提高解題效率。 第

28、第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識45 2)廣義并行性: :只要在同一時刻或是在同一時 間間隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不同 的工作，在時間上能相互重疊，都稱為并行性。 包括同時性與并發性。 3)同時性：兩個或多個事情在同一時刻發生。 4)并發性：兩個或多個事情在同一時間間隔 內發生。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識462.并行性等級 1)從執行程序角度分 a)指令內部一條指令內部各個微操作之間的并行執行。 b)指令之間多條指令的并行執行。 c)任務或進程之間多個任務或程序段的并行執行。 d)作業或進程之間多個作業或多道程序的并行

29、。硬件比例增大第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識47 2)從數據處理角度 a)位串字串單字單位串行單處理機 b)位并字串單字全位并行處理機 c)位片串字并多字同位( (位片)多 機串行 d)全并行多字多位多機并行 第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識48 3)從信息加工角度 a)存貯器操作并行同一個存貯周期訪問 多字并行存貯器、相聯處理機。 b)處理器操作步驟并行操作步驟在時間上重疊流水進行流水線處理機。 c)處理器操作并行對同一條指令的多個數據組同時操作陣列處理機。 d)指令、任務、作業并行多處理機同時對多條指令及相關多數據組的操作多

30、處理機。 第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識49 3.并行性開發途徑 1)時間重疊 a)方法：在并行性中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上錯開，輪流重復的使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉而提高速度，例如流水線處理機 。 b)優點：不必增加額外硬件設備就可以提高計算機系統的性價比。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識50取指分析執行(a) (a) 指令流水線kkkk+1k+1k+1k+2k+2k+2t2 2t3 3t4 4t5 5tt取指分析執行 部件(b) (b) 指令在流水線各部件中流過的時間關系第第1 1章章 計算機系

31、統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識51 2)資源重復 a)方法：在并行性概念中引入空間因素。通 過重復設置硬件資源來提高可靠性或性能。如雙工系統。 b)優點：系統的速度性能得到很大提高。 控制器CU處理單元PEPE0 0PEPE1 1 PEPEN-1N-1資源重復第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識52 3) 3)資源共享 a)a)方法：利用軟件的辦法讓多個用戶按一定時間順序輪流使用同一套資源，以提高其利用率，這樣可以提高整個系統的性能。例如，多道程序分時系統就是利用共享CPUCPU、主存資源，以降低系統價格，提高設備的利用率。多處理機，分布處理系統，計算機網

32、絡 b)b)優點：節省資源，效率高，介于上述兩種之間。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識531.5.2 1.5.2 計算機系統的分類 (一) 弗林(FLYNN)分類法 (1966年Michael J.Flynn) 按指令流和數據流的多倍性狀況對計算機系統分類。(Multiplicity)：在系統性能瓶頸部件上處于 同一執行階段的指令或數據 的最大可能個數。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識54 1)1)單指令流單數據流SISDSISD 一次僅對一條指令譯碼，僅對一個操作部件分配數據。單處理器計算機. . 2)2)單指令流多數據流SIM

33、DSIMD 一條指令，多個操作過程。陣列機和相聯處理機。 3)3)多指令流單數據流MISDMISD 多條指令對同一個數據流及其中間結構進行不同的處理。這類系統少見。 4)4)多指令流多數據流MDMDMDMD 全面并行的多機系統。第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識55單指令流、單數據流(SISD-Single Instruction Single (SISD-Single Instruction Single Data)Data)結構 第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識56單指令流、多數據流(SIMD-Single Instruction (SIMD-Single Instruction Multiple Data)Multiple Data)結構 第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識57多指令流、單數據流(MISD)(MISD)結構 第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識58多指令流、多數據流(MIMD)(MIMD)結構 第第1 1章章 計算機系統結構的基礎知識計算機系統結構的基礎知識59所存在的問題：此分類法反映出大