14一月20241第1章計算機系統設計基礎1.1計算機系統的基本概念1.2計算機系統的設計技術1.3計算機系統的性能評價1.4計算機系統結構的發展14一月20242本章學習要求了解計算機系統的多級層次結構掌握系統結構、組成和實現的定義及屬性，會透明性分析掌握計算機系統的設計原理、性能計算掌握計算機系統的分類，特別是Flynn分類了解軟件對計算機系統結構發展的影響14一月20243什么是計算機？計算機是一種不需要人的直觀干預而能自動完成各種算術和邏輯運算的工具隨著計算機科學技術的發展和應用范圍的擴大，計算機已由單一的數值計算，擴展到信息處理、知識推理等非計算領域說明：隨著技術的發展，概念有所變化計算機是工具14一月20244計算機的功能科學計算數據處理（信息處理）過程控制人工智能……14一月202451.1計算機系統的基本概念機器：能存儲和執行相應語言程序的算法和數據結構的執行體計算機語言：是用以描述控制流程的、有一定規則的字符集合語言不是專屬軟件范疇，可以介屬于計算機系統的各個層次，具有不同作用

從使用語言的角度上，將計算機系統看成按功能劃分的多級層次結構機器、匯編、高級、應用語言

低級高級后者比前者功能更強、使用更方便；而前者是后者發展的基礎，在單條指令的執行速度相比較，前者更快。1.1.1計算機系統的多級層次結構14一月20247計算機系統的多級層次結構圖微程序/硬聯直接由硬件執行解釋部分解釋（操作系統）翻譯（匯編程序）翻譯（編譯程序）翻譯（應用程序包）應用語言級L5虛擬機高級語言機器L4虛擬機匯編語言機器L3虛擬機應用軟件固件系統軟件傳統機器級操作系統機器軟硬件交界面L2虛擬機物理機器硬件軟件14一月20248多級層次結構（機器—語言）M5:應用語言機器------應用語言（L5）M4:高級語言機器------高級語言（L4）M3:匯編語言機器------匯編語言（L3）M2:操作系統機器------作業控制語言（L2）M1:傳統機器------------機器語言（L1）M0:微程序機器---------微程序語言（L0）14一月20249從設計人員看到的層次應用程序級用戶高級語言級高級語言程序員匯編語言級匯編語言程序員操作系統級操作員機器語言級機器語言程序員微程序控制級邏輯程序員硬聯邏輯級硬件設計員翻譯(Translation)：先用轉換程序將高一級機器級上的程序整個地變換成低一級機器級上可運行的等效程序（中間程序），然后再在低一級機器級上去實現的技術。例：英語翻譯計算機系統中的翻譯功能常由應用程序包、編譯程序、匯編程序等軟件完成。解釋（Interpretation）：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上的一條語句或指令的功能，通過對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解釋過程中不生成中間程序（節省了存儲空間）或者：一條N+1級指令--〉一串N級指令例：解釋一件事翻譯和解釋是語言實現的兩種基本技術。解釋比翻譯費時，但節省存儲空間翻譯為整體行為，可以優化，效率高，與平臺有關解釋為局部行為，不優化，效率低，與平臺無關翻譯+解釋：Java14一月202413控制流程的三種實現方法全硬件、軟硬件結合、全軟件邏輯上等價，物理意義上不等價硬件實現：速度快、成本高；靈活性差、占用內存少軟件實現：速度低、復制費用低；靈活性好、占用內存多發展趨勢硬件實現的比例越來越高硬件所占的成本越來越低14一月202414計算機系統的軟硬件成本變化成本年代軟件硬件70年代從概念和功能上將計算機系統看成多級層次結構的優點：1.理解軟件、硬件、固件的地位和作用

2.

理解各種語言的實質和實現途徑

3.

探索虛擬機新的實現方法和新的系統設計由硬件固件實現——高級語言機器多處理機系統——由真正微處理機實現

4.

理解計算機體系結構的定義

5.

在一臺真正的宿主機上通過模擬或仿真另一臺不同的假想機器——自虛擬技術

14一月2024161.1.2系統結構、組成與實現定義與理解三者的相互關系14一月202417計算機系統結構的定義

SystemArchitecture是對計算機系統中各機器級之間界面的劃分和定義，以及對各級界面上、下的功能進行分配1964年，IBM/360系列機的總設計工程師G.M.Amdahl、G.A.Blauw、F.P.Brooks等人提出。也稱體系結構。是從程序員的角度所看到的系統的屬性，是概念上的結構和功能上的行為它不同于數據流程和控制的組織，不同于邏輯設計以及物理實現方法14一月202418定義的理解從兩個角度理解一是計算機系統結構既然是“從程序員的角度所看到的系統的屬性”，那么每一級“機器”都有一個系統結構，而且它們相互不同二是將計算機的系統結構定義在傳統機器界面（M1）程序員所看到的計算機的基本屬性14一月202419計算機系統結構的基本屬性一般應包括以下幾個方面指令系統、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體系和管理、I/O結構機器工作狀態定義和切換、信息保護在所有系統結構的特性中，指令系統的外特性是最關鍵的14一月202420計算機組成

ComputerOrganization研究硬件系統各組成部分的內部構造和相互聯系，以實現機器指令級的各種功能和特性，目標是用最合理地方式將各種設備和部件連接為計算機，以達到最優的性價比，從而實現所確定的系統結構。它是計算機系統結構的邏輯實現，包括機器級內的數據流和控制流的組成以及邏輯設計等。14一月202421計算機組成的基本屬性數據通路寬度各種操作功能部件的共享程度專用部件的設置功能部件的并行性緩沖和排隊技術控制機構的組成方式預測技術可靠性技術14一月202422計算機實現

ComputerImplementation

研究各部件的物理結構、機器的制造技術和工藝等，它著眼于器件技術和微組裝技術主存的物理實現，如存儲器采用什么樣器件，邏輯電路設計和微組裝技術均屬計算機實現它是計算機組成的物理實現14一月202423定義理解舉例主存系統主存容量與編址方式的確定-----------系統結構主存速度的確定、邏輯結構的模式---組成器件的選定、電路的設計、組裝技術---實現指令系統指令系統的確定--------系統結構指令的實現--------------組成具體電路、器件設計及裝配技術---實現14一月202424系統結構、組成和實現相互關系*具有相同系統結構的計算機可以采用不同的組成，一種計算機組成可以采用多種不同的計算機實現（系列機與兼容機）*采用不同的系統結構會使可以采用的組成技術產生差異，計算機組成也會影響系統結構14一月202425是否設置乘方/開方指令邏輯設計1（硬聯電路）實現方案1(V1,$1,T1)邏輯設計3微程序邏輯設計2（ROM查表）實現方案2(V2,$2,T2)實現方案3(V3,$3,T3)相同系統結構的計算機可以采用不同的組成相同計算機組成可以采用多種不同的計算機實現計算機系統結構計算機組成計算機實現是否14一月202426舉例：不同系統結構對軟件的影響A:=B+CD:=E*F面向三地址尋址：

ADDB,C,AMPYE,F,D面向寄存器：

LOADR1,BADDR1,CSTORER1,ALOADR2,EMPYR2,FSTORER2,D14一月202427透明性Transparency本來存在的事物或屬性，從某個角度去看卻看不到。在一個計算機系統中，低層機器的屬性往往對高層機器的程序員是透明的。計算機組成設計的內容，對傳統機器程序員來講一般是透明的。14一月202428舉例1

在多級層次結構的計算機系統中，傳統機器級的概念性結構和功能特性，對高級語言的程序員來說是透明的，而對匯編語言的程序員來說不是透明的。這說明高級語言的程序員不必知道機器的指令系統、中斷機構等，這些本來存在的屬性，對高級語言的程序員來說好像不存在一樣，所以說是透明的。對計算機系統結構來說，存儲器采用交叉存取還是并行存取、CPU內部的數據通路的寬度是8位還是16位，這些都是透明的，而對計算機組成來說這些不是透明的。14一月202429舉例2

指令執行采用串行、重疊還是流水控制方式，對系統結構來說是透明的，但對計算機組成來說不是透明的。乘法指令采用專用乘法器實現，對系統結構來說是透明的，而對計算機組成來說不是透明的存儲器采用哪種芯片，對計算機系統結構和組成來說是透明的，而對計算機實現來說不是透明的。14一月2024301.1.3計算機系統的分類采用的基本器件分類計算機系統成本分類1966年MichaelJ.Flynn分類1978年DavidJ.Kuck分類1972年馮澤云分類14一月202431一按采用的基本器件分類計算機的更新換代第一代：電子管計算機第二代：晶體管計算機第三代：中小規模集成電路第四代：大或超大規模集成電路第五代：VLSI(甚大規模集成電路)計算機性能的大幅度提高和更新換代，一方面依靠器件的不斷更新，同時也依賴系統結構的不斷改進。硬件設計公理：越小越快14一月202432二按計算機系統成本分類巨型計算機、超級計算機：SuperComputer大型計算機：MainComputer中型計算機：MidComputer小型計算機：MiniComputer微型計算機：MicroComputer工作站：Workstation介于小型機和微型機之間，具有小型機的性能，微型機的價格14一月202433三Flynn

（弗林）分類法按照指令流和數據流的多倍性進行分類1.基本概念

指令流(instructionstream)：機器執行的指令序列

數據流(datastream)：由指令流調用的數據序列

多倍性(multiplicity)：在系統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多指令流多數據流

MIMD(MultipleInstructionstreamMultipleDatastream)（多計算機系統）2.分類單指令流單數據流

SISD(SingleInstructionstreamSingleDatastream)

(傳統計算機，如IA結構的PC機)單指令流多數據流SIMD(SingleInstructionstreamMultipleDatastream)

(陣列計算機，如ILLIACⅣ機

)多指令流單數據流

MISD(MultipleInstructionstreamSingleDatastream)（較先進的流水線處理機，如VLIW機）14一月202435四DavidJ.Kuck分類

庫克分類：指令流、執行流、多倍性單指令流單執行流SISE單指令流多執行流SIME多指令流單執行流MISE多指令流多執行流MIME14一月202436五1972年馮澤云分類用最大并行度Pm分類最大并行度Pm:在單位時間內能夠處理的最大的二進制位數14一月202437

橫坐標代表字寬(n位)，即在一個字中同時處理的二進制位數縱坐標代表位片寬度(m位)，即在一個位片中能同時處理的字數

字寬n位片寬m。。n=1,m=1,字串位串(WSBS)如串行計算機。n>1,m=1,字并位串(WPBS)如傳統計算機。。1163264116326425628816384。。。。。n>1,m>1,字并位并(WPBP)如陣列計算機。n=1,m>1,字串位并(WSBP)如STARAN等機。MPPSTARANPDP-11IBM360TI-ASCILLIACPEPECmmp。14一月2024381.2計算機系統的設計技術1.2.1計算機系統的設計原理---加快經常性事件的速度---Amdahl定律---程序訪問的局部性規律1.2.2計算機系統的設計方法---軟硬件舍取的基本原則---計算機系統設計者的主要任務---計算機系統設計的基本方法（三種）14一月2024391.加快經常性事件的速度Makethecommoncasefast例如：CPU中的加法這是計算機設計中最重要也最廣泛采用的設計準則。使經常性事件的處理速度加快能明顯提高整個系統的性能1.2.1

計算機系統的設計原理14一月2024402.Amdahl定律系統對某一部件采用某種更快執行方式所能獲得的系統性能改進程度，取決于這種執行方式被使用的頻率，或所占總執行時間的比例。14一月202441Amdahl定律（理解）CPU硬件系統ALU占系統運行時間的30%編譯軟件系統公共子程序30%被加（提）速部件要優化改進的軟件14一月202442Amdahl定律表達式表示被改進部分在改進前占系統的比例表示被改進部分的加速比14一月202443Amdahl表達式的解釋改進后的執行總時間=不可改進部分的執行時間+不可改進部分的比例可改進部分的執行時間14一月202444Amdahl舉例假設將某系統的某一部件的處理速度加快到10倍，但該部件的原處理時間僅為整個運行時間的40%，則采用加快措施后能使整個系統的性能提高多少？解：由題意可知fe=0.4,re=10,根據Amdahl定律14一月2024453.程序訪問的局部性規律程序訪問局部性主要反映在時間和空間局部性兩個方面時間局部性是指程序中近期被訪的信息項很可能馬上將被再次訪問；空間局部性是指那些在訪問地址上相鄰近的信息項很可能會被一起訪問這是構成存儲體系（存儲層次）的主要規律

1.軟硬取舍的基本原則原則一：在現有器件和技術條件下，系統要有高的性能價格比原則二：不應對組成和實現技術有過多的限制原則三：對軟件提供更多更好的支持（OS、編譯、高級語言）

1.2.2

計算機系統的設計方法14一月2024472.計算機系統設計的主要任務要滿足用戶對功能上的要求以及相應的對價格和性能要求在滿足功能要求基礎上，進行設計的優化設計應能適應日后發展趨勢14一月202448計算機發展的基本趨勢

一個芯片上的晶體管數大約每年增加25％，因此每三年可增加一倍；

器件的開關速度增長基本類似DRAM的密度每年增長約60％，因此每三年將增長三倍；

訪問存儲器周期改進相應較慢，每十年約減少1／3；硬盤密度每年增加25％，每三年增加一倍，訪問時間則每十年減少1／3。14一月202449計算機系統設計的主要方法方法一：“由上往下”設計：

先考慮如何滿足應用要求，確定好面對使用者那級機器應有什么基本功能和特性，如基本命令、指令或語言結構、數據類型和格式等，然后再逐級往下設計，每級都考慮怎樣優化上一級實現。方法特征：它適合于專用機設計，不適合于通用機設計。

14一月202450方法二：由下往上設計

不管應用要求，只根據能拿到的器件參照或吸收已有各種機器的特點，先設計出微程序機器級(如果采用微程序控制)及傳統機器級，然后再為不同應用配多種操作系統和編譯系統軟件。方法特征：設計周期長。當一種結構的機器完成以后，硬件技術又已發展了一大步。20世紀60—70年代前常用此方法。14一月202451方法三：由中間開始設計

先進行合理的軟、硬件功能分配，既要考慮能拿到的硬、器件，又要考慮可能的應用所需的算法和數據結構，先定義好這個交界面。確定哪些功能由硬件實現，哪些功能由軟件實現，同時還要考慮好硬件對操作系統、編譯系統的實現提供些什么支持。然后由這個中間點分別往上、往下進行軟件和硬件的設計。“中間”指傳統機器級界面。方法特征：設計周期短，軟硬件結合。

14一月2024521.3計算機系統的性能評價CPU性能公式（CPU工作時間）MIPS和MFLOPS

基準測試程序

性能評價結果的統計和比較

14一月2024531.3.1CPU性能公式一個程序在CPU上運行所需的時間：其中，14一月2024541.3.2MIPS和MFLOPSMIPS每秒（可執行）百萬條指令MFLOPS每秒（可執行）百萬條浮點指令14一月202455舉例

例1

用一臺4OMHz處理機執行標準測試程序，它含的混合指令數和相應所需的時鐘周期數如下：指令類型指令條數時鐘周期數整數運算450001

數據傳送320002

浮點運算

150002

控制轉移

80002求有效CPI、MIPS速率和程序的執行時間。14一月202456

解：依題意可知IN=105條，n=4，14一月202457

例2

某工作站采用時鐘頻率為15MHz、處理速率為10MIPS的處理機來執行一個巳知混合程序。假定每次存儲器存取為1周期延遲、試問：

(1)

此計算機的有效CPI是多少?

(2)假定將處理機的時鐘提高到30MHz，但存儲器子系統速率不變。這樣，每次存儲器存取需要兩個時鐘周期。如果30％指令每條只需要一次存儲存取，而另外5％每條需要兩次存儲存取，還假定已知混合程序的指令數不變，并與原工作站兼容，試求改進后的處理機性能。解(1)14一月202458(2)依題意可知：30%的指令需要一次存儲存取，則這些指令在處理器提高時鐘頻率之后需要增加1個時鐘周期；另外5%的指令需要增加2個時鐘周期。

改進后性能提高情況可用CPU時間之比表示：

14一月2024591.3.3基準測試程序用于評價計算機系統性能的基準測試程序(Benchmark)

。采用實際應用程序。如c語言的各種編譯程序及CAD工具軟件等；從實際程序中抽取少量關鍵循環程序段來組成核心程序，以此來評估性能；合成測試程序。它類似于核心程序方法，但這種合成測試程序是人為編制的。較流行的合成測試程序有Whetstone和Dhrystone兩種.

14一月202460SPEC測試程序在1988年，美國HP、DEC、MIPS以及SUN公司，發起成立了SPEC(StandardPerformanceEvaluationCorporation)(標準性能評估協會)SPEC是一非盈利社團，致力于“建立、維護和認可一個基準測試程序標準化集，以用于最新一代高性能計算機的性能衡量。”SPEC89、92、95和2000共四個版本14一月202461

SPEC89由10個工程/科學測試程序（GCC，Espresso，Splce2g6，DODUC，NASA7，Li，Eqntott，Matrix300，FPPPP，TOMCATV）組成。

其中4個用C語言編寫(GCC，Espresso，Li和Eqntott)用于整數運算，6個用FORTRAN語言編寫，用于浮點運算。計算所得SPECmark的分值越大越好，它是相對于VAX—11／780的性能，lSPEC分值約相當于0.2～0.3MFLOPS。

SPEC89后來演化出兩個測試程序集：SPECmark測量10個程序的執行速率，SPECthruput考察系統的吞吐率。14一月202462SPEC92由20個測試程序組成，包括CINT92(6)和CFP92(14)參照機：VAX11/780程序描述/領域CompressEspresoGccEqntottScxlisp自適應壓縮函數最小化GNUC編譯器邏輯設計電子表格Lisp解釋器程序描述/領域AlvinnDoduceEarFppppHydro2dMdljdp2Mdljsp2Masa7OraSpiceSu2corSwm256TomcatWave5神經網絡/機器人核反應堆模擬/物理學耳朵模擬/醫學電子積分/化學噴氣計算/天體物理運動方程/化學（雙）運動方程/化學（單）浮點內核光線跟蹤/光學電路模擬/電路設計粒子質量/量子物理水方程求解/模擬網格生成程序麥克斯韋方程求解14一月202463SPEC95由18個測試程序組成，包括CINT95(8)和CFP95(10)參照機：SUNSPARC10/40SPEC2000由26個測試程序組成，包括CINT2000(12)和CFP2000(14)參照機：SUNUltra5_10300MHzAlphaStation500/500(System#1)PersonalWorkstation500au(System#2)AlphaServer41005/533(System#3)14一月202464SPECint2000整數基準測試程序集基準測試程序語言駐留大小虛擬大小描述164.gzipc181(MB)200(MB)壓縮175.vprc5055.2FPGA應用176.gccc155158C編譯器181.mcfc190192組合優化186.craftyc2.14.2下棋游戲197.parserc3762.5字處理252.eonC++0.73.3計算機可視化253.perlbmkc146159Perl編程254.gapc193196解釋器(群論)255.vortexc7281Oob數據庫256.bzip2c185200壓縮300.twolfc1.94.1路由模擬器14一月202465SPECfp2000浮點基準測試程序集基準測試程序語言駐留大小虛擬大小描述168.wupwiseF77176(MB)177(MB)量子染色動力學171.swinF77191192淺水建模172.mgridF775656.7三維勢能場173.appluF77181191偏微分方程177.mesac9.524.7三維圖形庫178.galgelF9063155計算流體力學179.artc3.75.9神經網絡應用183.equakec4951.1地震波傳輸模擬187.facerecF901618.5圖象處理：臉部識別188.ammpc2630計算化學189.lucasF90142143數論191.fma3dF90103105有限元模擬200.sixtrackF772659.8核物理應用301.apsiF77191192氣象學：污染物質分布14一月202466HPC的性能測試LinpackLinpack包括：Linpack100、1000和HPLLinpack是用高斯消元法要求解一元N次稠密線性方程。只能采用編譯優化選項，不能更改程序代碼，甚至是代碼中的注釋必須安裝支持C和Fortran77的編譯器、并行編程環境MPICH14一月202467Pentium與80486性能比較

Pentium/6680486DX2/66推出日期：1993年3月1992年8月制造工藝：0.8umCMOS0.8umCMOS整數/浮點部件：2/1個2/1個片內Cache：16K(指/數分開)8K(指/數混存)外部數據總線：64位32位Dhryston值：100MIPS54MIPSSPECint89值：7033.6SPECfp89值：7018.314一月2024681.3.4性能評價結果的統計和比較

1．算術性能平均值Am2．幾何性能平均值Gm3．調和性能平均值HmRi表示由n個程序組成的工作負荷中執行第i個程序的速率，Ti表示執行第i個程序所需的時間

14一月202469程序機器A執行時間機器B執行時間機器C執行時間程序111020程序2100010020程序3500100050程序4100800100例3已知四個程序在三臺計算機上的執行時間(s)如下表：

假設四個程序中每一個都有100000000條指令要執行，計算這三臺計算機中每臺機器上每個程序的MIPS速率。根據這些速率值，你能否得出有關三臺計算機相對性能的明確結論？你能否找到一種將它們統計排序的方法?試說明理由。14一月202470程序機器A的MIPS機器B的MIPS機器C的MIPS程序1100105程序20.115程序30.20.12程序410.1251由上述機器的MIPS速率，可知每臺機器對4個程序有不同的處理時間，而且大小順序不同，所以不能得出明確的結論。解：根據式可得出每臺機器每個程序的MIPS速率如下：

14一月202471平均執行時間機器A機器B機器C算術平均25.32.813.25幾何平均1.190.592.66調各平均0.250.202.1如果按照算術平均比較性能，機器A最快，機器B最慢；如果按照幾何平均比較性能，機器C最快，機器B最慢；如果按照調各平均比較性能，機器C最快，機器B最慢。下面可采用統計的方法比較各機器的性能：

如機器A的算術平均：14一月2024721.4計算機系統結構的發展傳統計算機結構特點及其演變軟件、器件和應用對系統結構發展的影響計算機的成本和價格14一月2024731.4.1傳統機結構特點及其演變

傳統的馮.諾依曼計算機結構輸出設備輸入設備控制器運算器存儲器14一月20247414一月202475ENIAC-技術細節Decimal(notbinary)十進制（沒有二進制）20accumulatorsof10digits十位數字的累加器有20個Programmedmanuallybyswitches通過開關人工編程18,000vacuumtubes18,000個晶體管15,000squarefeet15,000平方英尺140KWpowerconsumption140KW電力消耗5,000additionspersecond每秒可執行5000次加法運算傳統計算機結構模式的主要缺點有：1.存在有兩個瓶頸：物理瓶頸和智能瓶頸；2.低級的機器語言和高級的程序設計語言之間存在著巨大的語義差距；3.復雜的數據結構對象無法直接存放到一維線性地址空間的存儲器中，必須經過地址映象。

14一月202477針對傳統計算機結構模式的演變兩個瓶頸：“改良”方法“改革”方法Cache存儲器、并行主存技術高級流水技術語義差距：數據結構：面向高級語言機器、虛擬存儲技術以支持高級語言編程自定義數據表示、多維存儲空間非傳統計算機結構：并行處理計算機脈動陣列計算機數據流計算機歸約計算機人工智能計算機14一月2024781.4.2系統結構的發展軟件對系統結構發展的影響器件對系統結構發展的影響應用對系統結構發展的影響14一月202479一、軟件對系統結構發展的影響軟件對系統結構的影響主要是解決軟件的可移植出性（①

軟件成本越來越高②軟件產量和可靠性的提高困難③

積累了大量成熟的軟件④排錯比編寫困難、軟件生產率低因而出現了“軟件危機”）實現軟件的可移植性有三個主要途徑：1.統一高級語言2.采用系列機方法3.模擬與仿真2.采用系列機方法

系列機：由同一廠商生產，系統結構相同、組成和實現不同的不同檔次（速度、容量、成本和可靠性）的機器。如IBM公司的360、370系列計算機，DEC公司的PDP-ll系列機和INTEL公司的80X86系列微型計算機。1.統一高級語言（應用、認識和習慣勢力三個問題）14一月202481系列機方法只是解決了系統結構相同的計算機之間的軟件移植。系列機方法也限制了系統結構的發展。

系列機方法較好地解決了硬件技術更新發展快（系統結構要求不斷更新）而軟件編寫開發周期比較長（軟件環境要求相對穩定）之間的矛盾。兼容機：不同廠商生產，系統結構相同、組成和實現不同的不同檔次的機器。14一月202482系列機要求：保證向后兼容力爭做到向上兼容當前機器時間機器檔次向上兼容向下兼容向前兼容向后兼容14一月2024833.模擬與仿真微程序機器級高級語言級匯編語言級操作系統級傳統機器級A機器系統模擬高級語言級操作系統級傳統機器級B機器系統仿真宿主機虛擬機目標機模擬：用一臺機器的指令系統，去解釋另一臺系統結構不同的機器的指令系統，以實現軟件的移植。（實現容易、速度較慢）仿真：直接用微程序去解釋另一臺系統結構不同的機器的指令系統，以實現軟件的移植。（微程序編寫困難、實現速度較快）

模擬與仿真可實現系統結構不同的機器之間軟件的移植。對于使用頻率較高的指令，盡可能用仿真方法以提高運算速度，而對使用頻率低且難于用仿真實現的指令(包括I／O指令等)則用模擬方法加以實現。

14一月202485開放式系統(opensystem)1978年由國際標準化組織(ISO)首先提出了關于開放式系統的新概念。是指—種獨立于廠商，且遵循有關國際標準而建立的、具有系統可移植性、交互操作性，從而能允許用戶自主選擇具體實現技術和多廠商產品渠道的系統集成技術的系統。它是相對于原來的封閉系統或專有系統而言的。USB,TCP/IPJava,CORBA,WebServices等14一月202486二、器件對系統結構發展的影響

器件發展使得計算機的主頻速度、單芯片的集成度飛速提高。（如1979年推出的8088/8086，主頻約5MHz，單芯片上集成2.9萬個晶體管；1997年推出的PII主頻在300MHz左右，單芯片上集成1500萬個晶體管）器件的發展使得系統結構技術“下移”速度加快。14一月202487

器件的發展使得器件原有的使用性質發生了轉變（通用型→現場型→專用型）。器件的發展會影響到算法、語言和軟件的發展。

器件的發展改變了傳統的邏輯設計思想和邏輯設計方法。器件是推動系統結構發展的主要動力，最活躍的因素，是計算機更新換代的標志之一。14一月20248814一月20248914一月202490美國NSF向美國政府申請2009年計劃經費2000多萬美元，為超越摩爾定律(SEBML)部署新計劃NSF：摩爾定律將在10到20年后達到物理和概念上的極限具體方向包括：碳納米管、量子計算和并行計算以及大規模多核計算機等14一月202491三、應用對系統結構發展的影響

計算機系統結構設計者總是根據用戶（市場）需求設計或改進系統結構，以適應發展。在某個應用領域的確定以后，計算機系統結構設計者的首要任務，是確保系統中的每一個功能部件獲得更高的性能。14一月202492系統結構發展小結軟件是促使計算機系統結構發展的最重要的因素沒有軟件，機器就不能運行，所以為了能方便地使用現有軟件，就必須考慮系統結構的設計軟件最重要應用需求是促使計算機系統結構發展的最根本的動力機器是給人用的，我們追求更快更好，機器就要做得更快更好需求最根本器件是促使計算機系統結構發展最活躍的因素沒有器件就產生不出電腦，器件的每一次升級就帶來計算機系統結構的改進器件最活躍14一月2024931.4.3計算機的成本和價格成本敏感設計(Cost-sensitivedesigns)：--非設計時的元器件成本，而是產品交付市場時的規劃成本。--封裝成本。隨著時間的推移，設計時安排在一個印制板上的所有器件，生產時可能只用一個單芯片集成。14一月202494平均折扣毛利潤直接成本元器件成本計算機產品價格的構成25-40%35-40%6-8%20-30%制造成本：工人工資、元器件采購、器件損耗、維護保修等間接成本：研制費、銷售費、廣告宣傳費、廠房租金、設備使用、管理費等利潤（批零差價）：生產廠家利潤、中間商利潤、零售商利潤等目錄價格14一月202495部分習題解答1．2如有一個經解釋實現的計算機，可以按功能劃分成4級。每一級為了執行一條指令需要下一級的N條指令解釋。若執行第一級的一條指令需K(ns)時間，那么執行第2、3、4級的一條指令各需要用