1、2022-5-10計算機科學與技術系31. 課程名稱課程名稱 Computer Architecture 計算機系統(tǒng)結(jié)構計算機系統(tǒng)結(jié)構 計算機體系結(jié)構計算機體系結(jié)構 建筑物的設計或式樣建筑物的設計或式樣, 通常指一個系統(tǒng)的外通常指一個系統(tǒng)的外貌貌2. 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 從外部來研究計算機系統(tǒng)從外部來研究計算機系統(tǒng) 使用者所看到的物理計算機的抽象使用者所看到的物理計算機的抽象 編寫出能夠在機器上正確運行的程序所必編寫出能夠在機器上正確運行的程序所必須了解到的計算機屬性須了解到的計算機屬性2022-5-10計算機系統(tǒng)結(jié)構 課程介紹43. 學習目的學習目的建立計算機系統(tǒng)的建立計算機系統(tǒng)的完整概念完整

2、概念學習計算機系統(tǒng)的學習計算機系統(tǒng)的分析方法和設計方法分析方法和設計方法了解計算機系統(tǒng)的了解計算機系統(tǒng)的最新研究成果最新研究成果4. 學科方向?qū)W科方向一級學科一級學科 1 個：計算機科學與技術個：計算機科學與技術二級學科二級學科 3 個：個：計算機系統(tǒng)結(jié)構計算機系統(tǒng)結(jié)構、計算機軟、計算機軟件及理論、計算機應用技術件及理論、計算機應用技術全國重點學科：全國重點學科：計算機系統(tǒng)結(jié)構計算機系統(tǒng)結(jié)構、計算機應、計算機應用技術用技術2022-5-10計算機系統(tǒng)結(jié)構 課程介紹55. 與其他學科的交叉與其他學科的交叉學科交叉：學科交叉：計算機組成、操作系統(tǒng)、匯編語言、計算機組成、操作系統(tǒng)、匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構

3、、微計算機技術、計算機網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)結(jié)構、微計算機技術、計算機網(wǎng)絡、新內(nèi)容：新內(nèi)容：超標量處理機、超流水線處理機、超標量處理機、超流水線處理機、VLIW處理機、向量處理機、并行處理機、處理機、向量處理機、并行處理機、多處理機、互連網(wǎng)絡、多處理機、互連網(wǎng)絡、計算機系統(tǒng)結(jié)構正處于變革時期計算機系統(tǒng)結(jié)構正處于變革時期 軟件軟件-系統(tǒng)結(jié)構系統(tǒng)結(jié)構-實現(xiàn)技術實現(xiàn)技術, 兩頭發(fā)展快中間兩頭發(fā)展快中間慢慢 非馮計算機正興起非馮計算機正興起 系統(tǒng)結(jié)構的發(fā)展時期已經(jīng)到來系統(tǒng)結(jié)構的發(fā)展時期已經(jīng)到來2022-5-10計算機系統(tǒng)結(jié)構 課程介紹66. 課程安排課程安排課內(nèi)：課內(nèi)：64學時，學時，實驗：實驗：16學時，學時，

4、課內(nèi)外比例：課內(nèi)外比例：課內(nèi)課內(nèi)1：課外：課外1除完成作業(yè)之外，還要多看參考書除完成作業(yè)之外，還要多看參考書 多看好論文多看好論文(被被 SCI、EI 收錄收錄)，了解國內(nèi)，了解國內(nèi)外最新研究成果外最新研究成果7. 教材和參考書教材和參考書教材：教材：清華大學計算機系列教材：清華大學計算機系列教材：計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)結(jié)構結(jié)構(第二版第二版) ，清華大學出版社，清華大學出版社2022-5-10計算機系統(tǒng)結(jié)構 課程介紹7參考書：參考書：(1)David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Architecture: A Quantitative

5、 Approach 3 Ed. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers 中文：計算機系統(tǒng)結(jié)構：一種定量的方法中文：計算機系統(tǒng)結(jié)構：一種定量的方法（第二版（第二版,第三版即將出版），清華大學出版第三版即將出版），清華大學出版社社 (2)Kai Hwang，Advanced Computer Acrchitecture Parallelism Scalability Programmability 中文：高等計算機系統(tǒng)結(jié)構：并行性中文：高等計算機系統(tǒng)結(jié)構：并行性 可擴展可擴展性性 可編程性，清華大學出版社、廣西科學技可編程性，清華大學出版社、廣西科學技術

6、出版社術出版社第第1章章 基本概念基本概念1.1 計算機系統(tǒng)結(jié)構簡介計算機系統(tǒng)結(jié)構簡介1.1.1 為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構1.1.2 如何認識計算機系統(tǒng)如何認識計算機系統(tǒng)1.1.3 計算機系統(tǒng)結(jié)構的定義計算機系統(tǒng)結(jié)構的定義1.1.4 計算機組成技術計算機組成技術1.1.5 計算機實現(xiàn)技術計算機實現(xiàn)技術1.1.1 1.1.1 為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構1. 提高處理機運算速度：提高處理機運算速度：MIPSFz IPC 其中: Fz為處理機的工作主頻 IPC(Instruction Per Cycle)為 每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)提

7、高提高IPC：依靠先進系統(tǒng)結(jié)構：依靠先進系統(tǒng)結(jié)構 過去，幾個或幾十個周期完成一條指令過去，幾個或幾十個周期完成一條指令 現(xiàn)在，一個周期完成幾條指令現(xiàn)在，一個周期完成幾條指令提高提高Fz：縮短門電路延遲，依靠技術進步縮短門電路延遲，依靠技術進步 流水線技術等，依靠先進系統(tǒng)結(jié)構流水線技術等，依靠先進系統(tǒng)結(jié)構 從指令串行執(zhí)行，到從指令串行執(zhí)行，到P4的的20級流水線級流水線 350 300 250 200 150 100 50 0 1985 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 DEC Alpha SUN4 IBM Power1

8、 MIPS R2000 DEC Alpha MIPS R3000 HP 900 IBM Power2 DEC Alpha 每每年年 1.58 倍倍 每每年年 1.35 倍倍 SPECint 速速度度指指標標 依依靠靠技技術術進進步步性性能能每每年年提提高高 35% 先先進進系系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)結(jié)構構對對性性能能的的貢貢獻獻是是技技術術進進步步的的 5 倍倍 2. 計算機性能提高的幾個階段計算機性能提高的幾個階段20世紀世紀70年代末之前，大型機和小型機計算機性能年代末之前，大型機和小型機計算機性能每年每年提高提高25%30%。20世紀世紀80年代初，出現(xiàn)微處理機，依靠集成電路技術，年代初，出現(xiàn)微處理機，

9、依靠集成電路技術，性能性能每年提高每年提高35%20世紀世紀80年中期，出現(xiàn)年中期，出現(xiàn)RISC技術、高級語言和操作系技術、高級語言和操作系統(tǒng)等，性能統(tǒng)等，性能每年提高每年提高50%1995年，年，先進系統(tǒng)結(jié)構先進系統(tǒng)結(jié)構對微處理器性能的貢獻是單純技對微處理器性能的貢獻是單純技術進步的術進步的5倍。倍。3. 近幾年及將來，計算機性能按摩爾定理發(fā)展。近幾年及將來，計算機性能按摩爾定理發(fā)展。4. 計算機系統(tǒng)的設計者們要不斷創(chuàng)新。計算機系統(tǒng)的設計者們要不斷創(chuàng)新。1.1.2 如何認識計算機系統(tǒng)如何認識計算機系統(tǒng)1. 1. 虛擬計算機虛擬計算機定義：定義：從不同角度所看到的計算機系統(tǒng)的從不同角度所看到的

10、計算機系統(tǒng)的屬性是不同的。屬性是不同的。主要觀察角度包括：主要觀察角度包括： 應用程序員應用程序員 系統(tǒng)程序員系統(tǒng)程序員 硬件設計人員硬件設計人員對計算機系統(tǒng)的認識通常只需要在某一個對計算機系統(tǒng)的認識通常只需要在某一個層次上層次上 廣廣義義語語言言 虛虛擬擬計計算算機機 解解釋釋或或編編譯譯 作作用用對對象象 觀觀察察者者 虛擬計算機系統(tǒng)虛擬計算機系統(tǒng)2. 2. 計算機系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構層次結(jié)構 計算機系統(tǒng)可分為計算機系統(tǒng)可分為7 7個層次個層次 第第3 3級至第級至第6 6級由級由軟件實現(xiàn)軟件實現(xiàn), ,稱為稱為虛擬機虛擬機 從學科領域來劃分：從學科領域來劃分： 第第0 0級和第級和第

11、1 1級屬于級屬于計算機組成原理計算機組成原理 第第2 2級屬于級屬于計算機系統(tǒng)結(jié)構計算機系統(tǒng)結(jié)構 第第3 3至第至第5 5級屬于級屬于系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件 第第6 6級屬于級屬于應用軟件應用軟件 它們之間有交叉它們之間有交叉 例如：第3級必須依賴第4級和第5級來實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構 第第 6 級級 ： 應應 用用 程程 序序 第第 5 級級 ： 高高 級級 語語 言言 第第 4 級級 ： 匯匯 編編 語語 言言 第第 3 級級 ： 操操 作作 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第第 2 級級 ： 機機 器器 語語 言言 第第 1 級級 ： 微微 程程 序序 第第 0 級級 ： 硬硬 聯(lián)聯(lián) 邏邏

12、 輯輯 應應 用用 軟軟 件件 系系 統(tǒng)統(tǒng) 軟軟 件件 硬硬 件件 軟軟 硬硬 件件 分分 界界 17 應應用用語語言言 第第 6 6 級級 應應用用程程序序 應應用用程程序序 信信息息處處理理系系統(tǒng)統(tǒng) 用用 戶戶 高高級級語語言言 第第 5 5 級級 高高級級語語言言 解解釋釋程程序序 編編譯譯程程序序 可可執(zhí)執(zhí)行行程程序序 高高級級語語言言程程序序員員 匯匯編編語語言言 第第 4 4 級級 匯匯編編語語言言 匯匯編編程程序序 可可執(zhí)執(zhí)行行程程序序 匯匯編編語語言言程程序序員員 系系統(tǒng)統(tǒng)原原語語 鍵鍵盤盤命命令令 第第 3 3 級級 操操作作系系統(tǒng)統(tǒng) 操操作作系系統(tǒng)統(tǒng) 系系統(tǒng)統(tǒng)資資源源 系系

13、統(tǒng)統(tǒng)操操作作員員 指指令令系系統(tǒng)統(tǒng) 第第2 2 級級 機機器器語語言言 中中央央處處理理機機 目目標標程程序序 機機器器語語言言程程序序員員 指指令令時時序序 第第1 1 級級 微微程程序序控控制制 微微程程序序控控制制 寄寄存存器器邏邏輯輯 邏邏輯輯設設計計員員 操操作作時時序序 第第0 0 級級 硬硬聯(lián)聯(lián)邏邏輯輯 硬硬聯(lián)聯(lián)邏邏輯輯 邏邏輯輯線線路路 硬硬件件設設計計員員 3. 3. 透明性概念透明性概念 定義：定義：本來存在的事物或?qū)傩?，從某種角度本來存在的事物或?qū)傩?，從某種角度看似乎不存在看似乎不存在 例如：例如：CPUCPU類型、型號、主存儲器容量等類型、型號、主存儲器容量等 對對應用

14、程序員應用程序員 透明透明 對對系統(tǒng)程序員、硬件設計人員系統(tǒng)程序員、硬件設計人員等等 不透明不透明 例如：浮點數(shù)表示、乘法指令例如：浮點數(shù)表示、乘法指令 對對高級語言程序員、應用程序員高級語言程序員、應用程序員 透明透明 對對匯編語言程序員、機器語言程序員匯編語言程序員、機器語言程序員 不透明不透明 例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序 對對匯編語言程序員、機器語言程序員匯編語言程序員、機器語言程序員 透明透明 對對硬件設計人員、計算機維修人員硬件設計人員、計算機維修人員 不透明不透明1.1.3 1.1.3 計算機系統(tǒng)結(jié)構的定義計算機系統(tǒng)結(jié)構的定義計算機系統(tǒng)結(jié)構定義一計算機系統(tǒng)

15、結(jié)構定義一 Amdahl于于1964年在推出年在推出IBM360系列計算機時提出系列計算機時提出：程序員程序員所所看到的看到的計算機系統(tǒng)的屬性計算機系統(tǒng)的屬性, 即即概概念性結(jié)構念性結(jié)構和和功能特性功能特性程序員程序員：系統(tǒng)程序員系統(tǒng)程序員（包括：匯編語言、（包括：匯編語言、機器語言、編譯程序、操作系統(tǒng)）機器語言、編譯程序、操作系統(tǒng)）看到的看到的：編寫出能在機器上正確運行的程編寫出能在機器上正確運行的程序所必須了解到序所必須了解到的的概念性結(jié)構概念性結(jié)構 IBM360系列計算機的概念性結(jié)構系列計算機的概念性結(jié)構主主 存存 儲儲 器器主主 存存 控控 制制 器器 打打 印印 機機磁磁 盤盤 機機

16、卡卡 片片 機機磁磁 帶帶 機機終終 端端功能特性功能特性 指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式2. 計算機系統(tǒng)結(jié)構定義二計算機系統(tǒng)結(jié)構定義二 研究軟硬件功能分配和對軟硬件界面的確定研究軟硬件功能分配和對軟硬件界面的確定計算機系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們在計算機系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們在功能上是同等的。功能上是同等的。同一種功能可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件或同一種功能可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件或固件實現(xiàn)。固件實現(xiàn)。不同的組成只是性能和價格不同不同的組成只是性能和價格不同, 他們的系統(tǒng)結(jié)他們的系統(tǒng)結(jié)構是相同的。構是相同的。系列計算機概念：系列計算機概念：相同系統(tǒng)結(jié)構相同系統(tǒng)結(jié)構

17、,不同組成和實不同組成和實現(xiàn)的一系列計算機系統(tǒng)?，F(xiàn)的一系列計算機系統(tǒng)。1.1.4 1.1.4 計算機組成技術計算機組成技術1.1.課程名稱課程名稱 Computer Organization 計算機組成，計算機組織，計算機原理，計算機組成，計算機組織，計算機原理，計算機組成原理計算機組成原理2.2.研究方法研究方法 從內(nèi)部研究計算機系統(tǒng)從內(nèi)部研究計算機系統(tǒng) 計算機組成是指計算機系統(tǒng)結(jié)構的邏輯計算機組成是指計算機系統(tǒng)結(jié)構的邏輯實現(xiàn)。實現(xiàn)。3.3.主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容 確定數(shù)據(jù)通路的寬度；確定數(shù)據(jù)通路的寬度； 確定各種操作對功能部件的共享程度；確定各種操作對功能部件的共享程度； 確定專用的功能

18、部件；確定專用的功能部件； 確定功能部件的并行度；確定功能部件的并行度； 設計緩沖和排隊策略；設計緩沖和排隊策略； 設計控制機構；設計控制機構； 確定采用何種可靠性技術。確定采用何種可靠性技術。1.1.5 1.1.5 計算機實現(xiàn)技術計算機實現(xiàn)技術計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)主計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)主要包括：要包括： 處理機、主存儲器等部件的物理結(jié)構；處理機、主存儲器等部件的物理結(jié)構； 器件的集成度和速度；器件的集成度和速度； 專用器件的設計；專用器件的設計； 器件、模塊、插件、底版的劃分與連接；器件、模塊、插件、底版的劃分與連接； 信號傳輸技術；信號傳輸技術； 電源、冷卻及裝

19、配技術，制造工藝及技電源、冷卻及裝配技術，制造工藝及技術等。術等。隨著技術、器件和應用的發(fā)展，三者之間隨著技術、器件和應用的發(fā)展，三者之間的界限越來越模糊。的界限越來越模糊。1.2 計算機系統(tǒng)的評價標準計算機系統(tǒng)的評價標準1.2.1 1.2.1 運算速度運算速度 運算速度是表示處理機性能的主要指標。運算速度是表示處理機性能的主要指標。 有多種表示處理機運算速度的方法。有多種表示處理機運算速度的方法。 哪一種表示方法合理？哪一種表示方法合理？1. 1. 時鐘頻率（處理機主頻）時鐘頻率（處理機主頻） 只能用于同一公司、同一類型、同一配置的處理機 如：Pentium4 2.0G比比Pentium4

20、1.6G快快25%? Pentium4 2.4G比比Pentium4 1.6G快快50%? 只表示只表示CPU的指令處理能力的指令處理能力 實際運算速度還與實際運算速度還與Cache、內(nèi)存、內(nèi)存、I/O、被執(zhí)、被執(zhí)行程序等均有關。行程序等均有關。MIPS10FzCPIIPC Fz6指令條數(shù)執(zhí)行時間 解：解：由于 PentiumIV 2GHz 處理機的 IPC4（或CPI0.25）, Fz2000MHz 因此，MIPSPentiumIV2GFzIPC20004 8000MIPS8GIPS 即每秒鐘每秒鐘80億次億次(平均每秒鐘執(zhí)行80億條指令) 主要優(yōu)點：主要優(yōu)點：直觀、方便。直觀、方便。目前還

21、經(jīng)常使用目前還經(jīng)常使用 主要缺點主要缺點: (1) 不同指令的執(zhí)行速度差別很大不同指令的執(zhí)行速度差別很大 (2) 指令使用頻度差別很大指令使用頻度差別很大 (3) 有相當多的非功能性指令有相當多的非功能性指令3. 3. 等效指令速度：等效指令速度： 吉普森（吉普森（Gibson）法：）法：加減法加減法5050，乘法，乘法1515，除法除法5 5，程序控制，程序控制1515，其他，其他1515 靜態(tài)指令使用頻度：在程序中直接統(tǒng)計靜態(tài)指令使用頻度：在程序中直接統(tǒng)計 動態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過程中統(tǒng)計動態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過程中統(tǒng)計niii1)Weight(TimeT等效指令執(zhí)行時間nii

22、1MIPSWeight1MIPS等效指令速度）（等效niii1WeightCPICPI例例2 2：我國早期研制的一種小型計算機：我國早期研制的一種小型計算機DJS-130DJS-130 定點定點1616位，加法指令每秒位，加法指令每秒5050萬次，但沒有萬次，但沒有 硬件乘除法指令。用軟件實現(xiàn)乘除法，速硬件乘除法指令。用軟件實現(xiàn)乘除法，速 度低度低100100倍左右。求等效指令速度。倍左右。求等效指令速度。解：解：等效指令速度為：等效指令速度為：MIPS0.02)100/0.50.200.50.80(1MIPS等效指令速度 即每秒即每秒2 2萬次，萬次， 由于用軟件實現(xiàn)乘除法，等效指令速度降低

23、了由于用軟件實現(xiàn)乘除法，等效指令速度降低了2525倍。倍。 例例3 3：假設在一般程序中浮點開平方操作：假設在一般程序中浮點開平方操作FPSQRFPSQR所占所占 的比例為的比例為2 2，它的，它的CPICPI為為100100；其他浮點操作；其他浮點操作 FPFP所占的比例為所占的比例為2323，它的，它的CPICPI4.04.0；其余；其余 7575指令的指令的CPICPI1.331.33，計算該處理機的等效，計算該處理機的等效 CPICPI。如果。如果FPSQRFPSQR操作的操作的CPICPI也為也為4.04.0，重新計算，重新計算 等效等效CPICPI。解：解：等效等效CPICPI1

24、1100100 2 24 4 23231.331.33 75753.923.92等效等效CPICPI2 24 4 25251.331.33 75752.002.00 改進了在用戶程序中僅占改進了在用戶程序中僅占2 2的開平方操的開平方操作，整個機器的等效運算速度提高了近一倍。作，整個機器的等效運算速度提高了近一倍。4. 4. 指令執(zhí)行速度的指令執(zhí)行速度的 4 4 種平均方法種平均方法 算術平均：算術平均： 調(diào)和平均調(diào)和平均(用速率來度量用速率來度量)： 加權平均加權平均加權算術平均：加權算術平均：加權調(diào)和平均：加權調(diào)和平均：niin1Time1niin1Rate1iniinWeightTime

25、11niii1RateWeight1幾何平均：幾何平均： 其中：n 指不同的程序，ETR(execution time ratio) i是第i個程序相對于參考機器正交化后的執(zhí)行時間 幾何平均速度與所參考的機器無關，有如下性質(zhì)：幾何平均速度與所參考的機器無關，有如下性質(zhì)： 幾何平均值的比率等于比率的幾何平均值幾何平均值的比率等于比率的幾何平均值nniiETR1的幾何平均值的幾何平均值的幾何平均值iiiiYXYX運行程序運行程序P1時，時，A的速度是的速度是B的的10倍；倍；運行程序運行程序P2時，時，B的速度是的速度是A的的10倍；倍；運行程序運行程序P1時，時，A的速度是的速度是C的的20倍；

26、倍；運行程序運行程序P2時，時，C的速度是的速度是A的的50倍；倍；運行程序運行程序P1時，時，B的速度是的速度是C的的2倍；倍；運行程序運行程序P2時，時，C的速度是的速度是B的的5倍。倍。例例 4：兩個程序在三臺機器上的執(zhí)行時間：兩個程序在三臺機器上的執(zhí)行時間 機器機器 A 機器機器 B 機器機器 C 程序程序 P1（秒）（秒） 1 10 20 程序程序 P2（秒）（秒） 1000 100 20 算術平均：算術平均： 程序P1和P2各執(zhí)行1次，B的速度是A的9.1倍； 程序P1和P2各執(zhí)行1次，C的速度是A的25倍； 程序P1和P2各執(zhí)行1次，C的速度是B的2.75倍。 結(jié)論：結(jié)論： 執(zhí)行

27、程序P1和P2相同次數(shù)， 機器機器A最慢，機器最慢，機器C最快最快 算術平均速度：算術平均速度：三臺機器的速度之比為： A：B：C = 1：9.1：25 加權算術平均加權算術平均 加權算術平均加權算術平均W1三臺機器的速度：三臺機器的速度：A B C加權加權算術平均算術平均W2三臺機器的速度：三臺機器的速度：A C B加權算術加權算術平均平均W3三臺機器的速度：三臺機器的速度：C B m2語語言言賦賦值值IFGOTOI/ODOCALL其其他他FORTRAN46.011.510.56.54.56.015.0COBOL49.619.119.18.460.170.173.41.3.3 1.3.3 軟

28、件兼容性設計方法軟件兼容性設計方法 原因：原因：軟件相對于硬件的成本越來越貴， 已積累了大量成熟的系統(tǒng)軟件和應用軟件。1. 兼容種類兼容種類 (1)向后兼容：向后兼容：在某一時間生產(chǎn)的機器上運行的目標 軟件能夠直接運行于更晚生產(chǎn)的機器上。 (2)向前兼容：向前兼容： (3)向上兼容：向上兼容：在低檔機器上運行的目標軟件能夠直 接運行于高檔機器上。 (4)向下兼容：向下兼容： 向后兼容必須做到，向后兼容必須做到，向上兼容盡量做到 向前兼容和向下兼容，可以不考慮方法二：模擬與仿真方法二：模擬與仿真 Simulation Emulation定義：定義：在一臺現(xiàn)有的計算機上實現(xiàn)另一臺計算在一臺現(xiàn)有的計

29、算機上實現(xiàn)另一臺計算機的指令系統(tǒng)。機的指令系統(tǒng)。全部用軟件實現(xiàn)的叫模擬，模擬，用軟件、硬件、固件混合實現(xiàn)的叫仿真仿真模擬的實現(xiàn)方法模擬的實現(xiàn)方法 在A計算機上通過解釋或編譯實現(xiàn)B計算機的指令系統(tǒng)。A機器稱為宿主機宿主機，B機器稱為虛虛擬機擬機。仿真的實現(xiàn)方法仿真的實現(xiàn)方法 直接用A機器的一段微程序解釋執(zhí)行B機器的指令。A機器稱為宿主機宿主機，B機稱為目標機目標機。優(yōu)缺點比較優(yōu)缺點比較 模擬方法速度低，仿真方法速度高 仿真需要較多的硬件（包括控制存儲器） 系統(tǒng)結(jié)構差別大的機器難于用仿真方法實現(xiàn) 除了指令系統(tǒng)之外，還有存儲系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、控制臺的操作等模擬方法用于計算機系統(tǒng)的設計過程模

30、擬方法用于計算機系統(tǒng)的設計過程 在一臺已有的機器上用模擬方法實現(xiàn)正在設計中的機器的指令系統(tǒng)等。具體過程如下：設計方案設計方案模擬模擬性能評價性能評價修改設計修改設計投產(chǎn)投產(chǎn) 動態(tài)代碼轉(zhuǎn)換技術動態(tài)代碼轉(zhuǎn)換技術采用動態(tài)二進制轉(zhuǎn)換技術動態(tài)二進制轉(zhuǎn)換技術實現(xiàn)與X86等處理機兼容，把X86等通用處理機的程序直接映射到VLIW處理機中執(zhí)行。IBM公司推出了開放源代碼DAISY，它不僅可以實現(xiàn)IBM的VLIW處理器與X86處理機之間的二進制兼容，還可以實現(xiàn)PowerPC、S/390、IBM的Java虛擬機與VLIW處理器之間的二進制兼容Transmeta公司推出了“Code Morphing Softwar

31、e”，這種軟件可以保證Transmeta公司的VLIW處理機Crusoe能夠與X86處理機之間實現(xiàn)二進制代碼兼容1.3.4 計算機系統(tǒng)設計過程計算機系統(tǒng)設計過程方法方法1：由上向下（：由上向下（Top-Down）設計過程：設計過程：由上向下 面向應用的數(shù)學模型面向應用的高級語言面向這種應用的操作系統(tǒng)面向操作系統(tǒng)和高級語言的機器語言面向機器語言的微指令系統(tǒng)和硬件實現(xiàn)應用場合：應用場合：專用計算機的設計特點：特點：對于所面向的應用領域，性能和性能價格比很高。隨著通用計算機價格降低，目前已經(jīng)很少采用方法方法2：由下向上（：由下向上（Bottom-Up)設計過程：設計過程： 根據(jù)當時的器件水平，設計微

32、程序機器級和傳統(tǒng)機器級根據(jù)不同的應用領域設計多種操作系統(tǒng)、匯編語言、高級語言編譯器等最后設計面向應用的用戶級應用場合：通用計算機的一種設計方法，應用場合：通用計算機的一種設計方法，在計算機早期設計中（6070年代）廣為采用特點：特點：容易使軟件和硬件脫節(jié)，整個計算機系統(tǒng)的效率降低。 應應用用虛虛擬擬機機 高高級級語語言言虛虛擬擬機機 匯匯編編語語言言虛虛擬擬機機 向向上上 操操作作系系統(tǒng)統(tǒng)虛虛擬擬機機 傳傳統(tǒng)統(tǒng)機機器器級級 微微程程序序級級 向向下下 硬硬聯(lián)聯(lián)邏邏輯輯級級 從從中中間間開開始始 方法方法3：中間開始（：中間開始（Middle-Out)設計過程：設計過程： 首先定義軟硬件的分界面

33、首先定義軟硬件的分界面(指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、硬件對操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)的支持等) 然后各個層次分別進行設計然后各個層次分別進行設計(軟件設計人員設計操作系統(tǒng)、高級語言、匯編語言、應用程序等，硬件設計人員設計傳統(tǒng)機器、微程序、硬聯(lián)邏輯等) 應用場合應用場合：用于系列機的設計 特點：特點：軟硬件人員結(jié)合、同時設計，軟硬件功能分配合理。 1.4 計算機系統(tǒng)的發(fā)展計算機系統(tǒng)的發(fā)展1.4.1 馮馮諾依曼結(jié)構諾依曼結(jié)構1.4.2 器件發(fā)展的影響器件發(fā)展的影響1.4.3 應用發(fā)展的影響應用發(fā)展的影響1.4.4 改進算法的影響改進算法的影響1.4.1 馮馮諾依曼結(jié)構諾依曼結(jié)構Van Ne

34、nmann基本思想于1936年1946年期 間形成，由馮由馮諾依曼等人于諾依曼等人于1946年提出年提出輸 入 設 備輸 出 設 備運 算 器ALU控 制 器存 儲 器1. 特點特點: 存儲程序、運算器為中心、集中控制存儲程序、運算器為中心、集中控制存儲器是字長固定的、順序線性編址的一維結(jié)構，每個地址是唯一定義的。 4096個字、40位。由指令形式的低級機器語言驅(qū)動。指令順序執(zhí)行，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)。運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運算器。運算器、存儲器、輸入輸出設備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。2. 現(xiàn)代處理機對

35、馮現(xiàn)代處理機對馮諾依曼結(jié)構的改進諾依曼結(jié)構的改進 不變的：不變的：存儲程序存儲程序 改變的：改變的：存儲器為中心存儲器為中心, 總線結(jié)構總線結(jié)構, 分散控制分散控制從基于串行算法變?yōu)檫m應并行算法，出現(xiàn)了向量計算機，并行計算機、多處理機等流水線處理機，超標量處理機，超流水線處理機，超標量超流水線處理機數(shù)據(jù)庫計算機和知識庫計算機專用計算機，如FFT變換機、過程控制計算機為獲得高可靠性而研制容錯計算機功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種分布計算機、外圍處理機、通信處理機等 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 IO 總線總線 中央處理機中央處理機（CPU）主存儲器主存儲器（MM）輸入設備輸入設備輸出輸出設備輸出輸出設備輸出設

36、備輸出設備 總線結(jié)構，分散控制總線結(jié)構，分散控制總線：總線： 連接計算機各功能部件的連線和管理信連接計算機各功能部件的連線和管理信息傳輸規(guī)則的邏輯電路稱為總線。息傳輸規(guī)則的邏輯電路稱為總線。特點：特點：在任何時刻，只能有一個部件向總線上在任何時刻，只能有一個部件向總線上發(fā)送信息，可以有多個部件同時接收信息。發(fā)送信息，可以有多個部件同時接收信息。組成：組成： 數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。 單總線結(jié)構單總線結(jié)構CPU主存主存輸入輸入設備設備輸出輸出設備設備總線總線 雙總線結(jié)構雙總線結(jié)構CPU主存主存擴展總線擴展總線控制線路控制線路I/O設備設備I/O設備設備處理機總

37、線處理機總線32MHz32或或64位位ISA / EISA8.33MHz 8、16、32位位 . . . . . 三總線結(jié)構三總線結(jié)構CPU主存主存PCI橋橋I/O設備設備I/O設備設備處理機總線處理機總線100MHz32或或64位位ISA / EISA8.33MHz 8、16、32位位 . . . . .PCI BUS 33MHz 4B擴展總線擴展總線控制線路控制線路I/O設備設備I/O設備設備接快速設備接快速設備接慢速設備接慢速設備3. 非馮計算機的發(fā)展非馮計算機的發(fā)展什么是非馮計算機？非指令驅(qū)動，什么是非馮計算機？非指令驅(qū)動，從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機計算機。從傳

38、統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)樾枨篁?qū)動型，出現(xiàn)各種圖歸約計算機。處理非數(shù)值化信息的智能計算機，自然語言、聲音、圖形和圖象處理,虛擬現(xiàn)實處理等第五代計算機，由推理機和知識庫機等組成。歷經(jīng)10年，召開過多次專題國際會議。神經(jīng)網(wǎng)絡計算機，仿生計算機，1.4.2 器件發(fā)展的影響器件發(fā)展的影響1. 第第1代至第代至第4代計算機以器件來劃分代計算機以器件來劃分 第一代：第一代：電子管電子管(Valve) 第二代：第二代：晶體管晶體管(Transistor) 第三代：第三代：集成電路集成電路(LSI) 第四代：第四代：大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路(VLSI) 第五代：智能計算機智能計算機？第五代計算機以什么作為標志來

39、劃分？第五代計算機以什么作為標志來劃分？第五代計算機什么時候誕生？第五代計算機什么時候誕生？失失 效效 率率 使使 用用 期期 時時 間間 t1.4.3 應用發(fā)展的影響應用發(fā)展的影響1. 應用需求應用需求 高結(jié)構化數(shù)值計算：氣象模型,流體流動,有限元分析。 非結(jié)構化的數(shù)值計算：蒙特卡洛模擬, 稀疏矩陣。 實時多因素問題：語音識別,圖象處理, 計算機視覺。 海量存儲和輸入輸出密集問題：數(shù)據(jù)庫, 事務處理。 圖形學和設計系統(tǒng)：計算機輔助設計。2. 三個時期三個時期 通用計算機：主要是通用科學計算 專用計算機：科學計算、事務處理、實時控制 高性能通用機：滿足多種需求 目前又開始多種專用處理機的研制3

40、. 兩個發(fā)展趨勢兩個發(fā)展趨勢維持價格不變，利用VLSI技術等，提高性能性能基本不變，價格迅速下降一般先推出中間機型，然后再分別向高端和低端兩個方向發(fā)展4. 三種設計思想三種設計思想最高性能價格比最高性能價格比：商用機。主要發(fā)展方向最高性能：最高性能：國家安全需要，科技發(fā)展需要 例如：銀河計算機、神州計算機、最低價格：最低價格：家用學習機等1.4.4 改進算法的影響改進算法的影響 在多個層次上，算法影響著系統(tǒng)結(jié)構，在多個層次上，算法影響著系統(tǒng)結(jié)構，例如：快速乘法、除法、開平方等的實現(xiàn)：記分板算法、Tomasulo算法提高指令級并行性消除名字相關、數(shù)據(jù)相關、控制相關的算法有些問題，如果算法上有突破

41、，不需要高性能的系統(tǒng)結(jié)構，而在普通系統(tǒng)上就能得到解決。許多算法還有改進的余地，通過算法的研究能夠大幅度提高系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)結(jié)構設計者要研究算法，應該研究一系列算法，使所有同類問題都能很好解決。1.5 計算機系統(tǒng)的分類計算機系統(tǒng)的分類1.5.1 按處理機性能分類按處理機性能分類1.5.2 佛林分類法佛林分類法1.5.3 庫克分類法庫克分類法1.5.4 馮澤云分類法馮澤云分類法1.5.5 漢德勒分類法漢德勒分類法1.5.1 按處理機性能分類按處理機性能分類1. 按大小劃分按大小劃分種類：巨型、大型、中型、小型、微型機巨型、大型、中型、小型、微型機劃分原則：以性能為特征，按價格來劃分以性能為特征，按

42、價格來劃分存在問題：劃分的標準是隨時間而變化， 每年左右降低一個等級設計方法：最高性能 特殊用途 最佳性能價格比 一般商用計算機 最低價格 家用計算機等 Small is fast 價價最佳性能價格比最佳性能價格比 格格最高性能最高性能巨型機巨型機大型機大型機等性能線等性能線中型機中型機小型機小型機最低價格最低價格微型機微型機( (超微型機超微型機 ) ) t-3 t-2 t-3 t-2 t-1 t-1 t t t+1t+1時期時期2. 按用途劃分按用途劃分種類：科學計算、事務處理、實時控制、工作科學計算、事務處理、實時控制、工作站、服務器、家用計算機站、服務器、家用計算機等等。劃分原則：科學

43、計算：浮點計算速度 事務處理：字符處理、十進制運算 實時控制：中斷響應速度、I/0能力 工作站：圖形處理能力 服務器：數(shù)據(jù)處理速度，數(shù)據(jù)存儲能力 家用計算機：價格便宜，軟件豐富發(fā)展方向：具備上述所有功能的通用處理機各種專用處理機、協(xié)處理器、嵌入式處理機3. 按數(shù)據(jù)類型劃分按數(shù)據(jù)類型劃分定點計算機、浮點計算機、向量計算機、堆棧計算機等4. 按處理機個數(shù)和種類劃分按處理機個數(shù)和種類劃分單處理機并行處理機、多處理機、分布處理機關聯(lián)處理機超標量處理機, 超流水線處理機, VLIW處理機SMP(對稱多處理機)、MPP(大規(guī)模并行處理機)、機群(Cluster)系統(tǒng)等1.5.2 1.5.2 佛林分類法佛林

44、分類法 1966年由Michael.J. Flynn 提出 按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征進行分類 指令流指令流：機器執(zhí)行的指令序列 數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列 多倍性多倍性(multiplicity)：在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時處于 同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù) 四種類型四種類型 (1)單指令流單數(shù)據(jù)流單指令流單數(shù)據(jù)流 SISD(Single Instruction Single Datastream) (2)單指令流多數(shù)據(jù)流單指令流多數(shù)據(jù)流 SIMD(Single Instruction Multiple Datastream) (3)多指令流單數(shù)