計(jì)算機(jī)組成原理

第一章概論

李曦llxx@計(jì)算機(jī)組成：howcomputerswork硬盤電源導(dǎo)線和電纜軟驅(qū)內(nèi)存微處理器（CPU）擴(kuò)展卡主板擴(kuò)展槽華碩P4S533-MX主板內(nèi)存條插槽CPU風(fēng)扇支架PCI擴(kuò)展槽IDE硬盤接口各種外設(shè)接口，包括：鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、USB、聲卡、網(wǎng)卡、并行口等CPU插槽加電引導(dǎo)過(guò)程DavidA.Patterson“軟件系統(tǒng)性能取決于軟件設(shè)計(jì)者對(duì)系統(tǒng)硬件的理解程度。操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者、更多的軟件工程師需要有較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)組織與設(shè)計(jì)的背景知識(shí)”本課程的作用該課程為今后學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)、編譯原理、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)容錯(cuò)技術(shù)、并行計(jì)算、分布式系統(tǒng)等課程打好基礎(chǔ)。相關(guān)課程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法設(shè)計(jì)組成原理重點(diǎn)“單處理器”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成強(qiáng)調(diào)軟硬件接口操作系統(tǒng)編譯原理體系結(jié)構(gòu)。。。。。。USTC的有關(guān)課程數(shù)電、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)（VerilogHDL）：大X計(jì)算機(jī)組成原理：大2下對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制有比較透徹的理解微型計(jì)算機(jī)原理：大3突出應(yīng)用，詳細(xì)講述微處理器編程結(jié)構(gòu)、匯編語(yǔ)言、接口技術(shù)和應(yīng)用編程方法計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：大3論述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)和性能定量分析方法本課程的目的深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成和工作原理系統(tǒng)構(gòu)成、總線、存儲(chǔ)器、I/O系統(tǒng)等深入理解處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理深入理解各個(gè)功能部件的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)過(guò)程MIT’09:ComputationStructures6.004isrequiredmaterialforanyEECSundergraduateisessentialforlatercoursesindigitaldesign,computerarchitectureandsystems.6.004offersanintroductiontotheengineeringofdigitalsystemsMOStransistors,logicgates,combinationalandsequentialcircuits,finite-statemachinesComputersbothhardwareandsoftwaremechanismseachstudentcompletesagate-leveldesignforareducedinstructionsetcomputer(RISC)processorduringthesemester.MIT我在這里的第一學(xué)期上了一門叫《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》得本科課程，其辛苦程度真實(shí)一言難盡。十五個(gè)星期內(nèi)交了十次作業(yè)，作了六次課程設(shè)計(jì)。有的設(shè)計(jì)還分幾個(gè)部分，分開交設(shè)計(jì)報(bào)告。所以設(shè)計(jì)報(bào)告大概也交了有十次左右。最恐怖的是有一次，十天內(nèi)要交六份作業(yè)或設(shè)計(jì)報(bào)告，而且當(dāng)時(shí)正值其他幾門課正在期中考試。抱怨是沒(méi)有用的，老師說(shuō)："我很抱歉。但這門課很重要，請(qǐng)大家不停的工作。"學(xué)生從一般的邏輯時(shí)序電路開始設(shè)計(jì)（數(shù)電都已忘得差不多了）；核心是自行設(shè)計(jì)"麻雀雖小五臟俱全"得ALU，單指令周期CPU（singlecycleCPU）；多指令CPU（Multi-cycleCPU）；以直到最后實(shí)現(xiàn)流水線（pipeline）32位MIPSCPU和Cache。一門課下來(lái)，所有與計(jì)算機(jī)CPU有關(guān)的知識(shí)全部融會(huì)貫通。硬件設(shè)計(jì)水平也有了很大提高（就是太累）。學(xué)習(xí)思路目標(biāo)：了解構(gòu)建計(jì)算機(jī)的全部過(guò)程和軟硬件接口YalePattTop-down：適于“設(shè)計(jì)”從高級(jí)語(yǔ)言開始入手前提是對(duì)底層有很好的理解Bottom-up：“適于學(xué)習(xí)“！《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論》：從最底層的MOS晶體管開關(guān)器件開始，然后是邏輯門、鎖存器、邏輯結(jié)構(gòu)（開關(guān)MUX、譯碼器、全加器、門鎖存器等），最后使用這些單元來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存。之后，轉(zhuǎn)至有限狀態(tài)機(jī)控制、順序電路的實(shí)現(xiàn)、馮·諾伊曼體系結(jié)構(gòu)、一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)（LC-3），以及LC-3的機(jī)器和匯編語(yǔ)言、C高級(jí)語(yǔ)言、遞歸等，最后是基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。llxxChina-ring：快速原型法課程內(nèi)容課堂教學(xué)外圍部件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線（總線性能、總線結(jié)構(gòu)、總線控制）存儲(chǔ)器（主存儲(chǔ)器、高速緩存、輔助存儲(chǔ)器）輸入輸出系統(tǒng)（I/O接口、I/O控制方式、外設(shè)）中央處理器（CPU）計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法指令系統(tǒng)CPU的結(jié)構(gòu)控制單元設(shè)計(jì)教材Textbook：唐朔飛，《計(jì)算機(jī)組成原理》高等教育出版社Reference:PattersonandHennessy,“ComputerOrganizationandDesign:TheHardware/SoftwareInterface”,2ndEdition,1998WilliamStallings，“Computerorganizationandarchitecture：Designingforperformance”,4thEdition,2002教材選用說(shuō)明以唐本為主從教學(xué)內(nèi)容看唐本僅介紹了流水線處理器的概念，沒(méi)有討論其實(shí)現(xiàn)，因此以Patterson本第2、5、6三章為補(bǔ)充強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的完整性Patterson：計(jì)算機(jī)概念和技術(shù)概述計(jì)算機(jī)指令（70頁(yè)）指令編譯器面向?qū)ο笳Z(yǔ)言計(jì)算機(jī)的算術(shù)運(yùn)算（50頁(yè)）評(píng)估和理解性能（30頁(yè)）處理器（100頁(yè)）重點(diǎn)利用流水線提高性能（70頁(yè)）重點(diǎn)層次結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器（60頁(yè)）Cache和虛存存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)和其他外圍設(shè)備（30頁(yè)）磁盤、I/O接口內(nèi)容少多處理器和集群（30頁(yè)）推薦參考書計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論(英文版第2版)

（美）YaleN.Patt，SanjayJ.Patel包括兩方面的內(nèi)容：計(jì)算機(jī)底層結(jié)構(gòu)，高級(jí)語(yǔ)言編程（編程方法學(xué)）一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)（LC-3），以及LC-3的機(jī)器和匯編語(yǔ)言、C高級(jí)語(yǔ)言、遞歸等，最后是基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（原書第2版）

（美）RandalE.Bryant;DavidR.O'Hallaron結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件和硬件理論，內(nèi)容覆蓋計(jì)算機(jī)導(dǎo)論、體系結(jié)構(gòu)和處理器設(shè)計(jì)等多門課程。本書的最大優(yōu)點(diǎn)是為程序員描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)課程實(shí)驗(yàn)基于QuartusII，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件組成包含NiosCPU、on_chip_ram和JTAGUART三個(gè)模塊；編寫C語(yǔ)言程序“hello_world_small”；成果要求：報(bào)告設(shè)計(jì)過(guò)程、結(jié)果（原理圖、仿真結(jié)果、源代碼）、出現(xiàn)的典型問(wèn)題及解決過(guò)程；要求結(jié)果體現(xiàn)個(gè)人ID：“hello_world_small—llxx”

基于x86的Debug環(huán)境，編寫任意10個(gè)數(shù)值的冒泡排序程序，并調(diào)試運(yùn)行。成果要求：報(bào)告設(shè)計(jì)過(guò)程、結(jié)果（匯編代碼、內(nèi)存數(shù)據(jù)段映像）、出現(xiàn)的典型問(wèn)題及解決過(guò)程；要求結(jié)果體現(xiàn)個(gè)人ID。成績(jī)考核課堂教學(xué)：70％期末考試：70％（閉卷）作業(yè)：30％，不能抄襲不能補(bǔ)交！課程實(shí)驗(yàn)：30％教師主講：李曦（llxx@）助教：周東舫，周金紅本章教學(xué)內(nèi)容計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)軟硬件計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成VS.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本組成VonNeumann機(jī)的特征計(jì)算機(jī)的硬件構(gòu)成計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程計(jì)算機(jī)硬件的性能指標(biāo)計(jì)算科學(xué)（Computing）ThestoryofthedrumlanguageEachKele（剛果語(yǔ)）wordisspokenbythedrumsasasequenceoflowandhighbeats.thecentraldogmaofinformationtheory:Informationisindependentofthemeaningthatitexpresses,andofthelanguageusedtoexpressit.Allthatisneededtotransferinformationfromonelanguagetoanotherisacodingsystem.Meaning，Language，Messages，Information《TheInformation:AHistory,aTheory,aFlood》信息“消失”？84年，霍金推斷：“黑洞使被其吸入的物體的信息消失！”xx年，薩斯坎德（弦論創(chuàng)始人）：“否，成為全息映像”“全息”：在黑洞中無(wú)所不在！如：向水盆中滴入兩滴紅藥水，初始它們聚集在一起。一段時(shí)間后，整個(gè)水盆變紅了。“兩滴紅藥水”的信息消失了“兩滴紅藥水的信息并沒(méi)有消失——可以在分子級(jí)發(fā)現(xiàn)”！llxx：兩句話等價(jià)？04年，霍金承認(rèn)自己錯(cuò)了！信息論，1948諾伯特·維納(NorbertWiener)《控制論》：“信息就是信息，既不是物質(zhì)，也不是能量”香農(nóng)（ClaudeShannon），“通信的數(shù)學(xué)理論”，1948“信息的最小單位是比特（二值符號(hào)）”任何復(fù)雜信息都可以根據(jù)其結(jié)構(gòu)和內(nèi)容、按照一定的編碼規(guī)則進(jìn)行分割，最終成為一組二值數(shù)據(jù)。如何對(duì)信息量進(jìn)行度量？一本五十萬(wàn)字書有多少信息量？任何信息都存在冗余冗余量與信息中各符號(hào)（數(shù)字、字母或單詞）出現(xiàn)的概率有關(guān)信息熵：信息中排除了冗余后的平均信息量單位：比特熵大＝復(fù)雜（中文9.65比特，英文4.03比特）兩個(gè)二進(jìn)制串的信息量對(duì)象的描述：某對(duì)象的精確且無(wú)歧義的特征可以據(jù)此特征重建該對(duì)象！對(duì)象的信息量：某對(duì)象的最小表示，或描述的大小“最短描述長(zhǎng)度”可壓縮串能行計(jì)算理論計(jì)算：是一種過(guò)程算法：對(duì)計(jì)算過(guò)程的步驟或狀態(tài)的一種刻畫，是計(jì)算方法的一種實(shí)現(xiàn)方式?？捎?jì)算性：判斷一類數(shù)學(xué)問(wèn)題是否機(jī)械可解計(jì)算模型：刻畫“計(jì)算”這一概念的抽象的形式化系統(tǒng)或數(shù)學(xué)系統(tǒng)。具有狀態(tài)轉(zhuǎn)換特征，能夠?qū)λ幚淼膶?duì)象的數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行表示、加工、變換、輸出的數(shù)學(xué)機(jī)器。遞歸函數(shù)、λ演算、圖靈機(jī)等關(guān)于計(jì)算模型的兩個(gè)重要原理相似性原理計(jì)算復(fù)雜性是否與計(jì)算模型有關(guān)？不同計(jì)算模型解決同一類問(wèn)題所需資源是否相同?相似性原理：所有計(jì)算模型的計(jì)算能力等同所有合理的、功能足夠強(qiáng)大的計(jì)算模型可以相互模擬計(jì)算，且使用的本質(zhì)相同的并行計(jì)算時(shí)間、串行計(jì)算時(shí)間和空間丘奇－圖靈論題：可計(jì)算性等價(jià)于圖靈機(jī)的可計(jì)算性對(duì)偶性原理在并行計(jì)算模型上，計(jì)算的時(shí)間與空間可以互換計(jì)算模型——圖靈機(jī)(1936)電子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想結(jié)構(gòu)一條兩端可以無(wú)限延伸的紙帶（其上有無(wú)窮多可擦寫的小格）；一個(gè)讀寫頭（符號(hào)包括0、1、b）；一個(gè)控制器（執(zhí)行控制讀寫頭工作的命令）五元組：（狀態(tài)、讀符號(hào)）→（寫符號(hào)、移動(dòng)、狀態(tài)）狀態(tài)集：含一個(gè)開始狀態(tài)，一個(gè)結(jié)束狀態(tài)00011101111100控制器q101Rq1q110Rq1q1bbRq2q2bbLq3q200Hq1q211Hq1控制命令：當(dāng)進(jìn)入結(jié)束狀態(tài)時(shí)，圖靈機(jī)停機(jī)，紙帶上的內(nèi)容為輸出結(jié)果vonNeumanMachine（1946）參與研究EDVAC計(jì)算機(jī)1945年，在其撰寫的研究報(bào)告《FirstDraftofaReportontheEDVAC》中提出“存儲(chǔ)程序”的概念，被稱為vonNeumann體系結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)程序式計(jì)算機(jī)可快速修改數(shù)據(jù)和代碼：便于調(diào)試程序可生成程序：產(chǎn)生了編譯器、連接器等程序。第一臺(tái)現(xiàn)代意義的電子計(jì)算機(jī)ENIAC(

ElectronicNumericalIntegratorandComputer)，1946年美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)，運(yùn)算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2

，造價(jià)100萬(wàn)美元。十進(jìn)制并行計(jì)算機(jī)（同時(shí)處理10個(gè)數(shù)）。不具備存儲(chǔ)程序能力，程序要通過(guò)外接電路板輸入。對(duì)于每種類型的題目，都要設(shè)計(jì)相應(yīng)的外接插板。馮·諾依曼的EDVAC計(jì)算機(jī)，19521945年，馮·諾伊曼等人開始研究EDVAC(電子離散變量自動(dòng)計(jì)算機(jī))，提出了“存儲(chǔ)程序”的概念。時(shí)鐘1MHz，字長(zhǎng)32位。串行計(jì)算機(jī)。第一臺(tái)存儲(chǔ)程序式計(jì)算機(jī)EDSAC根據(jù)馮·諾依曼的EDVAC機(jī)設(shè)計(jì)方案（1945），由威爾克斯1949年在劍橋?qū)崿F(xiàn)采用水銀延遲線為存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)34b字長(zhǎng)的512字。加法時(shí)間1.5ms，乘法時(shí)間4ms。串行計(jì)算機(jī)（數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算按位逐一進(jìn)行）VonNeumann機(jī)主要特征由五大部件構(gòu)成運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式“以同等地位”存放于存儲(chǔ)器內(nèi)，分別按地址訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)表示形式均用二進(jìn)制碼表示指令構(gòu)成由操作碼和地址碼構(gòu)成指令執(zhí)行按順序存放，順序執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸機(jī)器以運(yùn)算器為中心VonNeumann機(jī)的組織結(jié)構(gòu)

存儲(chǔ)器

運(yùn)算器

控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備實(shí)線：數(shù)據(jù)流虛線：控制流串行，存儲(chǔ)與計(jì)算分離現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的組織結(jié)構(gòu)HarvardarchitecturePCdatamemoryprogrammemoryaddressdataaddressdataIRCPU細(xì)化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組織ACCMQALUXCUIRPC

存儲(chǔ)體

MDRMARI/O＋1運(yùn)算器控制器主存控制信號(hào)CPU功能算術(shù)邏輯運(yùn)算指令譯碼、執(zhí)行數(shù)據(jù)暫存與MEM、I/O交換數(shù)據(jù)提供整個(gè)系統(tǒng)所需的定時(shí)和控制響應(yīng)中斷請(qǐng)求主存ALU控制單元外設(shè)主機(jī)CPU示例——指令指令格式指令字長(zhǎng)16位：操作碼6位，地址碼10位例：0000010000001000指令操作碼load（000001）：[M]->ACCstore（000010）：ACC->Madd（000011）：ACC+[M]->ACCmul（000100）：ACC*[M]->ACCprint（000101）：打印[M]hlt（000110）：停機(jī)指令的執(zhí)行過(guò)程取指根據(jù)PC訪存讀取當(dāng)前要執(zhí)行的指令PC＋1譯碼識(shí)別指令字中的操作類型，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)取操作數(shù)根據(jù)指令字的地址域訪存執(zhí)行寫回計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程執(zhí)行每一條指令，都包括取指、譯碼和執(zhí)行三個(gè)基本步驟計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程，也就是不斷地取指令、譯碼和執(zhí)行的過(guò)程，直到遇到停機(jī)指令。取指令，PC值加1停機(jī)?譯碼結(jié)束YN執(zhí)行存儲(chǔ)器的組織存儲(chǔ)單元按字節(jié)或字尋址程序和數(shù)據(jù)順序存放數(shù)據(jù)段代碼段讀寫操作以數(shù)據(jù)總線寬度為單位00000001001011101111低端高端1KB存儲(chǔ)器地址

存儲(chǔ)內(nèi)容

010011010101101011…102310100111

CPU

地址數(shù)據(jù)讀寫控制示例——操作過(guò)程寄存器使用規(guī)則ACC：操作數(shù)之一和結(jié)果MQ：操作數(shù)之一和結(jié)果X：操作數(shù)之一加法[M]->X;ACC+[X]->ACC減法[M]->X;ACC-[X]->ACC乘法[M]->MQ;ACC->X;0->ACC;[X]*MQ->ACC//MQ除法[M]->X;ACC/[X]->MQ;余數(shù)在ACC中示例——ax2+bx+c(ax+b)x+cx->ACCx*a->ACCax+b->ACCx*(ax+b)->ACC(ax+b)x+c->ACC地址opopr0000000001(ld)00000010000001000100(mul)00000010010010000011(add)00000010100011000100(mul)000000100001000000110000001011010100001000000011000110000101000000110001110001101000x1001a1010b1011c1100計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程用戶采用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言描述問(wèn)題的求解過(guò)程，計(jì)算機(jī)在程序的控制下完成問(wèn)題的求解計(jì)算機(jī)只能識(shí)別用0/1代碼表示的程序用戶需要使用高級(jí)語(yǔ)言編程程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言由0/1代碼表示機(jī)器能完成的各種操作（指令）例：MCS-51兩個(gè)寄存器相加的機(jī)器語(yǔ)言指令：00101000依賴于機(jī)器（處理器指令集），難于理解匯編語(yǔ)言用便于書寫和記憶的符號(hào)表示機(jī)器的各種操作ADD、SUB、MUL、DIV、JMP、CMP等例：MCS-51兩個(gè)寄存器相加匯編語(yǔ)言指令：ADDA，R0依賴于機(jī)器高級(jí)語(yǔ)言程序描述方式適合人類的習(xí)慣與平臺(tái)無(wú)關(guān)性高級(jí)語(yǔ)言的執(zhí)行方式需要將高級(jí)語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言程序，才能在實(shí)際機(jī)器上執(zhí)行編譯執(zhí)行：利用編譯器一次性將高級(jí)語(yǔ)言程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序C、FORTRAN。。。解釋執(zhí)行：語(yǔ)句翻譯一條，執(zhí)行一條，直至結(jié)束BASIC、JavaScript。。。CProgrammingLanguageandUNIXOperatingSystem1972DennisRitchieKenThompson1983年圖靈獎(jiǎng)得主ComputationalThinking

計(jì)算思維：與數(shù)學(xué)思維、藝術(shù)思維不同系統(tǒng)化“系統(tǒng)論”：由若干相互關(guān)聯(lián)的要素以一定結(jié)構(gòu)形式連接，具有明確的邊界，共同完成某種功能的有機(jī)整體。軟硬件、接口系統(tǒng)分析：組成、步驟、控制流、數(shù)據(jù)流、定時(shí)層次化、結(jié)構(gòu)化從框架結(jié)構(gòu)到具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)映射（Maping）“逐步求精”虛擬化虛擬機(jī)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一種抽象視圖計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)層確定使用哪些指令，指令的格式、數(shù)據(jù)類型和算法，及訪存、輸入輸出等指令的處理。微體系結(jié)構(gòu)層描述指令的執(zhí)行過(guò)程及為了實(shí)現(xiàn)指令的運(yùn)行需要設(shè)置哪些部件。數(shù)字邏輯層描述使用何種數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、傳送和運(yùn)算與加工等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的虛擬機(jī)“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”涉及的問(wèn)題計(jì)算機(jī)科學(xué)永恒的問(wèn)題：如何設(shè)計(jì)出更好的計(jì)算機(jī)，如何利用好現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：七個(gè)層次及其轉(zhuǎn)換問(wèn)題到算法的轉(zhuǎn)換算法到程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換程序到指令集結(jié)構(gòu)（ISA）的轉(zhuǎn)換指令集結(jié)構(gòu)到微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換微觀結(jié)構(gòu)到電路的轉(zhuǎn)換電路到電路組件的轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)組成VS.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)InstructionSetArchitecture(ISA)I/OsystemProcessorCompilerOperatingSystem(Windows2K)Application(Netscape)DigitalDesignCircuitDesignDatapath&ControlLayoutMemoryHardwareSoftwareAssemblerInstruction-SetProcessorDesignArchitecture (ISA) programmer/compilerview“functionalappearancetoitsimmediateuser/systemprogrammer”O(jiān)pcodes,addressingmodes,architectedregisters,IEEEfloatingpointImplementation(μarchitecture)processordesigner/view“l(fā)ogicalstructureororganizationthatperformsthearchitecture”Pipelining,functionalunits,caches,physicalregistersRealization (chip) chip/systemdesignerview“physicalstructurethatembodiestheimplementation”Gates,cells,transistors,wires計(jì)算機(jī)組成vs.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)(Computerarchitecture）程序員可見(jiàn)的機(jī)器屬性(C.M.Amdahl，1964)特指機(jī)器語(yǔ)言程序員。屬性：包含結(jié)構(gòu)特征和功能特征如數(shù)據(jù)表示、尋址規(guī)則、寄存器定義、指令集、存儲(chǔ)系統(tǒng)、I/O結(jié)構(gòu)等。計(jì)算機(jī)組成(Computerorganization&implementation）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)包括實(shí)際機(jī)器的數(shù)據(jù)流和控制流的組成和邏輯設(shè)計(jì)等。著眼于物理機(jī)器內(nèi)部各事件的排序方式與控制方式，各部件的功能，以及各部件的聯(lián)系。計(jì)算機(jī)組成vs.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)例一：對(duì)于IBMPC與RS6000兩種機(jī)器高級(jí)語(yǔ)言程序員：可以看成是同一屬性的機(jī)器。匯編語(yǔ)言程序員：是截然不同的兩種機(jī)器因?yàn)槠渲噶罴?shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)等都完全不同。因此，這兩種機(jī)器的體系結(jié)構(gòu)是各不相同的。例二：一臺(tái)機(jī)器是否具備乘法指令的功能，這是一個(gè)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。但是，實(shí)現(xiàn)這個(gè)乘法指令采用什么方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如，用專門的乘法電路或連續(xù)相加的加法電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，這屬于計(jì)算機(jī)組成的問(wèn)題。計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)分類按指令集特征復(fù)雜指令集（CISC）精簡(jiǎn)指令集（RISC）超標(biāo)量（Superscalar）超流水線（Superpipeline）超長(zhǎng)指令字（VLIW）按并行執(zhí)行特征單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）：VonNeumann機(jī)單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）：陣列處理機(jī)多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）：多線程？多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）：分布式系統(tǒng)兼容性（體系結(jié)構(gòu)）向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。HotTopicsinComputerArchitecture1950sand1960s:ComputerArithmetic1970and1980s:InstructionSetDesignISAAppropriateforCompilers1990s:DesignofCPU,memory,andI/OsystemMultiprocessorsInstructionSetExtensions2000s:SOCdesignSpecializedapplicationprocessors電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展（五代）電子管計(jì)算機(jī)（VacuumTubes）1946-1958：磁鼓存儲(chǔ)器，機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言編程。ENIAC晶體管計(jì)算機(jī)（Transistors）1958-1964：磁芯作主存儲(chǔ)器,磁盤作外存儲(chǔ)器，開始使用高級(jí)語(yǔ)言編程。IBM700/7000系列，50萬(wàn)次/s集成電路計(jì)算機(jī)1964-1971：使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，出現(xiàn)多終端計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)IBM360系列，百萬(wàn)次/s大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)1971-：出現(xiàn)微型計(jì)算機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī)，外部設(shè)備多樣化人工智能計(jì)算機(jī)1981-：模擬人的智能和交流方式計(jì)算機(jī)的分代分代器件體系結(jié)構(gòu)技術(shù)軟件技術(shù)典型機(jī)器第一代(1945-1954)電子管和繼電器存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)、程序控制I/O機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言普林斯頓ISA、ENIACIBM701第二代(1955-1964)晶體管、磁芯、印刷電路浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示、尋址技術(shù)、中斷、I/O處理機(jī)高級(jí)語(yǔ)言和編譯、批處理監(jiān)控系統(tǒng)UnivacLARCCDC1604IBM7030第三代(1965-1974)SSI和MSI、多層印刷電路、微程序流水線、Cache、先行處理、系列計(jì)算機(jī)多道程序和分時(shí)操作系統(tǒng)IBM360/370CDC6600/7600、DECPDP-8第四代(1974-1990)LSI和VLSI、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器向量處理、分布式存儲(chǔ)器并行與分布處理Cray-1、IBM3090、DECVAX9000、Convax-1第五代(1991-)高性能微處理器、大規(guī)模高密度電路指令級(jí)并行、SMP、MP、MPP、網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展并行與分布處理SGICrayT3EIBMxServerSunE10000計(jì)算機(jī)硬件的性能指標(biāo)機(jī)器字長(zhǎng)CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)寄存器、ALU、總線、存儲(chǔ)器等字長(zhǎng)越長(zhǎng)，數(shù)的表示范圍越大，精度越高4位、8位、16位、32位、64位存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)總數(shù)容量＝存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)×存儲(chǔ)字長(zhǎng)MAR＝16位，則有64K個(gè)存儲(chǔ)單元；MDR＝32位，則共可存儲(chǔ)64K×32＝2Mb00000001001011101111低端高端計(jì)算機(jī)硬件的性能指標(biāo)運(yùn)算速度依賴于機(jī)器的主頻、操作類型、存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)間等主頻：時(shí)鐘頻率（Hz），微處理器的運(yùn)行速度2001年Intel推出P4，主頻是I486的15倍，性能才提高5倍主頻極限?MIPS：每秒能執(zhí)行多少百萬(wàn)條指令比較加法指令的運(yùn)算速度FLOPS：每秒鐘浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)可靠性，可用性MTBF(MeanTimeBetweenFailures)例1：一微處理器，主頻為20MHz，請(qǐng)計(jì)算其主振時(shí)鐘周期。若一個(gè)機(jī)器周期由2個(gè)時(shí)鐘周期組成，平均每條指令用3個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間(即“指令執(zhí)行時(shí)間”)，請(qǐng)計(jì)算該處理器的平均運(yùn)行速度MIPS。[解]第一款商用微處理器Intel40041971年推出3mm×4mm10微米制程（頭發(fā)的1/10？）2,250個(gè)晶體管最高頻率740kHz8位指令集46條指令能執(zhí)行4位運(yùn)算12位地址示例——Intel微處理器性能可靠性：浴盆曲線llxx@66/120可用率（Availability）度量系統(tǒng)的可用性A＝MTBF/(MTBF+MTTR)例：通常可用性要求為個(gè)人計(jì)算機(jī)要求2～3h/day，約合900h/a商用計(jì)算機(jī)要求6～8h/d，約合1800h/a企業(yè)級(jí)服務(wù)器或工控系統(tǒng)，要求24h/d，即99.999%電子計(jì)算機(jī)分類第一臺(tái)。。。微機(jī)：Altair8800，1975顯示器？IBMPC機(jī)：IBM5150，1981CPU：Intel8088，頻率4.77MHz（浮點(diǎn)運(yùn)算要加裝Intel8087加速卡）RAM：16KB，最大可到256KB顯示適配器：16色輸出與分辨率，640×200（CGA）儲(chǔ)存：錄音帶，5.25吋軟盤驅(qū)動(dòng)器要選購(gòu)，甚至沒(méi)辦法裝硬盤OS：PC-DOS1.0（尚未改名為MS-DOS）要價(jià)：$1,565，如果要全配（內(nèi)存全滿、彩色屏幕等）則是$6,000103型計(jì)算機(jī)(即DJS-1型，1958)中國(guó)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度1500次/s內(nèi)存容量1KB天河一號(hào)A（2010年）CPU+GPU異構(gòu)體系：實(shí)測(cè)運(yùn)算能力倍增至2507萬(wàn)億次“自主可控”原則：秦磚與長(zhǎng)城2048顆我國(guó)自主研發(fā)的飛騰FT-1000八核處理器基于SUN公司UltraSparcT2處理器14336顆IntelXeon（至強(qiáng)）X56702.93GHz六核處理器7168塊NVIDIATeslaM2050高性能計(jì)算卡($2500/塊)應(yīng)用需求的發(fā)展服務(wù)器Integerandcharacterstrings吞吐量(throughput),可用性(availability),可擴(kuò)展性(scalability)$10K-$10M[$200-$2000/處理器]微機(jī)系統(tǒng)Integerandfloatingpointprograms性價(jià)比$1000-$10,000[$100-$1000/處理器]嵌入式系統(tǒng)針對(duì)特定應(yīng)用Handoptimizedkernels低價(jià)位,低功耗,實(shí)時(shí)，Codesize$10-$100,000[$0.20-$200/處理器]系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)——用戶角度價(jià)格、服務(wù)、應(yīng)用軟件、質(zhì)量、功能、升級(jí)能力、性能、功耗。。。桌面系統(tǒng)CPU主頻、內(nèi)存大小、內(nèi)存總線帶寬、I/O總線性能、圖形處理工作站定點(diǎn)性能，浮點(diǎn)性能，圖形圖像處理性能，科學(xué)與工程計(jì)算性能服務(wù)器數(shù)據(jù)處理性能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)操作系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)事務(wù)處理Web性能指標(biāo)執(zhí)行時(shí)間（CPU時(shí)間、ElapsedTime）峰值速度（PeakPerformance）負(fù)載（load）開銷（Overhead）利用率（UtilizationRatio）飽和性能（SaturatePerformance）帶寬（Bandwidth）延遲（Latency）吞吐率（Throughput）加速比（Speedup）效率（Efficiency）性能評(píng)測(cè)的常用方法等效指令速度（吉普森(Gibson)混合法）以程序中各種指令的比例為權(quán)重，加權(quán)平均數(shù)據(jù)處理速率PDR(processingdatarate)法每條指令平均位數(shù)、每個(gè)操作數(shù)的平均位數(shù)、每條指令平均運(yùn)算速度基準(zhǔn)程序法(benchmark)考慮CPU、I/O結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯器效率等評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)的實(shí)際工作能力PowerPCG5：世界上最快的處理器蘋果公司（2003年）根據(jù)SPEC@CPU2000基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果比較對(duì)象配備3GHzPentium4處理器的DellDimension8300配備3.06GHz雙Xeon處理器的DellPrecision650?；鶞?zhǔn)測(cè)試套(Benchmark)Dhrystone整數(shù)測(cè)試程序一個(gè)綜合性的基準(zhǔn)測(cè)試程序適于比較同一家族的機(jī)器Linpack測(cè)試向量性能和高速緩存性能Whetstone一個(gè)綜合性測(cè)試程序測(cè)試浮點(diǎn)操作、整數(shù)計(jì)算和功能調(diào)用等性能SPECSystemPerformanceEvaluationCooperativeTPC(TransactionProcessingCouncil)計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）事務(wù)處理性能測(cè)試執(zhí)行程序SPEC2000系列Lmbench：操作系統(tǒng)性能，SGI開發(fā)空系統(tǒng)調(diào)用時(shí)間，進(jìn)程切換時(shí)間，pipe、UDP、TCP、RPC的延遲和帶寬，內(nèi)存、Cache、TLB的讀寫性能，存儲(chǔ)映射的性能Webstone：Web服務(wù)性能，SGI在1995年開發(fā)吞吐量（MB/s）、延遲（完成一個(gè)頁(yè)面請(qǐng)求的時(shí)間）、每分鐘傳送的頁(yè)面數(shù)、平均連接率、失效率Netperf：網(wǎng)絡(luò)性能也可用來(lái)評(píng)測(cè)DLPI（DataLinkProviderInterface），UnixDomainSocket的性能TCP、UDP的帶寬和請(qǐng)求應(yīng)答數(shù)SPECsfs97：NFS文件服務(wù)器的吞吐量和響應(yīng)時(shí)間SPECjvm98：JAVA虛擬機(jī)的性能SPLASH：共享存儲(chǔ)系統(tǒng)性能PC系統(tǒng)活動(dòng)與性能分析Window性能分析器pcw2008_v186.exe：PCCPU_ZIntelBatteryLifeAnalyzer(Win7)測(cè)量CPU利用率識(shí)別高CPU利用率軟件部件測(cè)量CPU的C態(tài)駐留BLA的USB分析器MicrosoftWindowPerformanceToolkit（xperf）WPT：僅適合WindowsVista及以后版本SysinternalsProcessMonitorFilemon+RegmonI/O（硬盤、網(wǎng)絡(luò)）IntelVTuneBarrosoandHolzle，“Thecaseforenergy-proportionalcomputin