計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(第一講)主講教師：陸達聯(lián)系方式：Tel：2580131

E-mail：luda@xmu.edu.cn主教材：鄭緯民、湯志忠，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第二版），北京：清華大學(xué)出版社，1998年主要參考書：

1、李學(xué)干、蘇東莊，計算機體系結(jié)構(gòu)，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，19962、KAIHWANG著，王鼎興，沈美明，鄭緯民等譯，高等計算機體系結(jié)構(gòu)――并行性可擴展性可編程性，北京：清華大學(xué)出版社3、PattersonDA.,HennessyJL.,ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach2ed.SanFrancisco:MorganKanfmannPublishers,1995第一章

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念五代計算機的發(fā)展歷史第一代：1945年-1954年第二代：1955年-1964年第三代：1965年-1974年第四代：1974年-1991年第五代：1991年-現(xiàn)在換代的標(biāo)志主要有二個計算機的器件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點

P.H.Enslow

1965年-1975年器件延遲時間降低1/10

指令時間降低1/100(系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進1/10)本課程的目的研究計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，特別是高性能計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析。本章的重點計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義，計算機組成定義，計算機實現(xiàn)定義，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)的三者關(guān)系透明性，局部性原理，MIPS定義，MFLOPS定義Amdahl定律CPU性能公式1.1計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（什么是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)？）

1.1.1計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖1.1計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖1.2機器的作用和組成共七層（級）:第0層：硬件實現(xiàn)（硬件實現(xiàn)）第1層：微程序（固件）實現(xiàn)（固件(Firmware)實現(xiàn)）第2層：傳統(tǒng)機器語言機器（軟件實現(xiàn)虛擬機器）第3層：操作系統(tǒng)機器（軟件實現(xiàn)虛擬機器）第4層：匯編語言機器（軟件實現(xiàn)虛擬機器）第5層：高級語言機器（軟件實現(xiàn)虛擬機器）第6層：應(yīng)用語言機器（軟件實現(xiàn)虛擬機器）其中:第0層-第2層：計算機組織與結(jié)構(gòu)（計算機組成原理、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）第3層-第5層：系統(tǒng)軟件（計算機操作系統(tǒng)）第6層：應(yīng)用軟件

Notice：存在交叉！1.1.2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義ComputerArchitecture1964年，Amdahl提出計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義為：由程序設(shè)計者所看到的一個計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。硬件子系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性：

數(shù)據(jù)表示；尋址方式；寄存器定義；指令系統(tǒng)；中斷機構(gòu)；機器工作狀態(tài)的定義和切換；輸入輸出結(jié)構(gòu)；信息保護。透明性現(xiàn)象：一種本來是存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看似乎不存在，稱為透明性現(xiàn)象。如低層機器級的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，對高級語言程序員來說是透明的。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

主要研究軟件、硬件功能分配和對軟件、硬件界面的確定。1.1.3計算機組成與實現(xiàn)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：是計算機系統(tǒng)的軟件、硬件的界面計算機組成：是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)計算機實現(xiàn)：是計算機組成的物理實現(xiàn)Notice：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成、計算機實現(xiàn)的界限模糊。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義（Amdahl）：

指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模型，功能模塊的設(shè)計。1.1.4計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類巨型、大型、中型、小型、微型科學(xué)計算、事物處理、實時控制、家用單處理機、多處理機、并行處理機、關(guān)聯(lián)處理機、超標(biāo)量處理機、流水線處理機、對稱多處理機（SMP）、大規(guī)模并行處理機（MPP）、機群系統(tǒng)1、Flynn分類法

(1966年M.J.Flynn提出)

指令流：InstructionStream數(shù)據(jù)流：DataStream多倍性：MultiplicitySISD：傳統(tǒng)的順序處理計算機SIMD：陣列處理機并行處理機MISD：流水線結(jié)構(gòu)機器MIMD：多處理機2、馮氏分類法

(1972年馮澤云提出)

最大并行度：Pm平均并行度：Pa平均利用率：μ=Pa/PmWSBS：字串位串純串行計算機WPBS：字并位串傳統(tǒng)的并行單處理機WSBP：字串位并

STARAN，MPP(大規(guī)模并行處理機)，DAPWPBP：字并位并

PEPE，ILLIACⅣ，Cmmp3、Handler分類法

(1977年WolfganHandler提出)

k：程序控制部件的個數(shù)d：算術(shù)邏輯部件或處理部件的個數(shù)w：每個算術(shù)邏輯部件包含基本邏輯線路的套數(shù)t（系統(tǒng)型號）=（k，d，w）k’：宏流水線中程序控制部件的個數(shù)d’：指令流水線中算術(shù)邏輯部件的個數(shù)w’：操作流水線中基本邏輯線路的套數(shù)t（系統(tǒng)型號）=（k*k’，d*d’，w*w’）例：t（Cray1）=(1，12X8，64（1～14)）1.2計算機系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

（計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)有什么關(guān)系？）

1.2.1計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理1、加快經(jīng)常性事件的速度2、Amdahl定律Fe=可改進部分占用的時間/改進前整個任務(wù)的執(zhí)行時間Se=改進前改進部分的執(zhí)行時間/改進后改進部分的執(zhí)行時間Tn=To(1-Fe+Fe/Se)Tn<ToSn（加速比）=To/Tn=改進前整個任務(wù)的執(zhí)行時間/改進后整個任務(wù)的執(zhí)行時間例1.1例1.23、CPU性能公式CPU時間=（IC*CPI）*時鐘周期長度=（IC*CPI）/頻率CPU時鐘周期數(shù)=IC*CPI

例1.3例1.4例1.54、訪問的局部性原理程序往往重復(fù)使用它剛剛使用過的數(shù)據(jù)和指令局部性：時間上的局部性空間上的局部性1.2.2計算機系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務(wù)確定用戶對計算機系統(tǒng)的功能、價格和性能的要求應(yīng)用領(lǐng)域、軟件兼容層次、操作系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)軟硬件的平衡

軟：易升級，速度慢；硬：復(fù)雜，速度快設(shè)計出符合今后發(fā)展方向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)編譯系統(tǒng)的發(fā)展；編程模式的發(fā)展

1.2.3計算機系統(tǒng)設(shè)計的主要方法Buttom-upTop-downMiddle-out

（軟件設(shè)計與硬件設(shè)計同時進行）1.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評價標(biāo)準(zhǔn)

速度、程序和數(shù)據(jù)的容量、功耗、體積、編程的難易程度、成本等性能、成本1.3.1性能

1、主要標(biāo)準(zhǔn)

MIPSMIPS=指令條數(shù)/（執(zhí)行時間*106）

MIPS的缺陷：三個方面（特別是第三點）MFLOPSMFLOPS是基于操作而非指令的用基準(zhǔn)測試程序來測試評價機器的性能綜合基準(zhǔn)測試程序2、性能的比較總執(zhí)行時間：一致的衡量標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)執(zhí)行時間：Am，Hm1.3.2成本1、成本指標(biāo)圖1.5硬件的成本軟件的成本圖1.6一次性開發(fā)成本每個部件的生產(chǎn)成本2、硬件考慮結(jié)論：（1）、價格、性能（2）、負載（3）、使用大量器件但效率很低；設(shè)計簡單而效率很高1.4計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4.1VonNeumann結(jié)構(gòu)圖1.7：1946年VonNeumann提出VonNeumann計算機的特征：(1)、存儲器，一維結(jié)構(gòu)(2)、存儲器，一級地址空間(3)、低級機器語言驅(qū)動(4)、指令，順序執(zhí)行(5)、以運算器為中心計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進：(1)、并行算法(2)、面向高級語言機器(3)、面向操作系統(tǒng)機器(4)、數(shù)據(jù)驅(qū)動型、需求驅(qū)動型(5)、專用計算機(6)、容錯計算機(7)、外圍處理機、通信處理機(8)、LSI、VLSI(9)、智能計算機1.4.2軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響軟件危機軟件的可兼容性軟件的可移植性三種方法：系列機的方法、模擬與仿真的方法、統(tǒng)一的高級語言的方法1、采用系列機的方法向上兼容：486機器的程序，可以運行在586機器上向下兼容：586機器的程序，可以運行在486機器上向前兼容：2002年生產(chǎn)的機器上的程序，可以運行在1999年生產(chǎn)的機器上向后兼容：1999年生產(chǎn)的機器上的程序，可以運行在2002年生產(chǎn)的機器上系列機：同一廠家生產(chǎn)的機器兼容機：不同廠家生產(chǎn)的機器

Amdahl470/480與IBM370兼容2、采用模擬與仿真的方法在一種機器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)另一種機器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模擬方法：

采用純軟件的方法速度慢

在A上模擬BA稱為宿主機，B稱為虛擬機仿真方法：

采用微程序直接解釋另一種機器指令系統(tǒng)的方法速度快在A上仿真BA稱為宿主機，B稱為目標(biāo)機模擬和仿真方法的結(jié)合：3、采用統(tǒng)一的高級語言方法語言的標(biāo)準(zhǔn)化1.4.3價格對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響改進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的二條重要途徑：（1）、性能或價格較小的變化產(chǎn)生比原系統(tǒng)好的性能/價格比（2）、提高系統(tǒng)的絕對性能，而價格增加比較合理

1.4.4應(yīng)用對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響特殊的應(yīng)用領(lǐng)域：（1）、高結(jié)構(gòu)化數(shù)值計算（2）、非結(jié)構(gòu)化數(shù)值計算（3）、實時多因素問題（4）、大存儲器容量（5）、圖形學(xué)（6）、人工智能1.4.5VLSI對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響

那時看來使用大型計算機在經(jīng)濟上是合算的現(xiàn)在許多用戶共享一臺大型機看來并不非常經(jīng)濟了1.4.6技術(shù)的發(fā)展對價格的影響MIPS=（指令條數(shù)/時鐘周期）*（周期數(shù)目/秒）*10-6第一項與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)；第二項與所采用的器件技術(shù)有關(guān)增加第一項指標(biāo)的方法：（1）、減少要執(zhí)行的指令條數(shù)（2）、增加硬件輔助部件（3）