计算机体系结构

1、成都信息工程学院计算机系徐振明要求：1. 学习要求 对课堂上讲解的计算、绘图题要理解会做（准备作业本）。 及时完成每章后的练习题（概念题直接写到讲义上）。2. 纪律要求 有事请假，无故旷课三次将取消平时成绩； 旷课一次：平时成绩的20% 迟到：平时成绩的5%； 早退：平时成绩的10%。 病、事假：平时成绩的3%关于本课程考试 一、计算机系统的组成一、计算机系统的组成 由硬件和软件组成。 1. 硬件：可视为多种资源： 1）处理信息资源CPU； 2）存储信息资源存储器； 3）交换信息资源I/O设备。 2. 软件：即程序 1）系统软件：各用户共同使用，如操作系统（OS），编译/解释程序，汇编程序，诊

2、断程序等； 2）应用软件：为解决用户问题编写的程序。 二、计算机系统的多级层次结构（逐级或越级向下实现）二、计算机系统的多级层次结构（逐级或越级向下实现）软、硬交界面硬件微指令程序解释应用语言级高级语言级汇编语言级操作系统级机器语言级微程序级电子线路L0实际机器L1实际机器L2虚拟机L3虚拟机L4虚拟机L5虚拟机应用软件系统软件软、硬交界面固件层次结构执行方式应用程序包翻译编译/解释程序翻译汇编程序翻译机器语言程序解释硬件直接执行微指令 1. （传统）机器语言级：二进制语言是计算机中必不可少的语言。 2. 汇编语言级：用符号表示的机器语言。 3. 关于操作系统（ OS ）： OS是管理计算机系

3、统的系统软件； OS的若干命令又可视为机器语言指令功能的扩充； OS虽已发展成用高级语言编写，但其属服务于高级语言、汇编语言等的功能，并最终用机器语言或微指令程序解释执行的。 4. 虚拟机：以软件为主实现的机器。 5. 实际机器：由硬件或固件实现的物理机器。 6. 固件：将微程序固化在器件上的硬件。三、计算机系统结构定义及其属性三、计算机系统结构定义及其属性一个计算机系统可以看成是由若干机器一个计算机系统可以看成是由若干机器级组成的，从低层的硬件直到高层的应用程级组成的，从低层的硬件直到高层的应用程序级，在每一级上都可以定义一个系统结构，序级，在每一级上都可以定义一个系统结构，而传统的讲，计算

4、机系统结构是指处在软件而传统的讲，计算机系统结构是指处在软件与硬件之间的界面描述，它反映了计算机系与硬件之间的界面描述，它反映了计算机系统的外特性。统的外特性。计算机系统结构是对计算机系统中各机器计算机系统结构是对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下之间进行功能分配，各级都有它自己上、下之间进行功能分配，各级都有它自己的系统结构。的系统结构。1.本课程定义本课程定义 计算机系统结构或称计算机体系结构计算机系统结构或称计算机体系结构（Computer Architecture）是汇编语言程序员所见 到的计算机的外外特性特性（属性），

5、即软、硬件的交界面。2.计算机系统结构的主要外特性计算机系统结构的主要外特性 1）*指令系统：指令系统：指令的操作类型、功能、格式和编码。 2）*数据表示：数据表示：能由硬件直接识别和处理的数据类型和指令。 3）寻址方式：）寻址方式：最小可寻址单位、寻址种类和地址计算等。4）寄存器组织：）寄存器组织：通用和专用寄存器的数量、字长和使用约定。 5）*中断系统结构：中断系统结构：表示中断的分类、分级和中断响应的功能以及入口地址等。 6）*存储体系和管理：存储体系和管理：包括主存的容量、编址方式、最小编址单位、最大可编址空间。 7）*机器级机器级 I /O系统：系统：包括I/O设备的连接方式，处理机

6、、存储器与I/O设备间的数据传递方式和格式，传递的数据量及传递操作结束的表示及出错提示等。 8）机器工作状态的定义和切换：机器工作状态的定义和切换：如管态和用户态等。 9）信息保护信息保护：包括保护方式及有关的硬件支持等。 3研究计算机系统结构的目的研究计算机系统结构的目的1）重点是软、硬件的交界面）重点是软、硬件的交界面：计算机系统设计师的主要任务是合理地研究哪些功能应由硬件予以支持，而哪些功能应由软件来完成。 软件和硬件在逻辑功能上是等效的软件和硬件在逻辑功能上是等效的，但是，在性能、价格、实现的难易程度上却是各不相同的，是不等效的。 硬件实现可以提高其执行的速度，减少程序所需要的存贮空间

7、，降低软件部分所需的成本，但这会提高硬件部分的成本，降低系统的灵活性与适应性。 2）目的）目的：提高计算机系统的性能提高计算机系统的性能/价格比价格比。4. 计算机组成与实现1）计算机组成 主要指的是机器级内部数据流和控制流的组成及逻辑设计。它与指令和编程等没有直接关系，主要是看硬件系统在逻辑上是如何组织的。如：乘法指令是用加法器和移位器经一连串时钟脉冲控制实现其操作，还是用专门的高速乘法器来实现 。2）计算机实现 指的是计算机组成的物理实现。它着眼于用什么样的器件技术和微组装技术。它也直接影响到系统的速度和价格。 如：是否采用超大规模集成电路，如何将部件在物理上组装到一起，则是由计算机实现设

8、计考虑。四、计算机系统的设计方法四、计算机系统的设计方法1.计算机的透明性概念计算机的透明性概念客观存在的事物或属性从某个角度看不到，称这些事客观存在的事物或属性从某个角度看不到，称这些事物或属性对它是透明的。物或属性对它是透明的。对目前多数的通用计算机来说，采用什么系列机，对目前多数的通用计算机来说，采用什么系列机，机器级和汇编级的指令系统，指令的条数、种类、功能、机器级和汇编级的指令系统，指令的条数、种类、功能、格式和编码，主存的容量、编址空间和所用的编址方式，格式和编码，主存的容量、编址空间和所用的编址方式，硬件直接识别的数据类型、格式和种类，硬件直接识别的数据类型、格式和种类，IO系统

9、采用系统采用通道处理机还是外围处理机，通道处理机还是外围处理机，IO设备的编址等，所有设备的编址等，所有这些对计算机系统结构都设计成不透明的。这些对计算机系统结构都设计成不透明的。而系列机内部搞哪几种型号的计算机，乘法指令是而系列机内部搞哪几种型号的计算机，乘法指令是用加法器和移位器经一连串时钟脉冲控制实现其操作，还用加法器和移位器经一连串时钟脉冲控制实现其操作，还是用专门的高速乘法器来实现，控制器微操作信号是用微是用专门的高速乘法器来实现，控制器微操作信号是用微程序控制器产生还是用组合逻辑电路控制器产生等，所有程序控制器产生还是用组合逻辑电路控制器产生等，所有这些对计算机组成设计来说都应是不

10、透明的。这些对计算机组成设计来说都应是不透明的。2.软硬件取舍软硬件取舍3原则原则 1）在现有器件的条件下，系统要有较高的性能价格比； 2）不要不合理地限制各种组成、实现技术的采用； 3）硬件的设计要考虑如何为软件提供更好的支持。3.设计方法设计方法 具体的设计方法是从计算机多级层次结构的上或下开始设计，有“从上到下”、“从下到上”和“从中间开始向两边设计”等三种不同的设计思路。1）从上到下的设计从上到下的设计（层次结构中的上下）。（1）依据：依据：用户的要求（包括性能及功能）。（2）特点：）特点：根据用户要求（需求）进行设计（先有功能，性能要求，最后才有硬件实体）； 适用于专用机设计。2）从

11、下到上的设计从下到上的设计 1）依据：）依据：现有元器件状况； 并吸收现有计算机的特点。 2）特点）特点：先设计出计算机系统的硬件实体，再根据需求编写相应软件； 未明确针对哪种用户设计，因而适用于传统通用机设计。3）从中间到两头从中间到两头 1）中间层次面的确定：）中间层次面的确定：OS是内容之一； 主要软、硬件交界面。2）优点：）优点：可实现软、硬件人员同时设计，从而加速系统设计进度。 五、计算机系统的分类五、计算机系统的分类 1.以代分类视核心元器件。 第一代：电子管，性能底、价格高。 第二代：晶体管，价格极大降低、性能有所提高。 第三代：集成电路，早期价格与第二代接近，性 能进一步提高。

12、 第四代：大规模/超大规模集成电路，价格范围 宽，性能更提高。 2以流分类以流分类1）两种信息流）两种信息流 控制流指令序列（I） 数据流数据序列（D） 2）按流分类）按流分类SISD：单指令单数据流计算机 SIMD：单指令多数据流计算机 MIMD：多指令多数据流计算机 MISD：多指令单数据流计算机3）关于数据流计算机）关于数据流计算机 目前常见的是控制流计算机，而数据流计算机将数据带上处理标记，找出数据后，就进行相应处理。 指令部件 数据处理 流 数 目 部件数目 SISD 1 1SIMD 1 多MIMD 多 多 3以型分类：以型分类： 按性能、体积、价格可分为巨、大、中、小、微、掌上型

13、88年一台微型机（IBM-PC）： 内存640K 硬盘：20M，约5.5万 97年一台微型机（兼容）： 内存16M 硬盘：2.1G，约0.8万 88年一台超微小型机： 内存8M， 硬盘2.7G 串口：RS232 72个；RS422 24个 91年1.3万美金：内存16M，硬盘5.4G 型号 年代 巨大中小微 等性能线 4以度分类以度分类度：度：对数据并行处理的程度。 按度分类按度分类：W字 B位 S串行处理 P并行处理 字串位串 WSBS 字串位并 WSBP 字并位串 WPBS 字并位并 WPBP2计算机系统的发展途径计算机系统的发展途径 一、从提高一、从提高CPU的利用率出发的利用率出发 1

14、对对CPU的基本要求的基本要求 1）要有高速度，节省处理时间； 2）要一直处于忙状态，充分发挥高速性； 3）要忙在数据的处理上。 2任务单一化任务单一化 1）传统计算机）传统计算机CPU的工作内容 CPU除完成运算，还要负责I/O管理的操作 2）改进办法：）改进办法： 减少I/O处理时间； 下放I/O管理权限。3）对系统结构的影响）对系统结构的影响：在计算机结构中，引入I/O处理机，由它来管理入、出，使CPU专注数据处理。3操作重迭化操作重迭化 1）一条指令的几个过程段）一条指令的几个过程段 取指令 译码分析 执行取译执取译执第i条第i+1条 2）传统机器的执行方式存在的问题 3）重迭执行 重

15、迭执行可以提高指令的吞吐率，图示如下： 取译执取执译取执译ii+1i+24）实现重迭操作需要的支持）实现重迭操作需要的支持 必须有先行部件 能解决对存储器的频繁访问，最好采用存储器的多体结构。5）对系统结构的影响）对系统结构的影响 除要求存储器为多体结构外，对CPU内部的微观结构具有深刻的影响。 4吞吐匹配化吞吐匹配化 1）要求）要求：存储器提供数据的速度要与CPU处理数据的速度匹配。2）存在的问题：）存在的问题：存储器的速度往往比CPU的处理速度低1个数量级。 3）解决的方法：）解决的方法： 直接提高主存速度 在CPU与主存之间加入高速缓存（cache） 借助于辅助硬件（MC：存储控制器件）

16、 使cache与主存构成一个有机整体。 5程序多道化程序多道化用户分时化用户分时化1）单用户系统存在的问题）单用户系统存在的问题 CPU的实际利用率往往很低 因编程不当而出现死循环时，更浪费CPU时间。 2）办法）办法： 充分利用I/O时间，采用程序多道化，让CPU分时轮流为各用户服务。 3）需要解决的问题：）需要解决的问题：存贮容量不足问题：存贮容量不足问题：直接增加主存容量直接增加主存容量采用虚拟存贮器：把高速辅存伪装成主存使用。采用虚拟存贮器：把高速辅存伪装成主存使用。 多用户复杂现场的保护与恢复问题： 引入通信控制器（CC）来解决。CPU程序多道化cache高速辅存主存MC操作重迭化任

17、务单一化吞吐匹配化I/O总线IOPCCI/OI/O.用户终端. 二、从单机向多机发展二、从单机向多机发展 1.问题的提出：问题的提出：当对单机系统采用上述四条途径都不能满足要求时，就要求用多机系统完成。2.多机系统的分类多机系统的分类 1）并行处理机系统（属）并行处理机系统（属SIMD）：）：包括阵列处理机系统，是操作级（细粒度）的并行处理 2）多处理机系统（属）多处理机系统（属MIMD）：）：任务级（粗粒度）并行处理，高速通信网络通信 3）其它计算机系统：）其它计算机系统：脉动阵列机、数据流机、归约机 3.3T性能指标性能指标 重大挑战性科学计算题目要求计算机系统能有3T性能性能，即lT F

18、LOPS的计算能力计算能力，1 TB的主存容量主存容量和1 TBs的IO带宽带宽。 3影响计算机系统结构发展的因素影响计算机系统结构发展的因素 一、程序的可移植性的影响一、程序的可移植性的影响1.含义：程序的可移植性也就是程序的可继承性。含义：程序的可移植性也就是程序的可继承性。 2.解决可移植性的办法解决可移植性的办法：1）统一高级语言）统一高级语言 高级语言是面向问题与算法的，与机器的具体结构关高级语言是面向问题与算法的，与机器的具体结构关系不大。系不大。 2）采用模拟技术）采用模拟技术利用现有计算机的指令串来解释新计算机的指令功能利用现有计算机的指令串来解释新计算机的指令功能 3）采用仿真技术）采用仿真技术 用现有计算机的微指令串来解释新计算机的指令功能用现有计算机的微指令串来解释新计算机的指令功能 4）利用系列机）利用系列机 3系列机简介系列机简介 1）要有统一的汇编语言或机器语言； 2）要确定好一种概念结构并有扩充余地； 3）要具有兼容性：将以前编写的软件不改或少许修改就能在新机上运行的性能称兼容性（或向前兼容）。 向后兼容：目前编写的软件能在今后生产的计算机上不加修改就能运行。 向上兼容：在低档机上编写的软件能在高档机上不加修改地运行。 对一个系列机是否具有强大的生命力，主要取决于软、硬件交界面选择是否恰当。其中，中大型机以IBM360、370，微机以IBMPC兼容