《计算机体系结构》第一章

计算机系统结构成都信息工程学院计算机学院徐振明xzm@课件密码：111111

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.课堂参与要求有事请假，无故旷课3次将取消平时成绩，4次将取消考试资格。旷课1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%关于本课程考试成绩评定方法：笔试80%，平时成绩（课堂参与+作业）20%序

2010年5月30日，国际超级计算机大会（ISC）在德国汉堡公布了最新的超级电脑500强排行榜。位于深圳国家超级计算机中心的曙光星云（DawningNebulae），理论计算峰值性能可以达到每秒2980万亿次，Linpack实测运算能力为每秒1.271PFlop/s(每秒1271万亿次)，居世界超级电脑500强第二位。排行榜首的是来自美国Cray的美洲豹“Jaguar”，1.75PFlop/s

（每秒1750万亿次)

中国另外一款超级计算机天河一号排名第7

（2009年11月排名第5）。

对此，当天的《纽约时报》称：中国超级计算机曙光星云排名世界第二，超过了欧洲与日本，它显示中国的科技实力已呈咄咄逼人之势。

TOP500是全世界最权威的超级计算机排名榜。从1993年起，作为对全球已安装的超级计算机进行排名的权威机构，国际TOP500组织以计算机实测速度(Linpack测试值，求解规模为若干（100、1000）阶的稠密线性代数方程组)为基准，每年两次发布世界上最快的500台超级计算机排名。

理论浮点峰值＝CPU主频×CPU每个时钟周期执行浮点运算的次数×系统中CPU核心数目

2010年11月17日国际超级计算机TOP500组织发布:“天河一号A”超级计算机系统（TotalCores

186368，Power4040Kw

）以每秒2507万亿次，超过每秒1750万亿次的美洲豹“Jaguar”(TotalCores224162，Power6950Kw)

，成为世界上最快的超级计算机！2009年11月中国超级计算机“天河1号”排名第五，运算速度为每秒563万亿次。

2011年6月20日在网站上公布的全球超级计算机500强排行榜中，日本超级计算机“京”（TotalCores548352，Power9898.56Kw

）以每秒8162万亿次的实测运算速度跻身榜首，中国的“天河一号”排名降至第二，但中国进入榜单的超级计算机总数在全球仅次于美国。2011年11月11日在网站上公布了最新全球超级计算机500强排行榜，日本超级计算机“京”（TotalCores

705024Power12659.9Kw

）以每秒10510万亿次的实测运算速度蝉联榜首。第一章概述

§1计算机系统和系统结构一、计算机系统的组成由硬件和软件资源构成。

1.

硬件

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—网络、I/O设备。

2.软件

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微程序设计技术和硬布线设计技术

一条指令执行时，由控制部件通过控制线路向执行部件发出各种控制命令，执行部件接收命令后，按一定次序完成一系列最基本操作。通常把这种控制命令叫做微命令，而执行部件接受微命令后，完成相应的操作。这些控制命令通常称为微命令，而这些最基本操作称为微操作。

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

）：

①OS是管理计算机系统的系统软件；

②OS的若干命令又可视为机器语言指令功能的扩充；

③OS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序级，在每一级上都可以定义一个系统结构。

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，以及对各级界面上、下之间进行功能分配，各级都有它自己的系统结构。本课程定义

计算机系统结构或称计算机体系结构（ComputerArchitecture）是汇编语言程序员所见到的计算机的外特性（属性），即软、硬件的交界面。

2.计算机系统结构的主要外特性

1）指令系统：指令的操作类型、功能、格式和编码。

2）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：最小可寻址单位、寻址种类和地址计算等。

4）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：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：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I/O系统：包括I/O设备的连接方式，处理机、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：如管态和用户态等。

9）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

1）重点是软、硬件的交界面：

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。

计算机系统结构主要是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。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，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：提高计算机系统的性能/价格比。4.计算机组成与实现1）计算机组成

计算机体系结构的逻辑实现。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实现，还是用专门的高速乘法器来实现。2）计算机实现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计考虑。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种物理实现。四、计算机系统的设计方法1.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，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，硬件直接识别的数据类型、格式和种类，I／O系统采用通道处理机还是外围处理机，I／O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。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来实现，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透明的。

2.

软硬件取舍3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

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（层次结构中的上下）。

（1）依据：用户的要求（包括性能及功能）。（2）特点：①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）；

②适用于专用机设计。2）从下到上的设计

1）依据：①现有元器件状况；

②并吸收现有计算机的特点。

2）特点：①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；

②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

1）中间层次面的确定：①OS是内容之一；

②主要软、硬件交界面。

2）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

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。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(Flynn)分类1）两种信息流

①控制流——指令序列（I）②数据流——数据序列（D）2）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

指令部件数据处理流数目部件数目

SISD11SIMD1多MIMD多多P27图1-11

3）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。数据驱动。3以型分类：按性能、体积、价格可分为巨、大、中、小、微、掌上型

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年一台超级小型机：内存8M，硬盘2.7G

串口：RS23272个；RS42224个

91年1.3万美金：内存16M，硬盘5.4GP19图1-8

时间

价格(对数坐标)

巨型机

t

大型机

中型机

小型机

微型机

虚线为等性能线

4以度(冯氏)分类度：对数据并行处理的程度。

按度分类：W—字

B—位

S—串行处理

P—并行处理字串位串WSBS：同时只对一个字的一位进行处理。

字串位并WSBP：同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。字并位串WPBS：同时对许多字的同一位(称位片)进 行处理。

字并位并WPBP：同时对许多字的全部或部分位进行处理。并行性等级

§1计算机系统和系统结构

一、计算机系统的组成

二、计算机系统的多级层次结构

三、计算机系统结构定义及其属性

四、计算机系统的设计方法

五、计算机系统的分类

以代分类、以流分类、以型分类、以度分类

§2计算机系统的发展途径一、从提高CPU的利用率出发

对CPU的基本要求要有高速度，节省处理时间；要一直处于忙状态，充分发挥高速性；要忙在数据的处理上。1.任务单一化

1）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：

①减少I/O处理时间；

②下放I/O管理权限。

3）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。2.操作重迭化

1）一条指令的几个过程段

①取指令

②译码分析

③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）重迭执行重迭执行可以提高指令的吞吐率，图示如下：

4）实现重迭操作需要的支持

①必须有先行部件

②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。

3.吞吐匹配化

1）要求：主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：主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：

①直接提高主存速度

②在CPU与主存之间加入高速缓存（Cache）③借助于辅助硬件（MC：存储控制器件）使cache与主存构成一个有机整体。4.程序多道化——用户分时化

1）单用户系统存在的问题

①CPU的实际利用率往往很低

②因编程不当而出现死循环时，更浪费CPU时间。

2）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：

①存贮容量不足问题：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。②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。二、从单机向多机发展

1.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

1）多处理机系统并行处理机系统（属SIMD）：包括阵列处理机系统，是指令级（细粒度）的并行处理分布式处理机系统（属MIMD）：消息传递网络，提供结点之间点到点的静态连接。所有本地存储器都是私有的，只有本地的处理机才能访问。属任务级（粗粒度）并行处理。

2）多计算机系统程序级的并行处理，每个计算机结点有一个与其它结点不共享的本地存储器。处理机之间的通信通过结点间的消息传递来实现。并行处理的四个等级：指令内、指令间、过程（任务）、程序。

3）其它计算机系统：脉动阵列机、数据流机、归约机

3.

3T性能指标重大挑战性科学计算题目要求计算机系统能有3T性能，即lTFLOPS的计算能力，1TB的主存容量和1TB／s的I／O带宽。在天津滨海新区安装部署国防科技大学的“天河一号A”，该系统拥有6144颗英特尔CPU和5120颗AMDGPU，内存总容量为98TB，点点通信带宽为40Gbps，共享磁盘总容量达到1PB，2507万亿次的实测速度。

7项技术：多阵列可配置协同并行体系结构、高速率扩展互联通信技术、高效异构协同计算技术、基于隔离的安全控制技术、虚拟化的网络计算支撑技术、多层次的大规模系统容错技术和系统能耗综合控制技术。主频1.9G，4核§3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

1.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：

1）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系不大。

2）采用模拟技术

利用现有计算机的指令串来解释虚拟机的指令功能