【计算机系统结构】计算机系统和系统结构

计算机系统结构

成都信息工程学院计算机系

徐振明

要求：

1.学习要求

I对课堂上讲解的计算、绘图瞥理解会做（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%；I

早退：平时成绩的10%。I

病、事假：平时成绩的3%I.

关于本课程考试

第一章概述

§1计算机系统和系统结构

-、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T?U；

2）存储信息资源一存储器；

3）交换信息资源一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，诊断程序等;

2）应用软件：为解决用户问题编写的程序。

、计算机系统的多级层次结构（逐级或越级向下实现）

层次结构执行方式

软、

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：用符号表示电机器语言。

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

I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,

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

统的外特性。

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。

1.本课程定义

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

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：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，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，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

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

机实现设计考虑。

四、计算机系统的设计方法

1.计算机的透明性J8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。X"

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

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——视核心元基气

第一代：电子管，性能底、价格外

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，早期价格与第二夜接近，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以流分类

指令部件数据处理

1）两种信息流

①控制流——指令序列（I）、流数目部件数目

②数据流——数据序列（D）SIS我1

2）按流分类SIMD多

SISD：单指令单数据流计算机MIMD

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W

3）关于数据流计算机V

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。

3以型分类：

按性能、体积、价格可分为巨、大、型号

中、小、微、掌上型巨

大

88年一台微型机（IBM-PC）：中

,

内存640K硬盘：20M,约5.5万小

97年一台微型机（兼容）：微

内存16M硬盘：2.1G,约0.8万

88年一台超微小型机：年代

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

5.4G

4以度分类

度：对数据并行处理的程度

按度分类：W—字、

B一位

S—串行处理

P一并行处理

字串位串WSBS

字串位并WSBP

字并位串WPBS

字并位并WPBP

§1计算机系统和系统结构

一、计算机奉统的组成

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、计算机系统的饭计方法

五、计算机系统的分类

§2计算机系统的发展途径

一、从提高CPU的利用率出发

1对CPU的基本要求

1）要有高速度，节省处理时尚

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-化

1）传统计算机CPU的工作内容1

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；I

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。

3操作重迭化

1）一条指令的几个过程段

①取指令IW

②译码分析I1

③执行

2）传统机器的执行方式存在的问题

取译、取译执

\i+l条

第i条

3）重迭执行

重迭执行可以提高指令的吞吐率，图示如

下：

血评坎

廿坎

取评执

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冷间&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&U内部

的微观结构具有深刻的影响。

4吞吐匹配化

1）要求：存储器提供数据的速度要与CPU处

理数据的速度匹配。X.

2）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：

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。

5程序多道化—用户分时化

1）单用户系统存在的M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。

二、从单机向多机发展

L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）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：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ITFLOPS的计算能力,1TB的主存容量和1TB/

/0带宽。

§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

L含义：程序的可移植性也就是旃破可继承性。

2.解决可移植性的办法：

1）统-高级