高等计算机系统结构

高等计算机系统结构

计算机系统结构课程介绍

ComputerArchitecture

''建筑学”、“建筑物的设计或式

样”，通常是指一个系统的外貌。

研究内容

从外部来研究计算机系统

使用者所看到的物理计算机的抽象

编写出能够在机器上正确运行的程

序所必须了解到的计算机的属性。

软硬件功能分配及分界面的确定

学习目的

建立计算机系统的完整概念

学习计算机系统的分析方法和设计方法

掌握新型计算机系统的基本结构及其工

作原理

与其他课程的交叉

主要包括：计算机组成原理、计算机操

作系统、汇编语言、数据结构、微机原

理、高级语言等。

新内容：超标量处理机、超流水线处理

机、向量处理机、并行处理机、多处理

机等。

交叉点内容：提高，建立完整概念

计算机系统结构

第一章基本概念第五章标量处理机

第二章指令系统第六章向量处理机

第三章存储系统第九章多处理机

第四章输入输出系统

第一章基本概念

第一节计算机系统结构

第二节计算机系统设计技术

第三节系统结构的评价标准

1.1计算机系统结构

1.1.1计算机系统层次结构

L层次结构的划分

当前，应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级和操

作系统机器级都是以软件为主实现的，但也可根据计算机性能/价格的

不同要求增加硬件支持。以软件为主实现的机器称为虚拟机器。

2.透明性

计算机系统中的透明与通常意义下的“透明”的含义

刚好相反。通常意义下的“透明”是指公开的，什么都能

看得到的。计算机系统的“透明”是看不到的意思，即对

某一层的使用者来说，他看不到该层以下各层的机器属性。

3.各机器级的实现技术

低层机器级为高层机器级的功能实现提供支持，实现的技术就

是翻译和解释。翻译时先用翻译程序把高层机器级上的车功能需翻译成

低层机器级上的等效程序，然后在低层机器级上实现程序功能。解释使

用底层机器级的一些语句或指令来仿真高层机器级上的一条语句或指令

的功能，高层机器级程序中的每条语句或指令被逐条解释来实现程序功

LL2计算机组成与实现

计算机系统结构这个词是Amdahl等人在1964年提出的。他们

把系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概

念性结构和功能特性。这实际上是计算机系统的外特性。这一概念至今

有各种各样的理解，很难有一个通用的定义。

LL3计算机组成与实现

L计算机体系结构

传统的计算机系统结构的定义是指计算机系统多级层次结构中机器

语言机器级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面，是由机器语

言程序、汇编语言源程序和高级语言远程需翻译生成的机器语言目标程

序能在机器上正确运行所应具有的界面结构和功能。

2.计算机组成与实现

计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，它主要研究硬件系统在

逻辑上是如何组织的，机器级内部数据流和控制流的组成与逻辑设计。

计算机实现是指计算机组成的物理实现，主要着眼于器件技术和微组装

技术。

LL4计算机系统结构的分类

Lflynn分类法

Flynn分类法按指令流和数据流的多倍性把计算机系统分

为单指令流单数据流(SISD)系统、单指令流多数据流

(SIMD)系统、多指令流单数据流(MISD)系统和多指令

流多数据流(MIMD)系统等4类。

2.冯式分类法

字串位串WSBS、字并位串WPBS、字串位并WSBP、字并

位并WPBP

3.Handler分类法

程序控制部件、算术逻辑部件、基本逻辑线路

1.2计算机系统设计技术

1.2.1计算机系统设计的定量原理

1.CPU性能

CPU时间=(IC*CPI)/时钟频率

2.Amdahl定律

Amdahl定律用加速比来衡量系统采用的改进措施对系统性能提

高的程度，加速比的定义为：

Sn=To/Tn

其中，T。为改进前所需的执行时间；Tn为改进后所需的执行时间。

1.2.2计算机系统设计者的主要任务

1,确定用户对计算机系统的功能、价格和性能的要求

2,软硬件的平衡

3,设计出符合今后发展方向的系统结构

1.2-3计算机系统设计者的主要任务

1「由下往上”设计

2J由上往下”设计

3「由中间开始“设计

1.3系统结构的评价标准

L3.1性能评测的常用方法：运算速度

1,时钟频率(主频)：用于同类处理机之间

如：PentiumII/450比Pentium11/300快50%,...

2.指令执行速度一种很经典的表示方法

MIPS(MillionInstructionsPerSecond),KIPS,GIPS,TIPS

疥令条数二Fz“ex屋

MIPS=

执行时间xlO6CPI

其中，Fz为处理机的工作主频；CPI(CyclesPerInstruction)

为每条指令所需的平均时钟周期数；IPC(InstructionPer

Cycle)为每个时钟周期平均执行的指令条数

例1：

计算PentiumII450处理机的运算速度。

解：由于PentiumH450处理机的IPC=2(或CPI=0.5),

Fz=450MHz,因此，

MIPSPentiumll450=FzXIPC=450X2=900(MIPS)

主要缺点：

(1)不同指令的速度差别很大

(2)指令使用频度差别很大

(3)有相当多的非功能性指令

3.等效指令速度:吉普森(Gibson)法

等效指令执行瓦间T=Z(%x7；)

7=1

等效指令速度MOS=1/£

7=1MIPS1

等效CPI=£(CPLxW)

其中,7=1

Wi：指令使用频度，i：指令种类

静态指令使用频度：在程序中直接统计

动态指令使用频度：在程序执行过程中统计在计算机发展

的早期，用加法指令的运算速度来衡量计算机的速度。通

常:力口、减法50%,乘法加%,除法5%,程序控制15%,

其他15%

例2：

我国最早研制的小型计算机DJS-130,定点

16位，加法每秒50万次，但没有硬件乘法和除法指令，用软

件实现乘法和除法，速度低100倍左右。求等效速度。

解：

定点等效速度为:

等效指令速度MIPST/（呼+里一）=0.02MIPS

0.50.5/100……

即每秒2万次，由于乘法和除法用软件实现，等效速度降低了25倍。

4.核心程序法

把应用程序中用得最频繁的那部分核心程序作为评价计算机性能的标准程

序。称为基准程序(benchmark)

整数测试程序：Dhrystone

用C语言编写，100条语句。包括：各种赋值语句，各种数据类型和数据区，各

种控制语句，过程调用和参数传送，整数运算和逻辑操作。

VAX-11/780的测试结果为每秒1757个Dhrystones,即：1VAXMIPS=

1757Dhrystones/Second

浮点测试程序：Unpack

用FORTRAN语言编写，主要是浮点加法和浮点乘法操作。

用MFLOPS(MillionFloatingPointOperationsPerSecond)表示；GFLOPS>

TFLOPS

Whetstone基准测试程序

用FORTRAN语言编写的综合性测试程序，测试结果用Kwips表示。

SPEC基准测试程序(SystemperformanceevaluationCooperative)

5、峰值速度

峰值指令速度MIPS、GIPS、TIPSPentiumIII500有3条指令流水

线，则其峰值指令速度为：3X500MHz=1500(MIPS)即每秒15亿次

例3：

一个由8台机器组成的Cluster系统，每台机器是4个Pentiumlll500组成

的SMP系统；计算这个Cluster系统的指令峰值速度。

解：

峰值指令速度：

500MHz'8'4'3=48(GIPS)即每秒480亿次。

峰值指令速度MIPS、GIPS、TIPS

132其他方面的性能

1,存储能力

存储容量，速度，编址单位，编址方式，寻址方式

2.字长1〜几百位

关键问题：程序与数据共用同一个主存储器早期：由指令字长决定

当前：由数据字长决定，8的倍数，如：32位、64位等

可变字长：任意组合

3.数据类型

目前常用：定点、浮点、逻辑

已有类型：向量、串、栈、树

发展方向：自定义

4.指令系统

CISC：复杂指令集计算机

RISC：精简指令集计算机

VLIW：超长指令字

5,输入输出能力

输入输出方式

中