计算机系统结构课件

计算机系统结构

(第一讲)主讲教师：陆达联系方式：Tel：2580131

E-mail：luda@xmu.edu.cn主教材：郑纬民、汤志忠，计算机系统结构（第二版），北京：清华大学出版社，1998年主要参考书：

1、李学干、苏东庄，计算机体系结构，西安：西安电子科技大学出版社，19962、KAIHWANG著，王鼎兴，沈美明，郑纬民等译，高等计算机体系结构――并行性可扩展性可编程性，北京：清华大学出版社3、PattersonDA.,HennessyJL.,ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach2ed.SanFrancisco:MorganKanfmannPublishers,1995第一章

计算机系统结构的基本概念五代计算机的发展历史第一代：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-现在换代的标志主要有二个计算机的器件系统结构的特点

P.H.Enslow

1965年-1975年器件延迟时间降低1/10

指令时间降低1/100(系统结构的改进1/10)本课程的目的研究计算机系统结构，特别是高性能计算机系统结构，重点在于系统结构的设计和分析。本章的重点计算机系统层次结构，系统结构定义，计算机组成定义，计算机实现定义，系统结构、组成与实现的三者关系透明性，局部性原理，MIPS定义，MFLOPS定义Amdahl定律CPU性能公式1.1计算机系统结构

（什么是计算机系统结构？）

1.1.1计算机系统层次结构图1.1计算机系统层次结构图1.2机器的作用和组成共七层（级）:第0层：硬件实现（硬件实现）第1层：微程序（固件）实现（固件(Firmware)实现）第2层：传统机器语言机器（软件实现虚拟机器）第3层：操作系统机器（软件实现虚拟机器）第4层：汇编语言机器（软件实现虚拟机器）第5层：高级语言机器（软件实现虚拟机器）第6层：应用语言机器（软件实现虚拟机器）其中:第0层-第2层：计算机组织与结构（计算机组成原理、计算机系统结构）第3层-第5层：系统软件（计算机操作系统）第6层：应用软件

Notice：存在交叉！1.1.2计算机系统结构定义ComputerArchitecture1964年，Amdahl提出计算机系统结构定义为：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。硬件子系统的概念性结构和功能特性：

数据表示；寻址方式；寄存器定义；指令系统；中断机构；机器工作状态的定义和切换；输入输出结构；信息保护。透明性现象：一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。如低层机器级的概念性结构和功能特性，对高级语言程序员来说是透明的。计算机系统结构：

主要研究软件、硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定。1.1.3计算机组成与实现计算机系统结构：是计算机系统的软件、硬件的界面计算机组成：是计算机系统结构的逻辑实现计算机实现：是计算机组成的物理实现Notice：计算机系统结构、计算机组成、计算机实现的界限模糊。计算机系统结构定义（Amdahl）：

指令系统及其执行模型，功能模块的设计。1.1.4计算机系统结构的分类巨型、大型、中型、小型、微型科学计算、事物处理、实时控制、家用单处理机、多处理机、并行处理机、关联处理机、超标量处理机、流水线处理机、对称多处理机（SMP）、大规模并行处理机（MPP）、机群系统1、Flynn分类法

(1966年M.J.Flynn提出)

指令流：InstructionStream数据流：DataStream多倍性：MultiplicitySISD：传统的顺序处理计算机SIMD：阵列处理机并行处理机MISD：流水线结构机器MIMD：多处理机2、冯氏分类法

(1972年冯泽云提出)

最大并行度：Pm平均并行度：Pa平均利用率：μ=Pa/PmWSBS：字串位串纯串行计算机WPBS：字并位串传统的并行单处理机WSBP：字串位并

STARAN，MPP(大规模并行处理机)，DAPWPBP：字并位并

PEPE，ILLIACⅣ，Cmmp3、Handler分类法

(1977年WolfganHandler提出)

k：程序控制部件的个数d：算术逻辑部件或处理部件的个数w：每个算术逻辑部件包含基本逻辑线路的套数t（系统型号）=（k，d，w）k’：宏流水线中程序控制部件的个数d’：指令流水线中算术逻辑部件的个数w’：操作流水线中基本逻辑线路的套数t（系统型号）=（k*k’，d*d’，w*w’）例：t（Cray1）=(1，12X8，64（1～14)）1.2计算机系统设计技术

（计算机系统结构和技术有什么关系？）

1.2.1计算机系统设计的定量原理1、加快经常性事件的速度2、Amdahl定律Fe=可改进部分占用的时间/改进前整个任务的执行时间Se=改进前改进部分的执行时间/改进后改进部分的执行时间Tn=To(1-Fe+Fe/Se)Tn<ToSn（加速比）=To/Tn=改进前整个任务的执行时间/改进后整个任务的执行时间例1.1例1.23、CPU性能公式CPU时间=（IC*CPI）*时钟周期长度=（IC*CPI）/频率CPU时钟周期数=IC*CPI

例1.3例1.4例1.54、访问的局部性原理程序往往重复使用它刚刚使用过的数据和指令局部性：时间上的局部性空间上的局部性1.2.2计算机系统设计者的主要任务确定用户对计算机系统的功能、价格和性能的要求应用领域、软件兼容层次、操作系统、标准软硬件的平衡

软：易升级，速度慢；硬：复杂，速度快设计出符合今后发展方向的系统结构编译系统的发展；编程模式的发展

1.2.3计算机系统设计的主要方法Buttom-upTop-downMiddle-out

（软件设计与硬件设计同时进行）1.3系统结构的评价标准

速度、程序和数据的容量、功耗、体积、编程的难易程度、成本等性能、成本1.3.1性能

1、主要标准

MIPSMIPS=指令条数/（执行时间*106）

MIPS的缺陷：三个方面（特别是第三点）MFLOPSMFLOPS是基于操作而非指令的用基准测试程序来测试评价机器的性能综合基准测试程序2、性能的比较总执行时间：一致的衡量标准加权执行时间：Am，Hm1.3.2成本1、成本指标图1.5硬件的成本软件的成本图1.6一次性开发成本每个部件的生产成本2、硬件考虑结论：（1）、价格、性能（2）、负载（3）、使用大量器件但效率很低；设计简单而效率很高1.4计算机系统结构的发展1.4.1VonNeumann结构图1.7：1946年VonNeumann提出VonNeumann计算机的特征：(1)、存储器，一维结构(2)、存储器，一级地址空间(3)、低级机器语言驱动(4)、指令，顺序执行(5)、以运算器为中心计算机系统结构的改进：(1)、并行算法(2)、面向高级语言机器(3)、面向操作系统机器(4)、数据驱动型、需求驱动型(5)、专用计算机(6)、容错计算机(7)、外围处理机、通信处理机(8)、LSI、VLSI(9)、智能计算机1.4.2软件对系统结构的影响软件危机软件的可兼容性软件的可移植性三种方法：系列机的方法、模拟与仿真的方法、统一的高级语言的方法1、采用系列机的方法向上兼容：486机器的程序，可以运行在586机器上向下兼容：586机器的程序，可以运行在486机器上向前兼容：2002年生产的机器上的程序，可以运行在1999年生产的机器上向后兼容：1999年生产的机器上的程序，可以运行在2002年生产的机器上系列机：同一厂家生产的机器兼容机：不同厂家生产的机器

Amdahl470/480与IBM370兼容2、采用模拟与仿真的方法在一种机器的系统结构上实现另一种机器的系统结构模拟方法：

采用纯软件的方法速度慢

在A上模拟BA称为宿主机，B称为虚拟机仿真方法：

采用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法速度快在A上仿真BA称为宿主机，B称为目标机模拟和仿真方法的结合：3、采用统一的高级语言方法语言的标准化1.4.3价格对系统结构的影响改进系统结构的二条重要途径：（1）、性能或价格较小的变化产生比原系统好的性能/价格比（2）、提高系统的绝对性能，而价格增加比较合理

1.4.4应用对系统结构的影响特殊的应用领域：（1）、高结构化数值计算（2）、非结构化数值计算（3）、实时多因素问题（4）、大存储器容量（5）、图形学（6）、人工智能1.4.5VLSI对系统结构的影响

那时看来使用大型计算机在经济上是合算的现在许多用户共享一台大型机看来并不非常经济了1.4.6技术的发展对价格的影响MIPS=（指令条数/时钟周期）*（周期数目/秒）*10-6第一项与系统结构有关；第二项与所采用的器件技术有关增加第一项指标的方法：（1）、减少要执行的指令条数（2）、增加硬件辅助部件（3）