计算机系统结构概论.ppt

计算机系统结构,主讲教师：高丽婷 第一章 计算机体系结构的基本概念,计算机的分代 第一代：以电子管为主要逻辑器件（1945-1954） 第二代：以晶体管为主要逻辑器件（1955-1964） 第三代：以中、小规模集成电路为主要逻辑器件 （1965-1974） 第四代：大规模集成电路， VLSI工艺，高速器件（1975- ）,计算机换代标志：器件 系统结构,计算机系统结构的变化,1.1 计算机系统的多级层次结构,计算机系统是软件硬件/固件 复杂性 当考察它时，通常需要选择某种合适的角度； 同一台计算机在不同人眼里可以是不一样的。 例如：系统设计者和高级语言使用者。,考查计算机通常从计算机语言的使用者角度进行 一般： 一个计算机系统所支持的计算机语言由低级到高级 有多个层面，高一级语言的语句相对于低级语言功 能更强，更便于应用，但又都以低级语言为基础。 因此: 从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成 多级层次结构：,计算机系统层次结构,计算机系统 人 应用语言级 为人民服务级 高级语言级 读书、学习级 汇编语言级 语言、思维级 操作系统级 生理功能级 传统机器级 人体器官级 微程序机器级 细胞组织级 电子线路级 分子级,计算机体系结构 计算机体系结构的定义：分经典和广义两种 经典定义（Amdahl于1964年提出）： 程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。 由于： 按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。 因此： 同一个计算机系统在不同层面上有不同的体系结构。,但一般： Amdahl提出的体系结构 传统机器级的体系结构，即一般所说的机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。 体系结构概念包含内容： 对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指：,(1) 数据表示 (硬件能直接辩认和处理的数据类型) (2) 寻址规则 (包括最小寻址单元、寻址方式及其表示) (3) 寄存器定义 (包括各种寄存器的定义、数量和使用方式),(4) 指令集 (包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构等) (5) 中断系统 (中断的类型和中断响应硬件的功能等) (6) 机器工作状态的定义和切换 (如管态和目态等) (7) 存储系统 (主存容量、程序员可用的最大存储容量等),(8) 信息保护 (包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持) (9) I/O结构 (包括I/O联结方式、处理机/存储器与I/O设备间数据 传送的方式和格式以及I/O操作的状态等),经典计算机体系结构概念的实质： 计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。,1.2 计算机系统结构、组成和实现技术 计算机组成：计算机体系结构的逻辑实现。 计算机实现：计算机组成的物理实现。,计算机组成包括的内容可以有： 处理机、主存等部件的逻辑结构，机器级内数据流和控制流的组成、各部件的功能以及之间的联系等。 计算机实现包括的内容可以有： 处理机、主存等部件的物理结构，包括器件的集成度和速度的确定，器件、模块、插件、底板的划分与连接，组装装配技术及信号连接、电源、冷却方法等。,体系结构与组成、实现之间的关系为： 体系结构是组成的抽象，组成是实现的抽象 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。 广义的计算机体系结构概念包括体系结构的外部特性和内部特性： 计算机体系结构外部特性-计算机体系结构的经 典定义 计算机体系结构内部特性-计算机组成与实现中 一些比较抽象的内容,广义体系结构概念：,体系结构经典定义 + 计算机组成和实现中的部分比较抽象的概念。,计算机系统的性能评价,最常用的评价尺度是以时间为基础的：, 响应时间：从事件开始到结束之间的时间，也称为执行时间 (计算机完成某一任务所花费的全部时间) 流量：在单位时间内所能完成的工作量。,相同点：以时间为基础 不同点：响应时间针对单任务，而流量针对多任务,1.3 计算机系统的软硬取舍及性能评测,CPU的性能 1. 将程序执行的时间进行分解 (1) 计算机工作的时钟频率 计算机系统中与实现技术和工艺有关的因素。 单位是MHz或GHz 。 (2) 总时钟周期数,CPU时间 = CPI IC 时钟周期,IC：程序执行过程中所处理的指令数，受计算机指令集结构和编译技术影响。 CPI：平均每条指令的时钟周期数，受计算机指令集结构和计算机组成影响。,对许多CPU来说，不同的指令运行时所用的周期数是不同的，如果我们假设：计算机系统有n种指令，其中 CPIi ： 第i种指令所用的时钟周期数； ICi ： 在程序运行过程中中第i种指令被运行的次数；,CPU时间 = (CPIi ICi) / 时钟频率 CPI = (CPIi ICi) / IC = (CPIi ICi / IC) 其中：(ICi / IC)反映了第i种指令在程序中所占的 比例。,例1.1 假设我们考虑条件分支指令的两种不同设计方法如下：,(1) CPUA：通过比较指令设置条件码，然后测试条件码进行分支。 (2) CPUB：在分支指令中包括比较过程,在两种CPU中，条件分支指令都占用2个时钟周期而所有其它指令占用1个时钟周期，对于CPUA，执行的指令中分支指令占20%；由于每个分支指令之前都需要有比较指令，因此比较指令也占20%。 由于CPUB在分支时需要比较，因此假设它的时钟周期时间是CPUA的1.25倍。哪一个CPU更快？ 如果CPUB的时钟周期时间仅仅是CPUA的1.1倍，哪一个CPU更快呢？,CPUA: CPIA = 0.2 2 + 0.80 1 = 1.2 总CPU时间A = 1.2 ICA 时钟周期A CPUB: 因为CPUB不执行比较，故：ICB = 0.8 ICA 分支指令的比例为：20%/80% = 25% CPIB = 0.25 2 + 0.75 1 = 1.25 总CPU时间B = 1.25 ICB 时钟周期B,1.4 软件对系统结构的影响,系列机 在一个厂家内生产的具有相同的体系结构(经典定义)，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。 IBM 370系列有370/115、125、135、145、158、168等一系列从低速到高速的各种型号。 相同点:程序员所看到的概念性结构和功能属性 指令系统一致 不同点:组成和实现技术 速度特性不一样,系列机是否必须体系结构的严格一致？ 事实上，真正需要的是软件兼容而非体系结构的严格一致。 软件兼容: 同一个软件可以不加修改地运行于另一台机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于有不同的运行时间。,分四类： 向上兼容：按某档机器编制的程序，不加修改的就能运行于比它高档的机器。 向下兼容：按某档机器编制的程序，不加修改的就能运行于比它低档的机器。 向前兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之前投入市场的机器。 向后兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之后投入市场的机器。,这四种属性中，我们通常只坚持向后兼容，这表示系列机中后续各档的机器的体系结构可以以扩充的方式进行发展，这是系列机的根本特征。 IBM PC系列机 （处理器、处理器字宽、I/O总线、地址空间、 寻址方式和计算机结构）,兼容机 不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机 这使得多个硬件生产厂商可以共享软件成果。,PC系列机特性比较,计算机系统性能随时间“下移”,模拟： 用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机