计算机体系结构 量化研究法PPT课件

.第1章计算机系统结构的基本概念，1.1计算机系统的多级层次结构1.2计算机系统结构，结构和实现1.3计算机系统的硬件取舍，性能评价和定量设计原理1.4软件，应用，设备对系统结构的影响1.5系统结构中的并行性发展和计算机系统的分类， 1.1计算机系统的多级层次结构1 .计算机系统的多级层次结构的划分角度2 .在各机械级间实现的主要方式3 .实际的机械和虚拟机械4 .多级层次结构的划分的意义从使用语言的观点来看，可以把系统看作是由各功能的多级机械级构成的层次结构， 层次结构从高到低分别为应用语言机械级、高级语言机械级、汇编语言机械级、操作系统机械级、传统机械语言机械级和微程序机械级。 在具体的计算机系统中，水平多少有些不同。 1 .计算机系统的分层角度，图1.1计算机系统的分层结构，翻译是这样的技术，其中，高层级的程序整体上转换成低层级的同等程序，然后再在低层级的机械级实现该程序。 interpretation(interpretation )是一种在低级计算机级使用一系列语句或指令来模拟高级计算机级语句或指令的功能，用于解释高级计算机级语言程序中的每个语句或指令2、各机械级的实现方式，翻译实现应用语言虚拟机械级M5是为了满足专业应用而设计的。 用面向某个应用程序的应用程序语言(L5 )编写的程序。 一般来说，应用程序包翻译成高级语言(L4 )程序，然后逐步关闭。 此外，应用语言虚拟机级别M5的实现，翻译实现高级语言机级别M4上的程序可在整个编译程序中翻译成汇编语言(L3)或机器语言(L1)程序后，分阶段或分阶段地实现。 解释实现也可以用汇编语言(L3 )程序、机器语言(L1 )程序乃至微指令语言(L0 )程序来实现。 另外，高级语言机器级别M4的实现，翻译实现汇编语言(L3 )源程序在整个汇编程序中将它变换为等价的二进制机器语言(L1 )目标程序，在以往的机器级别M1实现。 汇编语言(L3 )源程序的实现、操作系统程序的实现，已经用c语言等高级语言来写，最终需要用机器语言程序和微指令程序来说明。 OS程序的实现，传统的机械级采用复合逻辑电路控制，其指令可以直接硬件实现，采用微程序控制，可以用微指令(L0 )程序说明实现。 微指令直接控制硬件电路的动作。 另外，现有的机械级和微程序机械的实现、固件是具有软件功能的硬件，例如，使软件固化成只读存储器这种大规模集成电路的硬件、设备的是固件。 以软件为中心实现的机器被称为虚拟机器，与用硬件和固件实现的实际机器区别开来。 虚拟机不一定都是通过软件实现的，一些操作可以通过固件和硬件实现。 例如，操作系统中的某些命令可以通过微程序或硬件实现。 3 .实际的机器和虚拟机器，把计算机系统看作多级机械构成的层次结构来发展计算机系统的结构。 例如，重新调整软件、硬件的比例，为各级提供更好的硬件支持，硬件、设备迅速发展，软件越来越复杂，可以改善开销过大的情况，或者直接用硬件和固件来实现可以用真实的实际处理器来替换各虚拟机级别，从而脱离传统各级别的功能在同一实际机上实现的情况，并能发展多处理器、分布式处理、计算机网络等系统配置。 在一台主机上模拟和模拟另一台机器，促进虚拟机器、多个操作系统的通用化等技术的采用，促进软件移植、计算机系统的性能评价、计算机设计的自动化等技术的发展4 .层次结构的意义，1.2计算机系统的结构，构成和实现，1.2.1计算机系统的结构，构成，实现的定义和内涵1.2.2计算机系统的结构，构成和实现的相互关系，1系统的结构定义：从计算机系统的层次结构的定义，系统的结构(system architec 每个级别都有自己的系统结构。 2透明性：客观存在的东西或属性从某个角度看不到，简称为透明(Transparent )。 计算机级别的程序员看到的计算机属性是计算机系统的不同级别的界面.的特征. 3系统结构研究的内容：研究对某一水平必须透明的属性和必须透明的属性。 透明度可以简化此类的设计，但由于无法控制，可能会产生负面影响。 因此，有必要正确地进行透明性的权衡。 1.2.1计算机系统的结构、构成、实现的定义和内涵(1)计算机系统的结构，3 .计算机系统的结构也被称为计算机系统的架构，它是系统结构的一部分，是传统的机械级的系统结构。 在软件和硬件/固件接口中，机器语言、汇编语言编程人员或编译器设计人员看到的机器物理系统的抽象。 4计算机系统结构研究的内容：提供了一种计算机属性，通过软件、硬件之间的功能分配和传统机械级接口的确定，使机器语言、汇编语言的编程人员或编译器生成系统能够在机器上正确地执行设计或生成的程序。(1)硬件能直接识别处理的数据类型和格式等数据显示(2)最小能地址的单位、地址的种类、地址计算等地址方式(3)通用/专用寄存器的设定、数量、字长、使用规章等寄存器组织57348； (4)二进制或汇编程序级指令的操作类型、格式、排序方式、控制机构等指令系统，5 .计算机系统结构的属性：(5)存储器的最小地址单位、寻址方式、容量、最大可寻址空间等存储系统组织(6)分配(7)系统机器级的配管状态和用户状态的定义和切换(8)输入输出机器的连接、使用方式、流量、操作结束、错误指示等机器级I/O结构57348； (9)系统各部分的信息保护方式和保护机构等属性。1.计算机配置的定义：计算机配置(也称为计算机设计)是指计算机系统的逻辑实现。 包括设备内部的数据流和控制流的构成、逻辑设计等。 它着眼于设备内的各事件的排序方式和控制机构、各部件的功能、各部件间的连接。 2 .计算机结构的设计以期望的性能价格比，最佳合理地将各种设备和部件组成计算机，实现确定的计算机系统结构。 对传统的机械程序员来说，计算机结构的设计内容一般是透明的。 3 .计算机构成的任务是在确定计算机系统的结构被分配给硬件子系统的功能及其概念结构后，研究各构成部分的内部结构和相互关系，实现机器指令级的各种功能和特性。 (2)计算机的构成.(1)数据路径宽度：数据总线上上次并行传输的信息位数。 (2)专用部件的设置：是否设置除法运算、浮点运算、文字处理、地址运算等专用部件，设置的数量与设备到达的速度、价格、专用部件的使用频率等有关。 (3)各种操作的零件共享度：分时共享的使用度高，速度受到限制，但价格便宜。 由于设置零件经常会降低共享度，操作的并行度会提高，所以速度会提高，价格也会提高。 (4)功能部件的并行度：是串行还是重叠、流水或分散控制和处理？4、计算机的结构设计必须决定的方面(内容)、(5)控制机构的结构方式：是用硬链接还是微程序控制，是单体处理还是多机器还是功能分散处理。 (6)缓冲和队列技术：在部件之间设置多大容量的缓冲区，以随机、先进先出、先进后出、优先级或循环方式安排它们的速度差，以此来安排事件处理的顺序。 (7)估计、事先判定技术：为了优化性能，用什么原则预测将来的行动？ (8)可靠性技术：使用任何冗馀和容错技术提高可靠性。 4 .计算机结构设计应确定的方面(内容)，1 .定义：计算机结构的物理实现，处理器，主存储等部件的物理结构，设备的集成度和速度，设备，模块，卡，基板的划分和连接，专用设备的设计，微组件技术，信号2 .着眼于器件技术和微组件技术，其中器件技术在实现技术中发挥主导作用。 (3)计算机的实现.(1)关于指令系统：指令系统的决定属于计算机系统的构成。 指令的实现，例如取指令、解码指令操作码、计算操作数地址、取操作数、运算、发送结果等操作的安排和排序属于计算机结构。 实现这些指令功能的具体电路、器件的设计和安装技术由计算机实现。 (4)例：计算机系统的结构、构成和实现的差异。确定是否在命令系统中设置乘法命令的计算机系统配置。 乘法指令通过专用的高速乘法器实现，或者通过加法器和移位器经由一系列的定时信号控制相加和右移位，从而构成计算机结构。 乘法器、加法器移位器的物理实现，例如设备类型、集成速度、数量、价格、微组件技术的确定和选择属于计算机的实现。 特定指令，如用位、字节或字访问等的决定属于计算机系统构成。 为了满足性能价格的要求，主存储速度应该是多少，逻辑结构采用多体交叉是计算机结构。 主存储设备的选定、逻辑设计、微组件技术的使用由计算机实现。 主存储容量和地址方式，它们的结构相同，构成和实现不同。 设计哪个系列机器属于计算机系统结构，系列内不同型号的计算机组织属于计算机结构。 IBM370系列有115、125、135、145、158、168等从低速到高级的广泛机型。 IBM370系列有相同的机械指令和装配指令系统，指令的分析、执行按低速机顺序进行，高级机采用重叠、流水和其他并行处理方式。 关于系列机，对于图1-2IBM370系列的概念性构造，数据格式(即数据表示)都是相同的32位字长，固定点数都是半字长16位或全字长32位，浮动点数都是一字长32位，二字长64位属于计算机系统的构成。 数据路径宽度不同：由于速度、价格的要求不同，所以在结构和实现时，数据路径宽度(数据总线数)如图1-3(b )所示，可以分别采用8比特、16比特、32比特、64比特。 数据总线宽度对程序员是透明的，他不需要知道，是由计算机构成的。图1-3IBM370系列的字符长度、数字表示和数据路径宽度(a )统一的字符长度、浮点表示(b )不同的数据路径宽度以单总线结构已知，但实际上不属于计算机系统结构。 由计算机构成，为了满足不同的速度和价格的要求，不同机型的机器依然使用多条不同的总线。 这些都有相同的I/O连接和使用方法，将I/O设备的端口寄存器在逻辑上视为主存储的一部分，统一主存储和地址，通过访问这些主存储的指定单元，实现与指定的I/O设备的通信，对该设备的读写等计算机系统的结构，是程序设计者制作I/O程序时应该看到的。DEC以前发表的PDP-11系列虽然在计算机系统的结构、构成、实现三方面有所不同，但相互影响。 1 .同一结构(与指令系统相同)的计算机可以根据速度而采用不同的结构。 2 .一种配置有几种不同的实现方法。 主存储装置可以是双极型、MOS型的VLSI芯片，也可以是小规模的集成电路。 这取决于所要求的性能价格比和装置技术状况。 1.2.2计算机系统的结构、结构与实现的相互关系、3 .结构不同的话，可采用的结构技术就不同。 为实现目的：狼、狼、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡、卡MPYE、f、d、4 .相反，构成也影响结构，微程序控制是典型的例子。 5 .三者的具体内容因时期而异。 在一个系统中可以配置和实现结构内容，而在另一个系统中可以实现结构和实现。 6 .计算机的构成和实现的关系密切，可以称为计算机的实现。 计算机系统的逻辑实现和物理实现。 作业(1):p296，7，8， 1.3计算机系统硬件和软件的取舍，性能评价和定量设计原理，1.3.1软件和硬件的取舍的基本原则1 .确定软件和硬件功能的分配比率第一基本原则：是现有的硬件、设备(主要是逻辑设备和存储设备，图1-4计算机系统的硬件功能分配比率，(1)不同时期的硬件功能分配比率，设计费用：如果某个功能的硬件实现的设计费用是Ds和Dh，则Dh100Ds完全可能。 生产费用：假设这个功能是软件，硬件实现的每次重复生产费用为Ms和Mh，Mh100Ms也是可能的。 软件实现再设计费用： CDs .软件实现再生产费用： RMs。 具有相同功能的软件可能多次出现在存储介质上，每次都需要复印和存储费用。 (2)软件硬件功能分配的费用分析2卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡6软件实施的话，成为CDs/V RMs。 假定某计算机系统生产了v台：只能用Dh/V MhCDs/V RMs硬件实现，c和r的值大的情况下，这个不等式成立。 也就是说，该功能是经常使用的基本单元功能，适合于用硬件实现。 100ds/v 100ms CDs/vmms _ 111122222222200006 ds-104 ms也是完全可能的，106/V 1001的机械性能相对良好，Gm1的机械性能相对差。考虑到工作负载中各程序的出现比例的差异，可以对各程序的执行速率和执行时间进行加权。 例如，一个任务由四个程序构成，程序a的比例是10%，程序b的比例是30%，程序c的比例是40%，程序d的比例是20%，可以分别加上0.1、0.3、0.4、0.2的权重，权重i (1)加权算术平均值：(2)加权调和平均值： (3)加权几何平均值：喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓喀嚓地计算CPU的程序执行时间TCP