计算机体系结构金星第一章体系结构基本概念之一

1、computer architecture(计算机体系结构计算机体系结构)主讲人：主讲人： 金星金星 qq: 65149264tel :mail: 绪论：初识计算机系统结构目前世界上最快的计算机 神威太湖之光。 cpu采用国产众核芯片。 峰值性能达每秒12.5亿亿次。 问题一：性能如何取得？ 问题二：百度和淘宝是否用它？课程简介课程简介 本课程在计算机专业课程体系中的地位本课程在计算机专业课程体系中的地位 与其他课程的交叉与其他课程的交叉主要包括：主要包括：编译原理、计算机组成原理、编译原理、计算机组成原理、计算机操作系统、数据结构、微机原理、计算机操作系统、数据结构

2、、微机原理、高级语言等高级语言等新内容：新内容：超标量处理机、超流水线处理机超标量处理机、超流水线处理机、向量处理机、并行处理机、多处理机等、向量处理机、并行处理机、多处理机等交叉点内容：交叉点内容：提高，建立完整概念提高，建立完整概念系统结构与组成原理、微机原理的区别系统结构与组成原理、微机原理的区别系统结构系统结构 软硬件功能分配以及计算机硬件设计原理软硬件功能分配以及计算机硬件设计原理微机原理微机原理研究微处理器芯片、接口技术和应用编程方法研究微处理器芯片、接口技术和应用编程方法组成原理组成原理研究计算机基本部件的构成和组成方式，基本运算研究计算机基本部件的构成和组成方式，基本运算的操作

3、原理和单元的设计思想、操作方式及其实现的操作原理和单元的设计思想、操作方式及其实现学习目的建立计算机系统的完整概念建立计算机系统的完整概念学习计算机系统的分析和设计策略学习计算机系统的分析和设计策略掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理参考书籍参考书籍计算机系统结构教程张晨曦计算机系统结构教程张晨曦 等等计算机系统结构郑纬民计算机系统结构郑纬民 汤志忠汤志忠计算机体系结构：量化研究方法计算机体系结构：量化研究方法hennessy&peterson今天计算机系统结构的研究内容 进一步提高单个微处理器的性能进一步提高单个微处理器的性能 基于微处理器

4、的多处理器体系结构。基于微处理器的多处理器体系结构。 全面提高计算机的系统性能：全面提高计算机的系统性能： 可用性，可维护性，可缩放性。可用性，可维护性，可缩放性。 新型器件的处理器新型器件的处理器 光计算机光计算机 分子计算机分子计算机 dna计算机计算机第一讲第一讲 计算机体系结构的计算机体系结构的基本概念基本概念一、多级层次结构一、多级层次结构1. 计算机系统中的层次计算机系统中的层次(hierarchy)概念概念从使用语言的角度，按功能划分将计算机从使用语言的角度，按功能划分将计算机系统为六个机器级系统为六个机器级第第5级级:应用语言虚拟机应用语言虚拟机第第4级级:高级语言虚拟机高级语

5、言虚拟机第第3级级:汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机第第2级级:操作系统虚拟机操作系统虚拟机第第1级级:传统机器传统机器第第0级级:微程序机器微程序机器特定应用用户特定应用用户高级语言程序员高级语言程序员汇编语言程序员汇编语言程序员操作系统用户操作系统用户机器语言程序员机器语言程序员微指令程序员微指令程序员硬联逻辑级硬联逻辑级硬件设计员硬件设计员翻译翻译解释解释翻译翻译翻译翻译解释解释解释解释1 系统结构定义一系统结构定义一 计算机系统中软硬件界面计算机系统中软硬件界面不同层次的使用者不同层次的使用者看到的计算机的属性是不同看到的计算机的属性是不同的，我们选择哪个层面？的，我们选择哪个层面？软件软

6、件硬件硬件/固件固件计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功能上是同等的。能上是同等的。同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。件实现。不同的组成只是性能和价格不同。不同的组成只是性能和价格不同。第第5级级:应用语言虚拟机应用语言虚拟机第第4级级:高级语言虚拟机高级语言虚拟机第第3级级:汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机第第2级级:操作系统虚拟机操作系统虚拟机第第1级级:传统机器传统机器第第0级级:微程序机器微程序机器特定应用用户特定应用用户高级语言程序员高级语言程序员汇编语言程序员汇编语言程序员操作系统

7、用户操作系统用户机器语言程序员机器语言程序员微指令程序员微指令程序员硬联逻辑级硬联逻辑级硬件设计员硬件设计员翻译翻译解释解释翻译翻译翻译翻译解释解释解释解释透明性透明性 概念概念: :本来存在的事物或属性，从某种角度本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在。看似乎不存在。例如：浮点数表示、乘法指令例如：浮点数表示、乘法指令 对高级语言程序员、应用程序员对高级语言程序员、应用程序员 透明透明 对汇编语言程序员、机器语言程序员对汇编语言程序员、机器语言程序员 不透明不透明例如：数据总线宽度、微程序例如：数据总线宽度、微程序 对汇编语言程序员、机器语言程序员对汇编语言程序员、机器语言程序员 透明

8、透明 对硬件设计者、计算机维修人员对硬件设计者、计算机维修人员 不透明不透明1964年年amdahl提出的体系结构是指一般所说提出的体系结构是指一般所说的机器语言程序员所看到的传统机器级所具的机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性有的属性本书中的定义：机器语言程序设计者、汇编本书中的定义：机器语言程序设计者、汇编语言程序设计者、编译程序的设计者看到的语言程序设计者、编译程序的设计者看到的计算机系统所具有的属性，即他们看到的计计算机系统所具有的属性，即他们看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。算机系统的概念性结构和功能特性。系统结构定义二举例：ibm370系列概念性的结构概念性的结构 主

9、主存存储储器器 主主存存控控制制器器 打印机 磁盘机 卡片机 磁带机 终 端 http:/ 功能特性功能特性指令系统、数据表示、寻址指令系统、数据表示、寻址方式、寄存器集、中断机构、存贮器系统方式、寄存器集、中断机构、存贮器系统、结构、处理机工作状态、信息保护、结构、处理机工作状态、信息保护 界面设计界面设计确定硬件功能。确定硬件功能。 性能成本评价性能成本评价运算速度、存储容量、运算速度、存储容量、i/oi/o带宽带宽 新型系统结构设计新型系统结构设计并行性、数据流、并行性、数据流、推理机、神经网络推理机、神经网络计算机的组成与实现（1） 计算机组成计算机组成计算机系统结构的逻辑实现计算机系

10、统结构的逻辑实现 主要内容主要内容数据通路宽度的确定、各种操作对功能部数据通路宽度的确定、各种操作对功能部件的共享程度的确定、专用功能部件的确件的共享程度的确定、专用功能部件的确定、功能部件的并行性确定、缓冲器和排定、功能部件的并行性确定、缓冲器和排队的确定、控制机构的设计、可靠性技术队的确定、控制机构的设计、可靠性技术的确定等。的确定等。 计算机的组成与实现（计算机的组成与实现（2） 计算机实现计算机实现 计算机组成的物理实现计算机组成的物理实现 主要内容主要内容它包括处理机、主存等部件的物理结它包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，信号传输，构，器件的集成度和速度，信号传输

11、，器件、模块、插件、底板的划分与连器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术以及有关的制造技术和工装配等技术以及有关的制造技术和工艺等。艺等。 计算机组成与实现总结（概述）计算机系统结构计算机系统结构确定硬件的功能（了解用户需求的总工程师）确定硬件的功能（了解用户需求的总工程师）数据表示需要怎样的精度？数据表示需要怎样的精度？计算机组成计算机组成 对系统结构的逻辑实现（系统工程师）对系统结构的逻辑实现（系统工程师） 用专门的乘法器还是加法器和移位器实现？用专门的乘法器还是加法器和移位器实现？ 计算机的实现计算机的实现 计算机组成的

12、物理实现（硬件工程师）计算机组成的物理实现（硬件工程师） 用什么类型的器件？用什么类型的器件？系统结构、组成和实现的关系具体内容随不同的机器而变化，例如具体内容随不同的机器而变化，例如cache系统结构相同的计算机其组成可能不同，系系统结构相同的计算机其组成可能不同，系统结构不要限制组成技术统结构不要限制组成技术 例如：例如：ibm36051，与，与ibm360/91具有相同具有相同的系统结构的系统结构,但组成和实现却相差很大。两者的但组成和实现却相差很大。两者的性能相差性能相差500倍。倍。 组成相同的计算机，可以采用多种不同的计组成相同的计算机，可以采用多种不同的计算机实现算机实现 不同的

13、系统结构会使采用的组成技术有所差不同的系统结构会使采用的组成技术有所差异。异。因系统结构不同而使组成技术有所差异的实例因系统结构不同而使组成技术有所差异的实例l计算计算a:=bc面向寄存器型的计算机面向寄存器型的计算机 面向存储器型的计算机面向存储器型的计算机load r1, b add b, c, aadd r1, cstore r1, a系统结构的定义三系统结构的定义三 总结总结：计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，但随着技术、器件和应用的发三个不同的概念，但随着技术、器件和应用的发展，三者之间的界限越来越模糊。展，三者之间的界限

14、越来越模糊。广义的定义：广义的定义：计算机系统结构计算机系统结构包括狭义的包括狭义的计计算机系统结构算机系统结构以及以及计算机组成计算机组成、计算机实现计算机实现广义：计算机系统结构二级学科 下设三级学科下设三级学科: 520.3010 计算机系统设计计算机系统设计 520.3020 并行处理并行处理 520.3030 分布式处理系统分布式处理系统 520.3040 计算机网络计算机网络 520.3050 计算机运行测试与性能评价计算机运行测试与性能评价 520.3099 计算机系统结构其他学科计算机系统结构其他学科 当前软件成本由于其复杂性和长度的增加当前软件成本由于其复杂性和长度的增加而不

15、断增长，硬件成本则由于科技的发展而不断增长，硬件成本则由于科技的发展尤其是的发展而快速下降。尤其是的发展而快速下降。 计算机系统的成本主要包括以下两部分：计算机系统的成本主要包括以下两部分：（）一次性开发成本；（）一次性开发成本；（）每个部件的生产成本。（）每个部件的生产成本。 对于软件来说，其成本主要是指开发成本对于软件来说，其成本主要是指开发成本，软件的生产成本即复制费是很低的。，软件的生产成本即复制费是很低的。 对于硬件，其成本既包括一次性开发成本对于硬件，其成本既包括一次性开发成本，又包括生产成本，硬件的生产成本是远，又包括生产成本，硬件的生产成本是远远高于软件的。远高于软件的。二、软

16、硬件取舍二、软硬件取舍用软件或硬件实现功能的优点和缺点用软件或硬件实现功能的优点和缺点:从速度、所需要的存储空间、硬件成本、硬从速度、所需要的存储空间、硬件成本、硬件利用率、系统的灵活性与适应性这些方件利用率、系统的灵活性与适应性这些方面来比较面来比较发展不可编程目前计算机最少硬件软件硬件软硬件比例七十年代七十年代硬件硬件软件软件成本成本年代年代硬件硬件 软件软件速度速度快快慢慢需存储空间需存储空间 小小大大硬件利用率硬件利用率低低高高硬件成本硬件成本大大小小系统的灵活性系统的灵活性差差好好适应性适应性差差好好2. 软硬件取舍的三个基本原则(1) 系统性价比高系统性价比高在某功能的使用率比较高

17、并且该机型的产量较在某功能的使用率比较高并且该机型的产量较大的情况下，可考虑用硬件实现大的情况下，可考虑用硬件实现. (2)在硬件上，考虑可能采用的组成与实现技术在硬件上，考虑可能采用的组成与实现技术(3)在软件上，考虑如何方便编译和操作系统的在软件上，考虑如何方便编译和操作系统的实现即缩小高级语言与机器语言的语义差距实现即缩小高级语言与机器语言的语义差距系统结构对语义的影响系统结构对语义的影响高级语言：高级语言： a:=bc汇编语言：汇编语言：面向寄存器型的计算机面向寄存器型的计算机 面向存储器型的计算机面向存储器型的计算机load r1, b add b, c, aadd r1, csto

18、re r1, a语义差距小，减轻编译的负担，软件运行快，语义差距小，减轻编译的负担，软件运行快，也就是解题速度快也就是解题速度快三、计算机系统的设计思路三、计算机系统的设计思路 由上往下由上往下 由下往上由下往上 由中间到两边由中间到两边1 由由上上往往下下第第5级级:应用语言虚拟机应用语言虚拟机第第4级级:高级语言虚拟机高级语言虚拟机第第3级级:汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机第第2级级:操作系统虚拟机操作系统虚拟机第第1级级:传统机器传统机器第第0级级:微程序机器微程序机器硬联逻辑级硬联逻辑级由上往下由上往下 基本思想基本思想:从应用出发，软件决定硬件从应用出发，软件决定硬件 优点优点:面向应

19、用，适用于专用机，面向应用，适用于专用机， 每一层对每一层对上一层优化，软件的运行效率高上一层优化，软件的运行效率高 缺点缺点:不适用于通用机，导致硬件设计不灵不适用于通用机，导致硬件设计不灵活，适应性差活，适应性差第第5级级:应用语言虚拟机应用语言虚拟机第第4级级:高级语言虚拟机高级语言虚拟机第第3级级:汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机第第2级级:操作系统虚拟机操作系统虚拟机第第1级级:传统机器传统机器第第0级级:微程序机器微程序机器硬联逻辑级硬联逻辑级2 由由下下往往上上 基本思想基本思想: 硬件决定软件硬件决定软件 缺点缺点:在固定硬件的备件下，软件设计被动在固定硬件的备件下，软件设计被动且

20、受限制，没考虑软件优化，导致软硬件且受限制，没考虑软件优化，导致软硬件脱节。脱节。第第5级级:应用语言虚拟机应用语言虚拟机第第4级级:高级语言虚拟机高级语言虚拟机第第3级级:汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机第第2级级:操作系统虚拟机操作系统虚拟机第第1级级:传统机器传统机器第第0级级:微程序机器微程序机器硬联逻辑级硬联逻辑级3 由由中中间间到到两两边边由中间到两边由中间到两边 基本思想基本思想:先决定软硬件界面即系统结构，先决定软硬件界面即系统结构，再由结构设计出软件与硬件再由结构设计出软件与硬件 优点优点:兼顾软件与硬件，软件与硬件可以并兼顾软件与硬件，软件与硬件可以并行设计，设计过程中相互交流

21、行设计，设计过程中相互交流一、存储程序体系结构一、存储程序体系结构(1) 机器以运算器为中心。机器以运算器为中心。(2) 采用存储程序原理采用存储程序原理(3) 存储器是按地址访问的、线性编址的空间。存储器是按地址访问的、线性编址的空间。(4) 控制流由指令流产生。控制流由指令流产生。(5) 指令由操作码和地址码组成。指令由操作码和地址码组成。(6) 数据以二进制编码表示，采用二进制运算。数据以二进制编码表示，采用二进制运算。输入设备输入设备 运算器运算器输出设备输出设备 主存主存 控制器控制器早期冯早期冯诺依曼型机器诺依曼型机器的组成框图的组成框图存储程序体系结构的改进存储程序体系结构的改进

22、改进后的冯改进后的冯诺依曼计算机使其从原来诺依曼计算机使其从原来的以运算器为中心演变为的以运算器为中心演变为以存储器为中心以存储器为中心。 从体统结构上讲，主要是通过各种从体统结构上讲，主要是通过各种并并行处理手段行处理手段提高计算机系统性能。提高计算机系统性能。 二、软件对系统结构的影响软件的兼容性或可移植性软件的兼容性或可移植性 软件可不经修改或只需少量修改便可由一台机器搬软件可不经修改或只需少量修改便可由一台机器搬到另一台机器上运行，即软件可应用于不同的系统环到另一台机器上运行，即软件可应用于不同的系统环境。境。如何解决软件的如何解决软件的可移植性呢可移植性呢?可能的解决方案：可能的解决

23、方案：方案一：所有的计算机都能使用某一种通用方案一：所有的计算机都能使用某一种通用的高级语言；的高级语言；方案二：统一机器语言方案二：统一机器语言方案三：为新设计的计算机配上相应的软件方案三：为新设计的计算机配上相应的软件或硬件后，能够使用原来的软件；或硬件后，能够使用原来的软件；因此：根据不同要求，可采用三种方法解决因此：根据不同要求，可采用三种方法解决兼容性问题！兼容性问题！1统一高级语言统一高级语言(1) 基本思想：设计一种完全通用的高级语言基本思想：设计一种完全通用的高级语言(2) 适用范围：结构相同或完全不同的机器适用范围：结构相同或完全不同的机器(3) 存在问题：存在问题： 目前不

24、能出现统一的高级语言的原因目前不能出现统一的高级语言的原因 a、不同的用途要求语言要有不同的语法结构和、不同的用途要求语言要有不同的语法结构和语义结构；语义结构； b、人们对语法的基本结构看法不一；、人们对语法的基本结构看法不一； c、同一种高级语言在各个不同厂家的机器上也、同一种高级语言在各个不同厂家的机器上也不能完全通用。不能完全通用。 d、习惯势力的影响，人们总喜欢使用自己熟悉、习惯势力的影响，人们总喜欢使用自己熟悉的语言。的语言。2 系列机系列机(1)基本思想：统一机器语言基本思想：统一机器语言先确定好一种系统结构先确定好一种系统结构(指令系统、数据表示指令系统、数据表示、概念性结构、

25、概念性结构)，再按从中间到两边的思想进行软，再按从中间到两边的思想进行软件与硬件的设计。件与硬件的设计。(2)系列机：系列机：一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同的组成和实现的一系列不同型号的机器。具有不同的组成和实现的一系列不同型号的机器。 例如例如intel 的的80x86微机系列及其兼容机微机系列及其兼容机 系列机在使用者看来具有相同的属性，差别系列机在使用者看来具有相同的属性，差别仅在于程序的执行时间。仅在于程序的执行时间。(3) 几个概念：几个概念：向上（下）兼容：按某档机器编写的程序，不向上（下）兼容：按某档机器编写的程序，不经修改就

26、能运行于比它高（低）档的机器；经修改就能运行于比它高（低）档的机器；向前（后）兼容：按某个时期投向市场的某种向前（后）兼容：按某个时期投向市场的某种型号的机器编写的软件，不经修改就能运行于型号的机器编写的软件，不经修改就能运行于在它之前（后）投入市场的机器。在它之前（后）投入市场的机器。兼容机：不同厂商生产的具有相同系统结构的兼容机：不同厂商生产的具有相同系统结构的计算机。计算机。(4) 适用范围：同一系列结构相同的机器适用范围：同一系列结构相同的机器(4) 存在问题：限制了系统结构的发展存在问题：限制了系统结构的发展3模拟与仿真模拟与仿真具有不同体系结构的计算机之间的软件兼容性具有不同体系结

27、构的计算机之间的软件兼容性(1) 模拟模拟(simulation)基本思想：用一种机器（宿主机）的机器语言解基本思想：用一种机器（宿主机）的机器语言解释另一种机器（虚拟机）机器指令释另一种机器（虚拟机）机器指令 (2) 仿真仿真(emulation)基本思想：用一种机器（宿主机）的微程序解释基本思想：用一种机器（宿主机）的微程序解释另一种机器（目标机）指令系统另一种机器（目标机）指令系统两种方法优缺点比较两种方法优缺点比较模拟用软件实现，仿真用软件、固件与硬件实模拟用软件实现，仿真用软件、固件与硬件实现现模拟方法速度低，仿真方法速度高模拟方法速度低，仿真方法速度高 模拟方法模拟方法适用范围：结构可以不同，但相差太适用范围：结构可以不同，但相差太大时，效率和速度就会下降大时，效率和速度就会下降仿真方法仿真方法适用范围：只能在差别不大的系统之适用范围：只能在差别不大的系统之间间二、应用与系统结构的实现二、应用与系统结构的实现 应用领域：应用领域： 科学计算科学计算 信息处理信息处理 知识和智能处理知识和智能处理体系结构的发展历程体系结构的发展历程 在在80年代以前，主要以科学计算为