引言12 计算机体系结构的概念13 计算机体系结构的发展

计算机系统结构

第一章

计算机体条结构的基本概念

张晨曦刘依

同济大学软件学院

2007#-5月

计算机系统结构

wwwGotoSchoolnet第一章算机体系树的基本概念

引言

1.2算机体系构的概念

1.3算机体系构的展

14影响算机体系构的成本和价格因素

1.5定量分析技基

1.6算机体系相中并行性的展

2007算54同济大学软件学院2/111

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1.1引言

1.算机性能的高速增受益于：

_•路技的展

•体系构技的展

一2.体系构的重要性

二3.基于微理器的系

2007算5月同济大学软件学院Q二＞3/111

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1.2算机体系相的概念

1.2.1算机系中的次概念

1.算机系=件+硬件/固件

-2.算机言由低向高展

_高一言的句相于低言功能更

一强，更便于用，但又都以低言基°

二3.M算机言的角度，把算机系按功能划分成多

一次利。、

2007算5月同济大学软件学院Q二＞4/111

2007月5i\同济大学软件学院<□匚>5/111

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(1)虚机：由件的机器°

(2)言的两基本技

♦翻：先把N+1程序全部成N程序后，

再去行新生的N程序，在行程中

N+1

程序不再被°

♦解：每当一条N+1指令被后，就直接

二去行一串等效的N指令，然后再去

一岬个比翻花的多，但存空占用少。

条N+1的指令，依此重行°、

2007算5月同济大学软件学院Q二＞6/111

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1.2.2算机体系机

1.算机体系构的定：

程序所看到的算机的属性，即概念

性

构与功能特性°

2.按照算机系的多次相，不同程序

_所看到的算机具有不同的属性°

3.透明性

在算机技中，本来是存在的

事物或属性，但人人某角度看又好象不存在

，，i同济大学软件学院

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4.Amdahl提出的体系构：机器的体系相°

即一般所的机器言程序所看到的

机器所具有的属性°

5.于通用寄存器型机器，些属性主要是指：

一(1)数据表示

'(硬件能直接和理的数据型)

一(2)址

(包括最小址元、址方式及其表示)

.(3)寄存器定

(包括各寄存器的定、数量和使用方

2007算5月同济大学软件学院Q口＞8/111

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(4)指令集

(包括机器指令的操作型和格式、指令的

排

序和控制机构等)

(5)中断系

(中断的型和中断响硬件的功能等)

(6)机器工作状的定和切

(如管和目等)

(7)存系、

(主存容量、程序可用的最大存容量等)

2007算54同济大学软件学院9/1112

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(8)信息保

(包括信息保方式和硬件信息保的支持)

(9)I/O构

(包括I/O接方式、理机/存器与I/O

数据送的方式和格式以及I/O操作的状

等)

典算机体系构概念的：

算机系中硬件界面的确定，其界面

工之上的是件的功能，界面之下的是硬件和固件

的功能。

2007芹5月同济大学软件学院U10/1112

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1.2.3算机成和算机技

1.算机成：算机体系构的°

2.算机：算机成的物理°

—k体系相可以有多成°

一一成可以有多物理°

3.系列机

一(1)系列机

二在一个厂家内生的具有相同的体系

”构，但具有不同成和的一*系列不

同型号的机器°、

2007算54同济大学软件学院>11/111

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如：IBM370系列有

370/115、125、135、145、158、168等一

系列M低速到高速的各型号°

(2)IBMPC系列机

(理器、理器字、主要I/O、存空、

主要操作系和算机构)

11Hli11111Mt1al1a

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8088/80286CPU

PC/AT

存器I/O

(a)PC火T和PCAT

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(b)80386/80486PC

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(c)PentiumPCI/O

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控制器2-PCI

(d)PentiumIl/mPCI/O

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表1.1PC系列机典型特性比

算机理器字主要I/O存空主要操作系

PC和PCXT1981808816位PC20位DOS

PCAT19828028616位AT(ISA)24位DOS'XENIX

80386PC19858038632位ISA/EISA32位I)OS'Windows3.0

80486PC19898048632位ISA+VL32位DOS'Windows3.1

PentiumPC1993Pentium32位ISA+PCI32位：DOS'Windows3.1

PentiumIIPC1997PentiumII32位ISA+PCI+AGP32位Windows95

PentiumIIIPC1999PentiumIII32位PCI+AGP+USB32位Windows98、200C

Pentium4PC2000Pentium432MO-X+AGP+USB32位WindowsMe'XP

2007^5/1同济大学软件学院〈二二＞18/1112

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wwwGotoS1.2算机体系构的概念

4.件兼容：同一个件可以不加修改地运行于体

系相相同的各档机器，而且它所得的果

一，差只在于有不同的运行°

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♦向上（下）兼容：按某档机器制的程序，不加修

改的就能运行于比它高（低）档的机器°

♦向前（后）兼容：按某个期投入市的某型号

机器制的程序，不加修改地就能运行于在它之

前（后）投入市的机器°

向后兼容是件兼容的根本特征，也是系列机

的根本特征°

5.兼容机■

不同厂家生的具有相同体系构的算机

O

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1.3算机体系相的展

1.3.1存程序算机体系构及其展

-------A数据流-------A控制流

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wwwGotoSchoolnet1.3算机体系构的展

1.存程序算机的主要特点

(1)机器以运算器中心；

(2)采用存程序原理；

二(3)存器是按地址的、性址的空；

.(4)控制流由指令流生；

~(5)指令由操作和地址成；

(6)数据以二制表示，采用二制运算

2007算5同济大学软件学院U22/

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2.体系构行的改

(1)分布的I/O理能力

-以运算器中心来了慢

速入/

-出操作占用快速运算器的°

二了解决一，人提出了各

一人/出方式。一

2007算5月同济大学软件学院Q23/111

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程序等待

「程序控制

程序中断

成

入出方式＜DMA

周期挪用

通道

I/O理机

外理机

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(2)保的存器空

是否把指令和数据放在同一存器中？

八占、、•

•不必先区分指令和数据，易存管理件

*

•程序和指令在行程中可以被修改，因而可

以

写出灵活的可修改的程序；

二•于存取指令和数据需一套/写和址路，

一硬件；.

—•数据可以分配于任何可用空，人人而可更有效,‘

2007「地同济大学软件学院：25/111:

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缺点：

・不利于行程序断；

・不利于程序的可再入性和程序的用；

・不利于重叠和流水方式的操作°

-在大多数算机都定，在行程中不准修

改程序。

a

2007算54同济大学软件学院>26/111

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(3)存器机的展

•相存器和相理机

•通用寄存器

•高速冲存器和多存器相

一(4)并行理技

一如何挖掘机器中的并行性？

♦改CPU的成

二•重叠方式

•先行控制

___________——\J

2007芹5月同济大学软件学院U□>27/111*>

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•多操作部件

•流水方式

♦在体系构上某些算并行算。

一如向量算

♦多机并行理系

把一个作（程序）划分成能并行行的多个

二任

（程序段），把每个任分配一个理机行°

2007耳5月同济大学软件学院U28/1112

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(5)指令集构的展

♦指令集的功能

•指令集算机(CISC)

一•精指令集算机(RISC)

_♦指令的地址空和址方式

多灵活的址方式°

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1.3.2算机的分代和分型

1.算机到目前止已展了五代

五代算机分具有明的器件、体系

‘相技和件技的特征°

2.算机可以根据价格分五个档次：

巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机

20074-5同济大学软件学院U30/111

第一代子管和存程序算机机器言和普林斯

(1945-器、程序控制言ISAENIACIB

1954)I/OM701

第二代晶体管、磁浮点数据表示高言和Univac

(1955-芯、印刷、址技、中、批理控LARC、CDC1604

1964)路断、I/O理系、IBM7030

机

第三代SSI和流水多道程序和IBM360/370、CDC

(1965-MSI、多、Cache、分操作系6600/7600、DEC

1974)印刷路、先行理、系PDP-8

微程序歹IJ算机

第四代LSI和向量理、分并行与分布Cray-1IBM

(1974-VLSI、半布式存器理3090、DEC

1990)体存器VAX9000、Convax

-1

第五代高性能微超量超流大模、可SGICray

(1991-)理器、高密水、SMP、展并行与分T3EIBMSP2

度路MPMPP布理DEC

AlphaServer8400------

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算机体系构的展

wwwGotoSchoolnet1.3

3.算机系性能随“下移”

巨型机

-------->

、、、、大型机

警

、、、中型机

除

,、、小型机

虚等性能

'、、微型机

---------->

2007算54同济大学软件学院能力32/1112

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4.根据当前的算机用市的状和价格特征,

通常把算机分服器、桌面系和嵌入式

算三大域°

2007算54同济大学软件学院>33/111

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5.新型体系构的

(1)合理地增加算机系中硬件的功能比例，

体系构操作系、高言甚至

用件提供更多更好的支持；

(2)通多途径提高算机体系相中的并行

一性等，使得凡是能并行算和理的

-都能并行算和理，使体系相和

成算法提供更多更好的支持°,

2007算5月同济大学软件学院Q34/111

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1.3.3用需求的展

1.算机的受两方面因素的影响

算机在和未来的使用方法

•下的技

2.件技最重要的展

-(1)程序及数据所使用存器容量的不断增大

一(2)器的重要性日益突出，逐成用

与算机的主要界面二一,二

2007算5月同济大学软件学院Q35/111

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3.算机技和市分化成桌面算、服器

和嵌入式算三个部分，三个不同的域

用需求的特点算机系的影响巨大°

•桌面算市是售最大的市，是

L性能价格比要求最苛刻和敏感的市°

一一•服器市算机的要求是可用性、大

容量和可展性°

,•嵌入式算与解决的用密切相，

需求千差万°

20074-5同济大学软件学院U36/111

计算机系统结构

wwwGotoSchoolnet

表1.3桌面算、服器和嵌入式算三用

域的一些典型特性

嵌入式算（只考

特征桌面算服器

32位和64位）

系价格（美元）1000-1000010000-1000000010-100000

每心理器价格（美元）100-1000200-20000.2-200

2000年芯片售春11500000004000000300000000

（片）

随用域需求而

性能价格比可用性、可展性化，主要有：成本

指、功耗、，性等°

2007芹5月同济大学软件学院U37/111

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1.3.4算机技的展

1.代算机技的基核心是以晶体管

基本元的平面集成路

2.摩定律

一集成路密度大每两年翻一番°

二3.内存芯片和Intel微理器的展化

^一—一工

2007算5月同济大学软件学院Q38/111

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IG2G

100000(X)000♦存器（位）256M

lOOOOOOO(X)

■Intel理器（晶体管数）64M

100000000♦♦.Pentium4

4M■■Pentium111

10000000

256KPent

1000000■rFefemnt，iUummium11

64K80486EX

10000016K

4K.i8028680386EX

100001K8086

♦-8080

1(X)()4(X)48008

100

10

1

1965197019751980198519901995200020052010

1.7内存芯片密度和Intel微理器集成度的

展

2007算54同济大学软件学院39/111

计算机系统结构

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4.四技于当代算机的展着非

常的作用

•路

一•半体DRAM（随机存

器）

一•磁

二•网.

2007^5i\同济大学软件学院U40/111

计算机系统结构

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1.3.5技的挑和体系树的生命周期

1.算机系人的技挑

体系构、工具、制造工、件和

用等多个方面，甚至包括的°

2.集成路制造中的重要技指之一：

特征尺寸

2007算54同济大学软件学院>41/111

表1.4Intel公司部分微理器的部分工参数

集成度

牛早征尺寸基片面

型号布日期制造工m)(晶体管)工作率(mm2)

40041971PMOS102300108KHz13.5

80081972PMOS103500200kHz15.2

80801974NMOS660002MHz20.0

8086/80881978NMOS3290005MHz28.6

802861982CMOS1.51340006MHz68.7

80386DX1985CMOS1.527500016MHz104

80486DX1989CMOS1.0120000025/33MHz163

Pentium1993BiCMOS0.8310000060/66MHz264

PentiumPro1995BiCMOS0.355500000150MHz310

PentiumII1997CMOS0.357500000233MHz209

PentiumIII1999CMOS0.1828000000500MHz140

Pentium42000CMOS0.18420000001400MHz224

2007耳5月同济大学软件学院gC>42/111。

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wwwGotoSchoolnet1.3算机体系构的展

3.随着特征尺寸您小，挑首先是功耗°

原因：

(1)致集成路的相度增加，位

度阻抗也增大，更高的路工作主需

一要更大的流来平的翻和信号

化的；

一(2)路密度增加，致芯片位面功率

二(功率密度)上升；,

(3)集成路在寂小特征尺寸的同，也在

■V9

2007算5月同济大学软件学院Q43/111

计算机系统结构

wwwGotoSchoolnet1.3算机体系构的展

少路各的厚度，M而降低了工作

(4)随着特征尺寸的下降，晶体管各个极

之

的性能急下降，极之漏

流的日益突出；

_(5)由于代微理器中的部件成千上万，

而些部件并不都是同工作，就需

-要在中合理分配力使用，于不

一工作的部件感低工作性能或者停、

_工作，以减少系的功耗°____

2007^5i\同济大学软件学院Q44/111Q

计算机系统结构

wwwGotoSchoolnet1.3算机体系构的展

1000r...............................................

196019701980199020002010

1.8微理器中的工作流和漏流

2007年5i\同济大学软件学院45/111

计算机系统结构

wwwGotoSchoolnet1.3算机体系构的展

4.在上将面的：

微理器芯片正确性性成倍上升.

5.M角度看和队技角度看往往

是不同的

6.一个算机体系构，M生到消亡，大致

一需要15~2。年的°

2007算5月同济大学软件学院Q46/111

一■般展32位x86(IA-32)IA-64

1.9体系构的生命周期

2007耳5同济大学软件学院U->47/111

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wwwGotoSchoolnet第一章算机体系构的基本概念

1.4影响算机体系相的

成本和价格因素

1.4.1算机系的成本和价格

1.装一台高档配置PC的硬件各部件价格分布

看，价格化的是不下降的。

♦算机的价格是与成本密相的°

2007算54同济大学软件学院>48/1112

表1.5一台装PC及其各个部件的价格分布

配件型号价格(¥)价格中的比例

理器Pentium42.6CGHz140017%

主板(含基本I/O)微星865PE-Neo2-PFS98012%

存器Kingston256MDDR400（两条）6007%

硬三星SP80GB2MB冲6808%

示卡UnikaGeForceFX5900FXc128MBDDR169920%

示器MagvisionPR700M2139917%

TnMTDA48XCombo3905%

和鼠BenQ海湾+微IE4.04986%

音箱漫步者R301TII2603%

其他配件机箱、源、、CPU扇等4205%

A.

口・8326

2007耳5月同济大学软件学院U工＞49/111y

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www.GotoSchoolnet1.4影响算机体系构的成本和价格因素

2.价格与成本是不同的概念

商品的价(价格)由一些因素构成：

(1)原料成本

一件品中所有部件的采成本和

(2)直接成本

—与一件品生直接相的成本

(3)毛利.

主要包括：—

•公司的所用

2007算54同济大学软件学院50/111

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www.GotoSchoolnet1.4影响算机体系构的成本和价格因素

•市建立用

•售用

•生用

・房租

-•款利息

一•税后利和所得税

(4)平均售价格与折扣

2007算5月同济大学软件学院Q51/111

价

3.工作站的成本和价格

33.3%折扣

平均售

价格

50%毛利33.3%毛利

25%直接成本12.5%直接成本8.3%直接成本

100%原料成本75%原料成本37.5%原料成本25.1%原料成本

Q_1^增加-Q-增加o_增加,W

33.3%100%50%

工作站的成本和价格

4.PC的成本和价格

价

平均售25%折扣

价格

25%毛利19%毛利

13%直接成本10%直接成本

100%62%原料成本47%原料成本

增加增加孑

33%—33%

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wwwGotoSchoolnet1.4影响算机体系构的成本和价格因素

1.4.2因素

1.影响算机系成本的主要因素

(1)

(成本生最直接影响)

「即使技没有，算机系的制造

一成本也会不断下降°

(2)量

一♦量的增加会加速工的定；

♦量增加提高了生效率，降低了成二、

本；

2007芹5月同济大学软件学院U54/111

计算机系统结构

www.GotoSchoolnet1.4影响算机体系构的成本和价格因素

♦量增加降低每台机必加入的用,

人人而使得机成本下降°

(3)商品化

(更重要的是它影响品的价格)

2.价格随下降

♦存器价格化的学曲

♦2002年Intel的一些Pentium4理器零

售

价格化的学曲

2007算54同济大学软件学院>55/111

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wwwGotoSchoolnet1.4影响算机体系构的成本和价格因素

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