计算机体系结构完整讲义

09四月20261第1章计算机系统设计基础第2章数据表示与指令系统性能分析第3章流水技术和向量处理第4章阵列计算机第5章多处理机系统第6章数据流计算机09四月20262第1章计算机系统设计基础1.1计算机系统的基本概念1.2计算机系统的设计技术1.3计算机系统的性能评价1.4计算机系统结构的发展09四月20263本章学习要求了解计算机系统的多级层次结构掌握系统结构、组成和实现的定义及属性，会透明性分析掌握计算机系统的设计原理、性能计算掌握计算机系统的分类，特别是Flynn分类了解软件对计算机系统结构发展的影响09四月202641.1计算机系统的基本概念机器：能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的执行体计算机语言：是用以描述控制流程的、有一定规则的字符集合语言不是专属软件范畴，可以介属于计算机系统的各个层次，具有不同作用

从使用语言的角度上，将计算机系统看成按功能划分的多级层次结构机器、汇编、高级、应用语言低级高级后者比前者功能更强、使用更方便；而前者是后者发展的基础，在单条指令的执行速度相比较，前者更快。1.1.1计算机系统的多级层次结构09四月20266计算机系统的多级层次结构图微程序/硬联直接由硬件执行解释部分解释（操作系统）翻译（汇编程序）翻译（编译程序）翻译（应用程序包）应用语言级L5虚拟机高级语言机器L4虚拟机汇编语言机器L3虚拟机应用软件固件系统软件传统机器级操作系统机器软硬件交界面L2虚拟机物理机器硬件软件09四月20267多级层次结构（机器—语言）M5:应用语言机器------应用语言（L5）M4:高级语言机器------高级语言（L4）M3:汇编语言机器------汇编语言（L3）M2:操作系统机器------作业控制语言（L2）M1:传统机器------------机器语言（L1）M0:微程序机器---------微程序语言（L0）09四月20268从设计人员看到的层次应用程序级用户高级语言级高级语言程序员汇编语言级汇编语言程序员操作系统级操作员机器语言级机器语言程序员微程序控制级逻辑程序员硬联逻辑级硬件设计员翻译(Translation)：先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成低一级机器级上可运行的等效程序（中间程序），然后再在低一级机器级上去实现的技术。例：英语翻译计算机系统中的翻译功能常由应用程序包、编译程序、汇编程序等软件完成。解释（Interpretation）：在低一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高一级机器上的一条语句或指令的功能，通过对高一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术解释过程中不生成中间程序（节省了存储空间）或者：一条N+1级指令--〉一串N级指令例：解释一件事翻译和解释是语言实现的两种基本技术。解释比翻译费时，但节省存储空间翻译为整体行为，可以优化，效率高，与平台有关解释为局部行为，不优化，效率低，与平台无关翻译+解释：Java09四月202612控制流程的三种实现方法全硬件、软硬件结合、全软件逻辑上等价，物理意义上不等价硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多发展趋势硬件实现的比例越来越高硬件所占的成本越来越低09四月202613计算机系统的软硬件成本变化成本年代软件硬件70年代从概念和功能上将计算机系统看成多级层次结构的优点：1.理解软件、硬件、固件的地位和作用2.理解各种语言的实质和实现途径3.探索虚拟机新的实现方法和新的系统设计由硬件固件实现——高级语言机器多处理机系统——由真正微处理机实现4.理解计算机体系结构的定义5.在一台真正的宿主机上通过模拟或仿真另一台不同的假想机器——自虚拟技术

09四月2026151.1.2系统结构、组成与实现定义与理解三者的相互关系09四月202616计算机系统结构的定义

SystemArchitecture是对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下的功能进行分配1964年，IBM/360系列机的总设计工程师G.M.Amdahl、G.A.Blauw、F.P.Brooks等人提出。也称体系结构。是从程序员的角度所看到的系统的属性，是概念上的结构和功能上的行为它不同于数据流程和控制的组织，不同于逻辑设计以及物理实现方法09四月202617定义的理解从两个角度理解一是计算机系统结构既然是“从程序员的角度所看到的系统的属性”，那么每一级“机器”都有一个系统结构，而且它们相互不同二是将计算机的系统结构定义在传统机器界面（M1）程序员所看到的计算机的基本属性09四月202618计算机系统结构的基本属性一般应包括以下几个方面指令系统、数据表示、操作数的寻址方式寄存器的构成定义、中断机构和例外条件存储体系和管理、I/O结构机器工作状态定义和切换、信息保护在所有系统结构的特性中，指令系统的外特性是最关键的09四月202619计算机组成

ComputerOrganization研究硬件系统各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性，目标是用最合理地方式将各种设备和部件连接为计算机，以达到最优的性价比，从而实现所确定的系统结构。它是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。09四月202620计算机组成的基本属性数据通路宽度各种操作功能部件的共享程度专用部件的设置功能部件的并行性缓冲和排队技术控制机构的组成方式预测技术可靠性技术09四月202621计算机实现

ComputerImplementation

研究各部件的物理结构、机器的制造技术和工艺等，它着眼于器件技术和微组装技术主存的物理实现，如存储器采用什么样器件，逻辑电路设计和微组装技术均属计算机实现它是计算机组成的物理实现09四月202622定义理解举例主存系统主存容量与编址方式的确定-----------系统结构主存速度的确定、逻辑结构的模式---组成器件的选定、电路的设计、组装技术---实现指令系统指令系统的确定--------系统结构指令的实现--------------组成具体电路、器件设计及装配技术---实现09四月202623系统结构、组成和实现相互关系*具有相同系统结构的计算机可以采用不同的组成，一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现（系列机与兼容机）*采用不同的系统结构会使可以采用的组成技术产生差异，计算机组成也会影响系统结构09四月202624是否设置乘方/开方指令逻辑设计1（硬联电路）实现方案1(V1,$1,T1)逻辑设计3微程序逻辑设计2（ROM查表）实现方案2(V2,$2,T2)实现方案3(V3,$3,T3)相同系统结构的计算机可以采用不同的组成相同计算机组成可以采用多种不同的计算机实现计算机系统结构计算机组成计算机实现是否09四月202625举例：不同系统结构对软件的影响A:=B+CD:=E*F面向三地址寻址：

ADDB,C,AMPYE,F,D面向寄存器：

LOADR1,BADDR1,CSTORER1,ALOADR2,EMPYR2,FSTORER2,D09四月202626透明性Transparency本来存在的事物或属性，从某个角度去看却看不到。在一个计算机系统中，低层机器的属性往往对高层机器的程序员是透明的。计算机组成设计的内容，对传统机器程序员来讲一般是透明的。09四月202627举例1

在多级层次结构的计算机系统中，传统机器级的概念性结构和功能特性，对高级语言的程序员来说是透明的，而对汇编语言的程序员来说不是透明的。这说明高级语言的程序员不必知道机器的指令系统、中断机构等，这些本来存在的属性，对高级语言的程序员来说好像不存在一样，所以说是透明的。对计算机系统结构来说，存储器采用交叉存取还是并行存取、CPU内部的数据通路的宽度是8位还是16位，这些都是透明的，而对计算机组成来说这些不是透明的。09四月202628举例2

指令执行采用串行、重叠还是流水控制方式，对系统结构来说是透明的，但对计算机组成来说不是透明的。乘法指令采用专用乘法器实现，对系统结构来说是透明的，而对计算机组成来说不是透明的存储器采用哪种芯片，对计算机系统结构和组成来说是透明的，而对计算机实现来说不是透明的。09四月2026291.1.3计算机系统的分类采用的基本器件分类计算机系统成本分类1966年MichaelJ.Flynn分类1978年DavidJ.Kuck分类1972年冯泽云分类09四月202630一按采用的基本器件分类计算机的更新换代第一代：电子管计算机第二代：晶体管计算机第三代：中小规模集成电路第四代：大或超大规模集成电路第五代：VLSI(甚大规模集成电路)计算机性能的大幅度提高和更新换代，一方面依靠器件的不断更新，同时也依赖系统结构的不断改进。硬件设计公理：越小越快09四月202631二按计算机系统成本分类巨型计算机、超级计算机：SuperComputer大型计算机：MainComputer中型计算机：MidComputer小型计算机：MiniComputer微型计算机：MicroComputer工作站：Workstation介于小型机和微型机之间，具有小型机的性能，微型机的价格09四月202632MichaelJ.Flynn

（弗林）分类法按照指令流和数据流的多倍性进行分类1.基本概念指令流(instructionstream)：机器执行的指令序列数据流(datastream)：由指令流调用的数据序列多倍性(multiplicity)：在系统瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数多指令流多数据流MIMD(MultipleInstructionstreamMultipleDatastream)（多计算机系统）2.分类单指令流单数据流SISD(SingleInstructionstreamSingleDatastream)(传统计算机，如IA结构的PC机)单指令流多数据流SIMD(SingleInstructionstreamMultipleDatastream)(阵列计算机，如ILLIACⅣ机

)多指令流单数据流MISD(MultipleInstructionstreamSingleDatastream)（较先进的流水线处理机，如VLIW机）09四月202634四DavidJ.Kuck分类

库克分类：指令流、执行流、多倍性单指令流单执行流SISE单指令流多执行流SIME多指令流单执行流MISE多指令流多执行流MIME09四月202635五1972年冯泽云分类用最大并行度Pm分类最大并行度Pm:在单位时间内能够处理的最大的二进制位数09四月202636

横坐标代表字宽(n位)，即在一个字中同时处理的二进制位数纵坐标代表位片宽度(m位)，即在一个位片中能同时处理的字数

字宽n位片宽m。。n=1,m=1,字串位串(WSBS)如串行计算机。n>1,m=1,字并位串(WPBS)如传统计算机。。1163264116326425628816384。。。。。n>1,m>1,字并位并(WPBP)如阵列计算机。n=1,m>1,字串位并(WSBP)如STARAN等机。MPPSTARANPDP-11IBM360TI-ASCILLIACPEPECmmp。09四月2026371.2计算机系统的设计技术1.2.1计算机系统的设计原理---加快经常性事件的速度---Amdahl定律---程序访问的局部性规律1.2.2计算机系统的设计方法---软硬件舍取的基本原则---计算机系统设计者的主要任务---计算机系统设计的基本方法（三种）09四月2026381.2.1计算机系统的设计原理加快经常性事件的速度Amdahl定律程序访问的局部性规律Amdahl/case准则成功转移法则Cache法则09四月2026391.加快经常性事件的速度这是计算机设计中最重要也最广泛采用的设计准则。使经常性事件的处理速度加快能明显提高整个系统的性能在当今的微处理机实现技术中，经常发生的事件由硬件完成，而不经常发生的事件交由软件完成。09四月2026402.Amdahl定律系统对某一部件采用某种更快执行方式所能获得的系统性能改进程度，取决于这种执行方式被使用的频率，或所占总执行时间的比例。IBM大型计算机之父09四月202641Amdahl定律（理解）CPU硬件系统ALU占系统运行时间的30%编译软件系统公共子程序30%被加（提）速部件要优化改进的软件09四月202642Amdahl定律表达式表示被改进部分在改进前占系统的比例表示被改进部分的加速比09四月202643Amdahl表达式的解释改进后的执行总时间=不可改进部分的执行时间+不可改进部分的比例可改进部分的执行时间09四月202644Amdahl举例假设将某系统的某一部件的处理速度加快到10倍，但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？解：由题意可知fe=0.4,re=10,根据Amdahl定律09四月202645思考题

采用哪种实现技术来求浮点数平方根FPSQR的操作对系统的性能影响较大。假若FPSQR操作占整个测试程序执行时间的20%。一种实现方法是采用FPSQR硬件，使FPSQR操作的速度加快到10倍。另一种实现方法是使所有的浮点数据指令的速度加快，使之加快到2倍，还假设FP指令占整个执行时间的50%。09四月2026463.程序访问的局部性规律程序访问局部性主要反映在时间和空间局部性两个方面时间局部性是指程序中近期被访的信息项很可能马上将被再次访问；空间局部性是指那些在访问地址上相邻近的信息项很可能会被一起访问这是构成存储体系（存储层次）的主要规律

09四月2026474、Amdahl/case准则一个平衡的计算机系统，其CPU每1MIPS的速度应有1MB的主存容量和1Mb/s的I/O吞吐率。这一准则为设计平衡的计算机系统的提出了三者之间的参考指标。由于是统计结果，具体应用还需要适当调整。09四月2026485、成功转移法则对于转移指令：向后转移指令有90%的成功率；对于向前转移指令有20%的成功率。这一转移法则为预测处理提供了参考信息。09四月2026496、Cache法则容量为C的直接映像Cache的失效率与容量为C/2的二路组相联Cache的失效率大致相等。这一法则指出在相同命中率条件下控制复杂性的增加可以换取Cache容量的减小。1.软硬取舍的基本原则原则一：在现有器件和技术条件下，系统要有高的性能价格比原则二：不应对组成和实现技术有过多的限制原则三：对软件提供更多更好的支持（OS、编译、高级语言）

1.2.2

计算机系统的设计方法09四月2026512.计算机系统设计的主要任务要满足用户对功能上的要求以及相应的对价格和性能要求

在满足功能要求基础上，进行设计的优化

设计应能适应日后发展趋势

09四月202652计算机发展的基本趋势

一个芯片上的晶体管数大约每年增加25％，因此每三年可增加一倍；

器件的开关速度增长基本类似DRAM的密度每年增长约60％，因此每三年将增长三倍；

访问存储器周期改进相应较慢，每十年约减少1／3；硬盘密度每年增加25％，每三年增加一倍，访问时间则每十年减少1／3。09四月202653计算机系统设计的主要方法方法一：“由上往下”设计：

先考虑如何满足应用要求，确定好面对使用者那级机器应有什么基本功能和特性，如基本命令、指令或语言结构、数据类型和格式等，然后再逐级往下设计，每级都考虑怎样优化上一级实现。方法特征：它适合于专用机设计，不适合于通用机设计。

09四月202654方法二：由下往上设计

不管应用要求，只根据能拿到的器件参照或吸收已有各种机器的特点，先设计出微程序机器级(如果采用微程序控制)及传统机器级，然后再为不同应用配多种操作系统和编译系统软件。方法特征：设计周期长。当一种结构的机器完成以后，硬件技术又已发展了一大步。20世纪60—70年代前常用此方法。09四月202655方法三：由中间开始设计

先进行合理的软、硬件功能分配，既要考虑能拿到的硬、器件，又要考虑可能的应用所需的算法和数据结构，先定义好这个交界面。确定哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现，同时还要考虑好硬件对操作系统、编译系统的实现提供些什么支持。然后由这个中间点分别往上、往下进行软件和硬件的设计。“中间”指传统机器级界面。方法特征：设计周期短，软硬件结合。

09四月202656提高微处理器性能方法1、提高主频。提高主频可使系统中的各个部件受益，是提高系统性能最直接的方法。2、多线程。可隐藏访存延迟，是提高系统吞吐率的有效办法。3、2Bump技术。时钟信号的上升、下降沿均控制信息的发送和接收，此技术既可用于逻辑电路也可用于总线。09四月2026574、提高IPC技术。即为先进的流水技术。5、合理分配软、硬件功能。6、优化片内Cache。将二、三级Cache尽量放在处理器内部。7、加大通用寄存器数量。8、乱序发送/乱序完成的指令调度技术。9、预取技术。10、分支预测技术。09四月2026581.3计算机系统的性能评价CPU性能公式（CPU工作时间）MIPS和MFLOPS

基准测试程序

性能评价结果的统计和比较

09四月2026591.3.1CPU性能公式一个程序在CPU上运行所需的时间：其中，09四月202660思考题

如果FP操作的比例为25%，平均CPI=4，其它指令的CPI=1.33，FPSQR操作的比例为2%，CPI=20。假若有两种设计方案，分别将FP操作和FPSQR操作的CPI都减为2。试比较这两个方案哪个更好？09四月2026611.3.2MIPS和MFLOPSMIPS每秒（可执行）百万条指令MFLOPS每秒（可执行）百万条浮点指令09四月202662举例

例1

用一台4OMHz处理机执行标准测试程序，它含的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下：指令类型指令条数时钟周期数整数运算450001

数据传送320002

浮点运算

150002

控制转移

80002求有效CPI、MIPS速率和程序的执行时间。09四月202663

解：依题意可知IN=105条，n=4，09四月202664

例2

某工作站采用时钟频率为15MHz、处理速率为10MIPS的处理机来执行一个巳知混合程序。假定每次存储器存取为1周期延迟、试问：

(1)

此计算机的有效CPI是多少?

(2)假定将处理机的时钟提高到30MHz，但存储器子系统速率不变。这样，每次存储器存取需要两个时钟周期。如果30％指令每条只需要一次存储存取，而另外5％每条需要两次存储存取，还假定已知混合程序的指令数不变，并与原工作站兼容，试求改进后的处理机性能。解(1)09四月202665(2)依题意可知：30%的指令需要一次存储存取，则这些指令在处理器提高时钟频率之后需要增加1个时钟周期；另外5%的指令需要增加2个时钟周期。

改进后性能提高情况可用CPU时间之比表示：

09四月2026661.3.3基准测试程序用于评价计算机系统性能的基准测试程序(Benchmark)

。采用实际应用程序。如c语言的各种编译程序及CAD工具软件等；从实际程序中抽取少量关键循环程序段来组成核心程序，以此来评估性能；合成测试程序。它类似于核心程序方法，但这种合成测试程序是人为编制的。较流行的合成测试程序有Whetstone和Dhrystone两种.

09四月202667SPEC测试程序在1988年，美国HP、DEC、MIPS以及SUN公司，发起成立了SPEC(StandardPerformanceEvaluationCorporation)(标准性能评估协会)SPEC是一非盈利社团，致力于“建立、维护和认可一个基准测试程序标准化集，以用于最新一代高性能计算机的性能衡量。”SPEC89、92、95和2000共四个版本09四月202668SPEC89由10个工程/科学测试程序（GCC，Espresso，Splce2g6，DODUC，NASA7，Li，Eqntott，Matrix300，FPPPP，TOMCATV）组成。其中4个用C语言编写(GCC，Espresso，Li和Eqntott)用于整数运算，6个用FORTRAN语言编写，用于浮点运算。计算所得SPECmark的分值越大越好，它是相对于VAX—11／780的性能，lSPEC分值约相当于0.2～0.3MFLOPS。

SPEC89后来演化出两个测试程序集：SPECmark测量10个程序的执行速率，SPECthruput考察系统的吞吐率。09四月202669Pentium与80486性能比较Pentium/6680486DX2/66推出日期：1993年3月1992年8月制造工艺：0.8umCMOS0.8umCMOS整数/浮点部件：2/1个2/1个片内Cache：16K(指/数分开)8K(指/数混存)外部数据总线：64位32位Dhryston值：100MIPS54MIPSSPECint89值：7033.6SPECfp89值：7018.309四月202670SPEC92由20个测试程序组成，包括CINT92(6)和CFP92(14)参照机：VAX11/780程序描述/领域CompressEspresoGccEqntottScxlisp自适应压缩函数最小化GNUC编译器逻辑设计电子表格Lisp解释器程序描述/领域AlvinnDoduceEarFppppHydro2dMdljdp2Mdljsp2Masa7OraSpiceSu2corSwm256TomcatWave5神经网络/机器人核反应堆模拟/物理学耳朵模拟/医学电子积分/化学喷气计算/天体物理运动方程/化学（双）运动方程/化学（单）浮点内核光线跟踪/光学电路模拟/电路设计粒子质量/量子物理水方程求解/模拟网格生成程序麦克斯韦方程求解09四月202671SPEC95由18个测试程序组成，包括CINT95(8)和CFP95(10)参照机：SUNSPARC10/40SPEC2000由26个测试程序组成，包括CINT2000(12)和CFP2000(14)参照机：SUNUltra5_10300MHzAlphaStation500/500(System#1)PersonalWorkstation500au(System#2)AlphaServer41005/533(System#3)09四月202672SPECint2000整数基准测试程序集基准测试程序语言驻留大小虚拟大小描述164.gzipc181(MB)200(MB)压缩175.vprc5055.2FPGA应用176.gccc155158C编译器181.mcfc190192组合优化186.craftyc2.14.2下棋游戏197.parserc3762.5字处理252.eonC++0.73.3计算机可视化253.perlbmkc146159Perl编程254.gapc193196解释器(群论)255.vortexc7281Oob数据库256.bzip2c185200压缩300.twolfc1.94.1路由模拟器09四月202673Gcc.176编译器09四月202674SPECfp2000浮点基准测试程序集基准测试程序语言驻留大小虚拟大小描述168.wupwiseF77176(MB)177(MB)量子染色动力学171.swinF77191192浅水建模172.mgridF775656.7三维势能场173.appluF77181191偏微分方程177.mesac9.524.7三维图形库178.galgelF9063155计算流体力学179.artc3.75.9神经网络应用183.equakec4951.1地震波传输模拟187.facerecF901618.5图象处理：脸部识别188.ammpc2630计算化学189.lucasF90142143数论191.fma3dF90103105有限元模拟200.sixtrackF772659.8核物理应用301.apsiF77191192气象学：污染物质分布09四月202675龙芯2号处理器09四月20267609四月20267709四月202678HPC的性能测试LinpackLinpack包括：Linpack100、1000和HPLLinpack是用高斯消元法要求解一元N次稠密线性方程。只能采用编译优化选项，不能更改程序代码，甚至是代码中的注释必须安装支持C和Fortran77的编译器、并行编程环境MPICH09四月2026791.3.4性能评价结果的统计和比较

1．算术性能平均值Am2．几何性能平均值Gm3．调和性能平均值HmRi表示由n个程序组成的工作负荷中执行第i个程序的速率，Ti表示执行第i个程序所需的时间

09四月202680程序机器A执行时间机器B执行时间机器C执行时间程序111020程序2100010020程序3500100050程序4100800100例3已知四个程序在三台计算机上的执行时间(s)如下表：

假设四个程序中每一个都有100000000条指令要执行，计算这三台计算机中每台机器上每个程序的MIPS速率。根据这些速率值，你能否得出有关三台计算机相对性能的明确结论？你能否找到一种将它们统计排序的方法?试说明理由。09四月202681程序机器A的MIPS机器B的MIPS机器C的MIPS程序1100105程序20.115程序30.20.12程序410.1251由上述机器的MIPS速率，可知每台机器对4个程序有不同的处理时间，而且大小顺序不同，所以不能得出明确的结论。解：根据式可得出每台机器每个程序的MIPS速率如下：

09四月202682平均执行时间机器A机器B机器C算术平均25.32.813.25几何平均1.190.592.66调各平均0.250.202.1如果按照算术平均比较性能，机器A最快，机器B最慢；如果按照几何平均比较性能，机器C最快，机器B最慢；如果按照调各平均比较性能，机器C最快，机器B最慢。下面可采用统计的方法比较各机器的性能：

如机器A的算术平均：09四月2026831.4计算机系统结构的发展传统计算机结构特点及其演变软件、器件和应用对系统结构发展的影响计算机的成本和价格09四月2026841.4.1传统机结构特点及其演变

传统的冯.诺依曼计算机结构输出设备输入设备控制器运算器存储器传统计算机结构模式的主要缺点有：1.存在有两个瓶颈：物理瓶颈和智能瓶颈；2.低级的机器语言和高级的程序设计语言之间存在着巨大的语义差距；3.复杂的数据结构对象无法直接存放到一维线性地址空间的存储器中，必须经过地址映象。

09四月202686针对传统计算机结构模式的演变两个瓶颈：“改良”方法“改革”方法Cache存储器、并行主存技术高级流水技术语义差距：数据结构：面向高级语言机器、虚拟存储技术以支持高级语言编程自定义数据表示、多维存储空间非传统计算机结构：并行处理计算机脉动阵列计算机数据流计算机归约计算机人工智能计算机09四月2026871.4.2系统结构的发展软件对系统结构发展的影响器件对系统结构发展的影响应用对系统结构发展的影响价格对系统结构的影响算法对系统结构的影响09四月202688一、软件对系统结构发展的影响软件对系统结构的影响主要是解决软件的可移植出性（①软件成本越来越高②软件产量和可靠性的提高困难③积累了大量成熟的软件④排错比编写困难、软件生产率低因而出现了“软件危机”）实现软件的可移植性有三个主要途径：1.统一高级语言2.采用系列机方法3.模拟与仿真2.采用系列机方法系列机：由同一厂商生产，系统结构相同、组成和实现不同的不同档次（速度、容量、成本和可靠性）的机器。如IBM公司的360、370系列计算机，DEC公司的PDP-ll系列机和INTEL公司的80X86系列微型计算机。1.统一高级语言（应用、认识和习惯势力三个问题）09四月202690系列机方法只是解决了系统结构相同的计算机之间的软件移植。系列机方法也限制了系统结构的发展。

系列机方法较好地解决了硬件技术更新发展快（系统结构要求不断更新）而软件编写开发周期比较长（软件环境要求相对稳定）之间的矛盾。兼容机：不同厂商生产，系统结构相同、组成和实现不同的不同档次的机器。09四月202691系列机要求：保证向后兼容力争做到向上兼容当前机器时间机器档次向上兼容向下兼容向前兼容向后兼容09四月2026923.模拟与仿真微程序机器级高级语言级汇编语言级操作系统级传统机器级A机器系统模拟高级语言级操作系统级传统机器级B机器系统仿真宿主机虚拟机目标机模拟：用一台机器的指令系统，去解释另一台系统结构不同的机器的指令系统，以实现软件的移植。（实现容易、速度较慢）仿真：直接用微程序去解释另一台系统结构不同的机器的指令系统，以实现软件的移植。（微程序编写困难、实现速度较快）

模拟与仿真可实现系统结构不同的机器之间软件的移植。对于使用频率较高的指令，尽可能用仿真方法以提高运算速度，而对使用频率低且难于用仿真实现的指令(包括I／O指令等)则用模拟方法加以实现。

09四月202694开放式系统(opensystem)1978年由国际标准化组织(ISO)首先提出了关于开放式系统的新概念。

是指—种独立于厂商，且遵循有关国际标准而建立的、具有系统可移植性、交互操作性，从而能允许用户自主选择具体实现技术和多厂商产品渠道的系统集成技术的系统。它是相对于原来的封闭系统或专有系统而言的。USB,TCP/IPJava,CORBA,WebServices等09四月202695系统结构的发展软件对系统结构发展的影响器件对系统结构发展的影响应用对系统结构发展的影响价格对系统结构的影响算法对系统结构的影响09四月202696二、器件对系统结构发展的影响

器件发展使得计算机的主频速度、单芯片的集成度飞速提高。（如1979年推出的8088/8086，主频约5MHz，单芯片上集成2.9万个晶体管；1997年推出的PII主频在300MHz左右，单芯片上集成1500万个晶体管）器件的发展使得系统结构技术“下移”速度加快。09四月202697

器件的发展使得器件原有的使用性质发生了转变（通用型→现场型→专用型）。器件的发展会影响到算法、语言和软件的发展。

器件的发展改变了传统的逻辑设计思想和逻辑设计方法。器件是推动系统结构发展的主要动力，最活跃的因素，是计算机更新换代的标志之一。09四月20269809四月20269909四月2026100美国NSF向美国政府申请2009年计划经费2000多万美元，为超越摩尔定律(SEBML)部署新计划NSF：摩尔定律将在10到20年后达到物理和概念上的极限具体方向包括：碳纳米管、量子计算和并行计算以及大规模多核计算机等09四月2026101系统结构的发展软件对系统结构发展的影响器件对系统结构发展的影响应用对系统结构发展的影响价格对系统结构的影响算法对系统结构的影响09四月2026102三、应用对系统结构发展的影响应用范围：数值计算、数据库及事务处理系统、CAD、多媒体处理、人工智能在某个应用领域的确定以后，系统结构设计者的首要任务，是确保系统中的每一个功能部件获得更高的性能系统结构设计者总是根据用户（市场）需求设计或改进系统结构，以适应发展09四月2026103系统结构的发展软件对系统结构发展的影响器件对系统结构发展的影响应用对系统结构发展的影响价格对系统结构的影响算法对系统结构的影响09四月2026104四、价格对系统结构的影响性能与价格（性/价比）均衡改善与提高性能或价格较小的变化产生比原系统好的性/价比提高系统的绝对性能，而价格增长又比较合理09四月2026105五、算法对系统结构的影响充分利用算法和系统结构两者优势，构建一种有效的解决问题的方法改进和提高基本的系统结构利用并行性获得高速度09四月2026106系统结构发展小结软件是促使计算机系统结构发展的最重要的因素没有软件，机器就不能运行，所以为了能方便地使用现有软件，就必须考虑系统结构的设计软件最重要应用需求是促使计算机系统结构发展的最根本的动力机器是给人用的，我们追求更快更好，机器就要做得更快更好需求最根本器件是促使计算机系统结构发展最活跃的因素没有器件就产生不出电脑，器件的每一次升级就带来计算机系统结构的改进器件最活跃09四月20261071.4.3计算机的成本和价格成本敏感设计(Cost-sensitivedesigns)：--非设计时的元器件成本，而是产品交付市场时的规划成本。--封装成本。随着时间的推移，设计时安排在一个印制板上的所有器件，生产时可能只用一个单芯片集成。09四月2026108平均折扣毛利润直接成本元器件成本计算机产品价格的构成25-40%35-40%6-8%20-30%制造成本：工人工资、元器件采购、器件损耗、维护保修等间接成本：研制费、销售费、广告宣传费、厂房租金、设备使用、管理费等利润（批零差价）：生产厂家利润、中间商利润、零售商利润等目录价格09四月2026109部分习题解答1．2如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。若执行第一级的一条指令需K(ns)时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需要用多少时间(ns)?09四月2026110本题有两个问题应特别注意：第一个问题是“上一级”与“下一级”的关系，即哪是上一级，哪是下一级？在图1.1中第3级是第2级的“上一级”，第1级又是第2级的“下一级”。第二个问题是该计算机是一个“经解释实现的计算机”，上一级的程序在下一级上实现不是经翻译完成，只能是解释。解：∵第二级的一条指令需第1级的N条指令解释∴第二级的一条指令执行时间为NKns；第三级的一条指令执行时间为N2Kns；第四级的一条指令执行时间为N3Kns。09四月20261111．3有一个计算机系统可按功能划分成4级，各级的指令都不相同，每一级的指令都比其下一圾的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。现若需第i级的N条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上的一段等效程序各需要运行多长时间(s)?解：第2级上的一段等效程序运行时间为：第3级上的一段等效程序运行时间为：第4级上的一段等效程序运行时间为：09四月20261121．6．什么是透明性概念?对计算机系统结构，下列哪些是透明的?哪些是不透明的?

存贮器的模m交叉存取；浮点数据表示；I／O系统是采用通道方式还是外围处理机方式；数据总线宽度；字符行运算指令；阵列运算部件；通道是采用结合型的还是独立型的；PDP一1l系列中的单总线结构；访问方式保护；程序性中断；串行、重叠还是流水控制方式；堆栈指令；存贮器最小编址单位；Cache存贮器。

答：客观存在的事物或属性，从某个角度去看，它好象不存在，称之为透明性。

分析：有关系统结构属性所包括的内容，对系统结构都不透明。

09四月2026113对于计算机系统结构透明的是：存储器的模m交叉存取、数据总线宽度、阵列运算部件、通道是采用结合型还是独立型、PDP-11系列的单总线结构、串行、重叠还是流水控制方式、Cache存储器。对于计算机系统结构不透明的是：浮点数据表示、

I/O系统是采用通道方式还是外围处理机方式、字符行运算指令、访问方式保护、程序性中断、堆栈指令、存储器最小编址单位。09四月20261141．17想在系列机中发展一种新型号机器，你认为下列哪些设想是可以考虑的，哪些则是不行的?为什么?

(1)新增加字符数据类型和若干条字符处理指令，以支持事务处理程序的编译。

（可以）(2)为增强中断处理功能，将中断分级由原来的4级增加到5级，并重新调整中断响应的优先次序。

（不可以）(3)在CPU和主存之间增设Cache存贮器，以克服因主存访问速率过低而造成的系统性能瓶颈。

（可以）(4)为解决计算误差较大，将机器中浮点数的下溢处理方法由原来的恒置“1”法，改为增设用只读存贮器存放下溢处理结果的查表舍入法。（可以）09四月2026115(5)为增加寻址灵活性和减少平均指令字长，将原来全部采用等长操作码的指令改成有3类不同码长的扩展操作码，并将源操作数寻址方式由原来的操作码指明改成增加一个如VAX--11那样的寻址方式位字段来指明。（不可以）(6)将CPU与主存之间的数据通路宽度由16位扩展成32位，以加快主机内部信息的传送。

（可以）(7)为了减少使用公用总线的冲突，将单总线改为双总线。（可以）(8)把原来的0号通用寄存器改作为专用的堆栈指示器。（不可以）09四月2026116本章重点内容回顾学习重点：多级层次结构、定量设计原理、性能计算、弗林分类法学习难点：透明性分析09四月2026117本章思考题1有一向量处理机，向量执行速度为10MFLOPS，标量执行速度为1MFLOPS。设一程序中可向量化的比例为a，要求（1）平均执行速度？（2）要使平均速度达成7.5，a应为多少？（3）若标量速度不变，a为0.7，要使平均速度达到2，向量速度应为多少？09四月2026118本章思考题2

假若要将某一执行部件改进后速度提高10倍，改进后被改进部件执行时间占系统总运行时间的50%。问改进后，系统获得的加速比是多少？09四月2026119第一章结束，谢谢！TheEnd09四月2026120第1章计算机系统设计基础第2章数据表示与指令系统性能分析第3章流水技术和向量处理第4章阵列计算机第5章多处理机系统第6章数据流计算机09四月2026121第2章数据表示与指令系统性能分析浮点数据表示和IEEE754标准高级数据表示指令格式的优化设计指令系统设计的两种风格09四月2026122本章学习要求本章要点：机器的数据表示，特别是浮点数据表示；指令格式的优化设计技术；RISC的关键技术。指令系统和数据表示是计算机系统结构的主要属性。09四月20261232.1浮点数据表示和IEEE754标准数据表示与数据结构引入数据表示的原则浮点数据基值大小和下溢处理方法的选择09四月2026124定义：具有一组值的集合，且定义了作用于该集合的操作集分类：基本类型、结构类型基本数据类型：二进制位、二进制位串、整数、十进制数、浮点数、字符、布尔数等大多数计算机系统结构都支持基本数据类型一、数据类型09四月2026125结构数据类型：由一组相互有关的数据元素复合而成的数据类型数组、字符串、向量、堆栈、队列、记录等大多数系统结构只能部分地支持结构数据类型09四月2026126二、数据表示定义：机器硬件能直接识别和引用的数据类型分类：基本数据表示、高级数据表示（自定义数据表示）实际系统中，简单的、常用的、通用的数据类型采用数据表示(如int、float、stack等)；复杂的数据结构一般通过数据结构或通过软硬件联合设计实现(如table、graph、tree等)09四月2026127三、数据表示与数据结构数据表示：指的是能由机器硬件直接识别和引用的数据类型。由硬件实现的数据类型数据结构：反映数据元素之间的结构关系，面向计算机系统软件、面向应用领域所需处理的数据类型。由软件实现的数据类型09四月2026128数据结构与数据表示的关系：

--数据表示是数据结构的一个子集

--数据表示是软、硬件界面的一部分；数据结构是软件和应用的一分

--数据表示的确定实质上是软硬件的取舍问题

--数据结构的发展总是优先于机器的数据表示,系统结构设计者应尽可能为数据结构的实现提供更多的支持09四月2026129四、引入数据表示的原则原则1:系统的效率是否提高，是否减少了实现时间和所需的存储空间举例:两个200*200的二维定点数组相加无阵列型:6条指令,4条循环200*200=40000有阵列型:1条指令,减少4*40000=160000字原则2:通用性和利用率是否高通用性:是否对多种数据结构均适用利用率:硬件设置大小的选择09四月2026130五、浮点数尾数基值的选择三大特点：表数范围、表数精度和表数效率关键问题：在数据字长确定的情况下，找到具有最大表数范围、最高表数精度和最大表数效率的浮点数表示方式浮点数的表示需要六个基本参数：尾数m、阶码e的值；尾数的基rm、阶码的基re、尾数长度p(不包括符号位)、阶码长度q09四月2026131浮点数的一般格式：对任意浮点数N，可表示为：其中：表数范围在尾数采用原码、纯小数，阶码采用移码的浮点数表示方式中，规格化浮点数N的表数范围如下：09四月2026132进一步得出浮点数在数轴上的分布情况如图示：由以上分析可知，能表示的绝对值最大的浮点数可近似为：可见，规格化浮点数的表数范围主要与阶码的长度q和尾数的基值rm有关，表数范围随着q和rm的增加而扩大09四月2026133表数精度

表数精度也称为表数误差，浮点数存在表数精度的根本原因是由于浮点数的不连续性造成的。例如：当q=1,m=2,rm=2,能表示的正规格化数是：1/8,3/16,1/4,3/8,1/2,3/4,1,3/2（共8个数）如果有1/2+3/4=5/4,则5/4不在这个浮点数集内。只能用1，或3/2来表示。在一般情况下，认为规格化尾数最后一位的精确度是一半，表数精度则可表示为如下形式：09四月2026134

结论：当浮点数的尾数长度相同时，尾基为2时具有最高的表数精度在机器中，一个rm进制的基值需用m’个二进制位表示，其中因此，尾数m的实际数位k为：09四月2026135表数效率09四月2026136结论：浮点数的表数效率主要与尾数的基值有关。当尾基为2时，表数效率最低如：小结:浮点数尾数基值rm越大,表数范围越大,表数精度降低,表数效率越高.09四月2026137浮点数表示小结3、浮点数尾数基值rm越大,表数范围越大,表数精度降低,表数效率越高.2、当浮点数的尾数长度相同时，尾基为2时具有最高的表数精度1、规格化浮点数的表数范围主要与阶码的长度q和尾数的基值rm有关，表数范围随着q和rm的增加而扩大09四月2026138重点:在机器字长一定的情况下，如何选择尾数的基值，使浮点数的表数范围最大，表数精度和表数效率最高？分析：设浮点数表示方式F1：尾数基值rm1＝2，尾数长度p1，阶码长度q1，二进制字长：

L1＝p1+q1+2

浮点数表示方式F2：尾数基值rm2＝2k，尾数长度p2，阶码长度q2，二进制字长：

L2＝kp2+q2+2浮点数尾数基值的选择09四月2026139(1)当L1＝L2，且时，分析尾数基值和表数精度的关系：将上式代入p1+q1=kp2+q2可得：（注：p1用p2来表示，后面分析有用）09四月2026140F1的表数精度是(由教材公式2.2得)：F2的表数精度是：09四月202614109四月2026142由上式可见，只有当K=1(rm=2)或K=2(rm=4)时，T=1，否则T>1。由此得出结论：结论1：在浮点数的字长和表数范围一定时，尾数基值取2或4具有最高的表数精度(2)当L1＝L2，且时，分析尾数基值和表数范围的关系：

09四月2026143注：只有当k=1或k=2时，才有09四月2026144结论2：当浮点数的字长和表数精度确定后，尾数基值取2或4时，具有最大的表数范围综合结论：当机器字长确定后,rm取2或4时,具有最大的表数范围和最高的表数精度（但表数效率低）由于rm=2时，η=50%。但规格化浮点数尾数的最高位一定为1，故可以隐藏或省去，此时η=100%，这就是尾基为2时的隐藏位表示方法基值为2时浮点数的优化表示原理09四月2026145四种格式单精度格式:32位,阶码E=8位,尾数M=23位扩展单精度:E>=11位,M≥32位双精度格式:64位,E=11位,M=52位扩展双精度:E>=15位,M≥63位单精度格式:S(符号1位)E(阶码8位)M(尾数23位)1823S符号位EM指数尾数32位单精度形式IEEE754标准浮点数表示09四月2026146双精度格式:S(符号1位)E(阶码11位)M(尾数52位)11152S符号位EM指数尾数64位双精度形式09四月2026147IEEE754单精度浮点数格式：S=0,正数;S=1,负数E由8位二进制移码组成00000000:特殊数00000001:1代表:1-127=-126……规格化数11111110:254代表:254-127=12711111111:特殊数M:尾数,原码表示的纯小数(规格化,隐含1)09四月2026148若E=0且M=0，N为0；若E=0且M≠0，N=(-1)S·2-127·(0.M)，非规格化数；若1≤E≤254，N=(-1)S·2E-127·(1.M)，规格化数；若E=255且M≠0，N=NaN（非数值）；若E=255且M=0，N=(-1)S∞（无穷大）。09四月2026149例题：1.将IEEE754单精度数(8位十六进制表示)转换为十进制数(1)C0A00000H(2)3F880000H2.将十进制数9和5/32转换为IEEE754标准的单精度数,并用8位十六进制表示1解:(1)C0A00000H=11000000101000000000000000000000=(-1)1×2129-127×(1.25)=-1×22×1.25=-1.25×4=-5.0D

09四月2026150(2)3F880000H=00111111100010000000000000000000B=(-1)0×2127-127×(1.0625)=20×1.0625=1×1.0625=1.0625D

2解:(1)9=(-1)0×1001=(-1)0×23×1.001

=(-1)0×2130-127×1.001

二进制代码为：01000001000100000000000000000000B=41100000H09四月2026151(2)5/32=(-1)0×0101×2-5=(-1)0×2-5×22×1.01

=(-1)0×2124-127×1.01

二进制代码为：00111110001000000000000000000000B=3E200000H

09四月2026152考虑运算的处理方法，主要有截断法、舍入法、恒置1法、查表舍入法，是在速度、误差、造价、实现方便等多方面的综合权衡性能指标：最大误差和平均误差及实现成本

下溢处理时应注意的问题：先规格化，然后舍入处理；计算平均误差时，要同时考虑正数区和负数区；在处理负数时，要注意不同的码制。浮点数尾数下溢处理方法09四月2026153截断法（恒舍法）将尾数超出机器字长的部分简单截去。处理简单，不增加硬件，不需额外处理时间。在正数区是负误差，负数区是正误差。当正、负数分别考虑时平均误差最大。应用在精度要求不高的场合。小型及微型计算机普遍采用。09四月2026154舍入法（下舍上入法）机器运算部分的规定字长之外增设一个附加位，存放溢出部分的最高位。每当进行尾数下溢处理时，检测溢出部分值是否大于或等于二分之一基值实现简单，增加硬件少，最大误差小，平均误差接近0在中低速机器上或要求精度损失尽可能小的场合下使用较多09四月2026155恒置“1”法机器运算部分的规定字长之最低位恒置成“1”状态实现简单，不需要增加硬件和处理时间。最大误差最大，比截断法的还要大使用较多，适合于中高速机器09四月2026156查表舍入法用ROM或PLA存放下溢处理表，是截断法和舍入法的综合平均误差可调节到趋于0（用截断法的负误差弥补舍入法的正误差），是一种很有前途的实现方法需要增加一定的硬件设备量09四月2026157(p-n)位n位1位(g-1)位(p-n)位ROM/PLAn位p位g位查表舍入法原理09四月2026158000110110000:000:111:011:1x处理结果截断法000110110000:000:111:011:1x处理结果舍入法000110110000:000:111:011:1x处理结果恒置“1”法000110110000:000:111:011:1x处理结果查表舍入法09四月2026159查表舍入法举例

例：由4位二进制尾数（最低位为附加位）组成的ROM查表法，下溢处理成3位二进制结果。请设计下溢处理平均误差接近于0的ROM表。地址数据地址数据000000010001000001001100110100100011010101001101010111100100010110011001010111101111011001111101110111100111111109四月20261602.2高级数据表示自定义数据表示（Self-defining）带标志符的数据表示数据描述符向量数组数据表示堆栈数据表示09四月2026161引入思想：减小高级语言和机器语言的语义差距，减轻编译软件的工作量分类带标志符数据表示数据描述符一、自定义数据表示09四月2026162大多数计算机存储数据的属性由指令中的操作码解释类型：如定点、浮点、字符、字符串、逻辑数、向量等进位制：如二进制、八进制、十进制、十六进制等字长：如字、半字、双字、字节等寻址方式：如直接、间接、相对、寄存器寻址等功能：如地址、数值、控制字、标志等09四月2026163IBM370系列计算机中的加法指令指令助记符数据类型字长进位制寻址方式AR定点数322R-RADR浮点数64阶2，尾16R-RAER浮点数32阶2，尾16R-RAH定点数162R-XA定点数322R-XAD浮点数64阶2，尾16R-XAE浮点数32阶2，尾16R-XAP定点十6410S-S09四月2026164高级语言中数据的属性在数据引用前给以定义如C语言中常用的基本数据类型：

int基本整型，即定点数；short为短整型；long为长整型；float为短浮点型；double为长浮点型；等等加法指令只有一条：A=A+B编译器根据定义生成不同的加法指令09四月20261651.带标志符数据表示定义：用以定义某个数据的数据类型和数值的数据表示。格式如下：类型标志主要用于指明数据类型（如二进制整数、十进制整数等，也可用于指明机器内部所用信息的各种类型）标志符由编译程序建立，对高级语言程序来说是透明的09四月202616670年代生产的R-2试验性计算机中采用的10标志符功能：操作数、指令、地址、控制字陷井：由软件定义4种捕获方式封写：只读或可读可写类型：16种不同的数据类型，与功能配合校验：奇偶校验功能2位陷井2位封写1位类型4位校验1位数值09四月2026167优点：简化指令系统和程序设计简化了系统程序和编译程序的设计便于一致性校验能由硬件自动完成数据类型的变换支持数据库系统的实现与数据类型无关的要求为软件调试和应用软件开发提供支持缺点：使程序所占用的主存空间增加降低指令的执行速度必须用专门的指令完成标志符的初始化09四月2026168引入可行性分析存储空间是否提高？

BA数据指令总数少总数多通常有面积B>面积A采用标志符后数据字增长不采用标志符采用标志符后指令字缩短09四月2026169实现时间是否减少？专门的指令用于标志符初始化，增加了辅助开销指令执行过程中，对每个标志符进行逐个解释，并判断数据是否相容，因此单条指令的执行速度降低，但宏观执行时间减少宏观时间=设计时间+编译时间+调试时间结论运行时间增加，存储空间减少。通用机中不使用，专用机（支持动态数据类型）中使用09四月2026170思考题假若X处理机的数据不带标志符，指令和数据字长都为32位。Y处理机的数据带标志符，数据字长增加至35位，3位是标志符，其指令字长减少至30位。并假设一条指令平均访问两个操作数，每个操作数平均被访问R次。现有一程序，它的指令条数为I，计算在这两种不同类型的处理机中程序占用的存储空间的比。09四月20261712.数据描述符目的：描述复杂和多维的结构类型，进一步减少标志符所占的存贮空间格式：描述符标志位特征标记数据块长度数据块起始地址382020举例：现以美国Burroughs公司的B6500，7500为例进行自定义数据表示的说明，格式如下：09四月2026172数据000数值描述符101PCISRTD长度地址3111120220111：不连续数据0：连续数据1：数据集中的一个0：数据集的全体只准读出的数据00：数据描述符写其他描述符0：不在主存中1：在主存中0：单精度数据1：双精度数据09四月2026173优点:实现阵列数