第1章计算机系统结构的基本概念

1、计算机系统结构的基本概念，中国科学院研究生院工程教育学院叶齐祥，前面写着，前面写着，计算机系统是电脑系统，现在计算机系统中很小的一部分从“信号处理”、“多计算机”中计算出来的面向“工业控制”的中国计算机系统从开始走向繁荣，前面写的第一章计算机系统结构的基本概念，1.1计算机系统结构1.2计算机系统设计技术1.3系统结构的评价标准1.4计算机系统结构的发展，计算机软件/从结构上理解硬件设计的合理性可以参考前人的设计思想，1.1计算机系统结构，1.1.1计算机系统结构定义1.1.3计算机系统结构的结构和实现1.1.4计算机系统结构的分类，1.1.1计算机系统应用语言M6应用程序信息处理系统高级语言

2、/高级语言机器解释(编译)程序执行程序，汇编语言M4汇编语言机器汇编程序执行程序，键盘指令系统源语言M3操作系统资源， 机械指令系统机械语言机中央处理器机械语言程序，机械指令顺序微机控制微机寄存器传送门， 用户高级语言程序员，程序员，操作员，机器语言程序员，逻辑程序员，硬件维护人员，M0，M1是机器的核心部分，有些机器不通过微程序解释执行指令，直接通过硬件逻辑实现机器指令系统，M0和M1 如果有些机器通过微程序实现微程序，M0也可以分两个阶段。 用M2机械语言机械用指令系统编程是机械语言程序员的工作。 微机原理的指令系统被编程到这个水平。 1.1.1计算机系统的分层结构、在M3操作系统设备上支

3、持这两种指令的机器语言指令、操作系统指令(打开文件、读写文件、关闭文件等)。 操作系统是在第二级运行的解释器。 M4汇编语言设备用汇编语言编程，翻译成M3或M2语言后执行。 1.1.1计算机系统层次，M5高级语言机器高级语言程序翻译成M4或M3级语言执行。 解释执行只是边翻译边执行。 像M6应用程序语言设备之类的语言程序多用高级语言写成的语言程序来实现，用户不是用计算机专家，而是用终端键盘和鼠标等发出某种指令来进行操作。 例如用FoxPro、DBASE等写的管理系统控制系统等。 1.1.1计算机系统分层结构、学科领域到第0级和第1级是计算机结构和系统结构的第2到第4级是系统软件的第5级是应用软

4、件之间还交叉的第1级是汇编语言程序设计相关内容的第2级和计算机1.1.1计算机系统的层次结构、虚拟机的概念是计算机系统的层次结构中，除了等级0、等级1以外，上一级4是虚拟机。 虚拟计算机是指这个计算机只存在于那个级别的观察者中。 对某一级别的观察者来说，它只能理解并使用该级别的语言，而无需在意下层是如何实现的。 简单地说，虚拟计算机是由软件实现的机器。 1.1.1计算机系统的分层结构，从使用语言的观点出发，把计算机系统看作各功能的分层结构。 机器语言汇编语言的高级语言应用语言，低级，高级，特征：比后者的以前者为基础的前者功能强，使用方便。 1.1.1计算机系统的层次，计算机只能直接识别机器语言

5、来执行。 汇编语言是一种基于符号的编程语言。 可以想象在使用机械指令的实机上出现了以汇编语言为机械语言的“虚拟”机器。1.1.1计算机系统层次，翻译：把高级机器级别的程序整体转换成能在低级机器级别执行的同等程序，然后在低级机器级别实现的技术。 (先翻译后执行)例：英语翻译解释：通过在低级机器级使用其一系列语句或指令，对高级机器语言程序的每个语句或指令解释与高级机器上的语句或指令等效的功能来实现的技术。 (边说明边执行)例：1.1.1说明计算机系统的层次结构，翻译和说明是语言实现的两种基本技术。 一般来说，执行解释比翻译花费更长的时间，但存储空间更少。 在多级结构中，通常通过解释方法来实现级1和

6、2，而三级或更多级通过翻译方法来实现。 1.1.1计算机系统分层结构、系统结构定义：计算机系统结构主要研究硬件和软件的功能分配和硬件和软件接口的确定。 计算机系统由软件、硬件、固件构成，功能上是相同的。 同样的功能可以由硬件实现，也可以由软件和固件实现。 1.1.2计算机系统结构定义、系统结构？ 1.1.3计算机系统的构成和实现，计算机构成？ 计算机实现？计算机架构计算机系统软件、硬件/固件功能的分配及其接口的确定.和/或ComputerArchitecture。 计算机组织计算机系统结构的逻辑实现。的. 包括数据流、控制流的结构和逻辑设计。 计算机结构的物理实现：物理结构设备技术的组装技术，

7、1.1.3计算机系统结构和实现，三种常用的分类方法：1.Flynn分类2 .冯泽云分类3.Handler分类，1.1.4计算机系统结构分类，1.4 根据命令流和数据流多倍性的特征对计算机系统进行分类。 指令流：机器执行的指令序列。 数据流：通过包含输入数据和中间结果的指令流调用的数据序列。 倍数性：在系统性能瓶颈部件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能数量。1.1.4计算机系统结构分类、1.1.4计算机系统结构分类、4种单一命令流sisd单命令流多流SIMD (singleleinstructionmultipleedatastream ) 多命令流单流SISD (多命令流SISD )

8、多命令流SISD (多命令流SISD )，1.1.4计算机典型的单处理器包括单功能部件处理器： IBM1401、VAX-11多功能部件处理器： ibm360/91、370/168、cdc6600、1.1.4计算机系统配置分类、1.1.4计算机系统配置分类在同一CU控制下，从完成用相同命令规定的操作的CU来看，多个数据的每一个被执行命令序列(串行)，而从PU来看，数据被并行执行。 并行处理机、阵列处理机、矢量处理机、连接处理机等。 数据全并行： ILLIACIV、PEPE、STAR100、TI-ASC、CRAY-1。 数据字并行字符串： STARAN、MPP、DAP。 1.1.4计算机系统的结构

9、分类，1.1.4计算机系统的结构分类，MISD :一些命令对同一数据进行不同的处理。 因为系统要求在指令级并行，而不在数据级并行，所以这是不现实的。 但是，现在一些学者有不同的看法，在一些文献中，超级标量机和长指令计算机等被视为MISD型。 1.1.4计算机系统的结构分类，冯泽云分类法1972年由美国国籍中国人冯泽云提出。 按最大并行度对计算机系统进行分类。 最大并行度：计算机系统在单位时间内可以处理的最大二进制位数。假设同时处理的字宽度为n，位宽为m，则最大并行度为Pmmn，1.1.4计算机系统结构分类，平均并行度：按时钟周期ti可同时处理的二进制位数为Bi，t时钟周期内的平均并行度为：显示

10、方法：处理器名(n，m)Pm=整数n和m 1.1.4计算机系统的结构分类，4种字符串WSBS(WordSerialandBitSerial )一次只处理一个单词的1比特。 串行计算机m=1，n=1； 例如，ed vac (1，1 ) (2)字符串位和WSBP(WordSerialandBitParallel )一次只处理一个单词的n位。 常规单处理器m=1，n1； 例如，奔腾(32，1，1 )，1.1.4计算机系统的结构分类，(3)字并行比特串wpbs (位切片处理)并行计算机、MPP、相关计算机m1，n=1； 例如，MPP (1，16384 )、staran (1，256 )、DAP (1，

11、4096 )、1.1.4计算机系统的结构分类、(4)字并行、wpbp (字并行)一次处理m字，并处理各字全并行计算机m1、n1； 例如，illia civ (64，64 )、ASC (64，32 )、Pepe (32，288 )、cmmp (16，16 )的主要缺点：仅考虑数据的并行性，而不考虑指令、任务、作业的并行性。 1.1.4计算机系统结构分类，3 .汉德勒分类法由WolfganHindler在1977年提交，也称为ESC (erlangeclassificationscheme )分类法。 根据并行度和管线的分类，计算机的硬件结构分为三个层次，考虑各自的并行性和流水处理的程度。 1.1

12、.4计算机系统构成的分类，4 .其他分类法，例如，控制驱动的控制流方式数据驱动的流方式需求驱动的规则方式模式驱动的匹配方式，1.1.4计算机系统构成的分类， 1.2计算机系统设计技术1.2.1计算机系统设计的定量原理1.2.2计算机系统设计者的主要任务1.2.3系加速比=(该进步后的性能)/(改善前的性能)、1.2.1计算机系统设计定量原理，Amdal法则：=(可改善部分占有时间)/(改善前任务总时间)=(改善前改善部分占有时间)/(改善后改善部分时间)改善后系统时间：1.2.1计算机系统设计定量原理， CPU性能公式： CPU时间=CPU时钟周期x时钟周期长平均时钟周期数： CPI=CPU时

13、钟周期/ICCPU时钟周期数=中：指令执行次数CPI=，1.2.1计算机系统设计定量原理， 另外，访问的本地原理程序重复使用他刚使用的数据和指令实验，程序在90%的时间执行10%的程序代码存储系统的构成，基于访问的本地原理，1.2.2计算机设计者的任务，1 .针对计算机性能要求确定应用领域的软件兼容级别的操作系统需求2 .硬件和软件的平衡3 .发展趋势和趋势，1.2.3计算机系统设计的主要方法是根据用户的要求阶段性地设计，下位2 .“从上而下”只能做通用机。 并且，没有操作系统、编译语言、硬软件的关联。 优化软件是很难的。 一般来说，“从中间”从硬件机械级和操作系统的接口向两端发展。 设计者要

14、求丰富的软件、硬件、设备、应用等多方面的知识。 需要有效的软件设计环境和开发工具。 1.3计算机系统结构的评价、性能(两个指标) MIPS (微流量) MIPS=m流量(微流量) m流量=， 1.3计算机系统结构的评价2 .成本一次开发成本零件硬件成本和简单性，1.3用计算机系统结构的评价、性能和成本能够综合评价的设计简单有效的结构，比设计复杂有效的结构竞争力强。1.4计算机系统结构的发展历史，重要计算机结构的冯.诺伊曼结构，1.4计算机系统结构的发展历史，冯.诺伊曼计算机结构1 .数据指令可以在存储器中同等处理，程序可以变更2 ) .程序由指令构成，由指令驱动，处理顺序完成1.4计算机系统结

15、构的发展历史，冯.诺伊曼计算机的特征1 2 ) .一级地址空间，用地址访问，地址是唯一的3 ) .用命令形式的低级语言驱动，命令中包含操作码、地址两部分。 数型由操作码指定4 ) .依次执行命令，用迁移命令实现分支5 ) .以运算器为中心，I/O经由运算器，各部件由控制器控制。 1.4计算机系统结构的发展历史，软件对系统结构的影响软件成本越来越高，需要解决兼容性问题，可移植性问题采用系列机械的方法，系列机械需要向后兼容性。 例如，IBM370-115125135145158168采用了统一了模拟和模拟方法的高级语言，包括c、Fortran、Pascal、Java， 1.4计算机系统结构的发展历史，价格对系统结构的影响很简单，机械速度提高10倍，价格提高100倍，价格提高1000倍的性能价比的问题，1.4计算机系统结构的发展历史，VLSI对系统结构的影响大规模集成使用通用电影的现场电影和软件设计。 用户表的设计要求与器件设计和芯片设计紧密结合，使用CAD设置的原来的大型机基本相当于当前的PC机，1.4计算机系统结构的发展历史、应用对系统结构的影响计算机可分为通用计算机和专用计算机。 专用计算机是因为机器的应用范围不同，对机器有不同的要求而产生的。 例如，科学计算需要浮点表示、高速计算、阵列计算等。 信息处理需要大量的简单计算、字符串处理和十进制运算