引言12 計算機體系結(jié)構(gòu)的概念13 計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第一章

計算機體條結(jié)構(gòu)的基本概念

張晨曦劉依

同濟大學軟件學院

2007#-5月

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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引言

1.2算機體系構(gòu)的概念

1.3算機體系構(gòu)的展

14影響算機體系構(gòu)的成本和價格因素

1.5定量分析技基

1.6算機體系相中并行性的展

2007算54同濟大學軟件學院2/111

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1.1引言

1.算機性能的高速增受益于：

_?路技的展

?體系構(gòu)技的展

一2.體系構(gòu)的重要性

二3.基于微理器的系

2007算5月同濟大學軟件學院Q二＞3/111

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1.2算機體系相的概念

1.2.1算機系中的次概念

1.算機系=件+硬件/固件

-2.算機言由低向高展

_高一言的句相于低言功能更

一強，更便于用，但又都以低言基°

二3.M算機言的角度，把算機系按功能劃分成多

一次利。、

2007算5月同濟大學軟件學院Q二＞4/111

2007月5i\同濟大學軟件學院<□匚>5/111

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(1)虛機：由件的機器°

(2)言的兩基本技

?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：每當一條N+1指令被后，就直接

二去行一串等效的N指令，然后再去

一岬個比翻花的多，但存空占用少。

條N+1的指令，依此重行°、

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1.2.2算機體系機

1.算機體系構(gòu)的定：

程序所看到的算機的屬性，即概念

性

構(gòu)與功能特性°

2.按照算機系的多次相，不同程序

_所看到的算機具有不同的屬性°

3.透明性

在算機技中，本來是存在的

事物或?qū)傩裕巳四辰嵌瓤从趾孟蟛淮嬖?/p>

，，i同濟大學軟件學院

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4.Amdahl提出的體系構(gòu)：機器的體系相°

即一般所的機器言程序所看到的

機器所具有的屬性°

5.于通用寄存器型機器，些屬性主要是指：

一(1)數(shù)據(jù)表示

'(硬件能直接和理的數(shù)據(jù)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、數(shù)量和使用方

2007算5月同濟大學軟件學院Q口＞8/111

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(4)指令集

(包括機器指令的操作型和格式、指令的

排

序和控制機構(gòu)等)

(5)中斷系

(中斷的型和中斷響硬件的功能等)

(6)機器工作狀的定和切

(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同濟大學軟件學院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構(gòu)

(包括I/O接方式、理機/存器與I/O

數(shù)據(jù)送的方式和格式以及I/O操作的狀

等)

典算機體系構(gòu)概念的：

算機系中硬件界面的確定，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月同濟大學軟件學院U10/1112

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1.2.3算機成和算機技

1.算機成：算機體系構(gòu)的°

2.算機：算機成的物理°

—k體系相可以有多成°

一一成可以有多物理°

3.系列機

一(1)系列機

二在一個廠家內(nèi)生的具有相同的體系

”構(gòu)，但具有不同成和的一*系列不

同型號的機器°、

2007算54同濟大學軟件學院>11/111

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如：IBM370系列有

370/115、125、135、145、158、168等一

系列M低速到高速的各型號°

(2)IBMPC系列機

(理器、理器字、主要I/O、存空、

主要操作系和算機構(gòu))

11Hli11111Mt1al1a

2007^5i\同濟大學軟件學院U12/111

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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系列機典型特性比

算機理器字主要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同濟大學軟件學院〈二二＞18/1112

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4.件兼容：同一個件可以不加修改地運行于體

系相相同的各檔機器，而且它所得的果

一，差只在于有不同的運行°

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?向上（下）兼容：按某檔機器制的程序，不加修

改的就能運行于比它高（低）檔的機器°

?向前（后）兼容：按某個期投入市的某型號

機器制的程序，不加修改地就能運行于在它之

前（后）投入市的機器°

向后兼容是件兼容的根本特征，也是系列機

的根本特征°

5.兼容機■

不同廠家生的具有相同體系構(gòu)的算機

O

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1.3算機體系相的展

1.3.1存程序算機體系構(gòu)及其展

-------A數(shù)據(jù)流-------A控制流

2007芹5月同濟大學軟件學院U21/111

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1.存程序算機的主要特點

(1)機器以運算器中心；

(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)數(shù)據(jù)以二制表示，采用二制運算

2007算5同濟大學軟件學院U22/

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2.體系構(gòu)行的改

(1)分布的I/O理能力

-以運算器中心來了慢

速入/

-出操作占用快速運算器的°

二了解決一，人提出了各

一人/出方式。一

2007算5月同濟大學軟件學院Q23/111

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程序等待

「程序控制

程序中斷

成

入出方式＜DMA

周期挪用

通道

I/O理機

外理機

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(2)保的存器空

是否把指令和數(shù)據(jù)放在同一存器中？

八占、、?

?不必先區(qū)分指令和數(shù)據(jù)，易存管理件

*

?程序和指令在行程中可以被修改，因而可

以

寫出靈活的可修改的程序；

二?于存取指令和數(shù)據(jù)需一套/寫和址路，

一硬件；.

—?數(shù)據(jù)可以分配于任何可用空，人人而可更有效,‘

2007「地同濟大學軟件學院：25/111:

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缺點：

?不利于行程序斷；

?不利于程序的可再入性和程序的用；

?不利于重疊和流水方式的操作°

-在大多數(shù)算機都定，在行程中不準修

改程序。

a

2007算54同濟大學軟件學院>26/111

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(3)存器機的展

?相存器和相理機

?通用寄存器

?高速沖存器和多存器相

一(4)并行理技

一如何挖掘機器中的并行性？

?改CPU的成

二?重疊方式

?先行控制

___________——\J

2007芹5月同濟大學軟件學院U□>27/111*>

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?多操作部件

?流水方式

?在體系構(gòu)上某些算并行算。

一如向量算

?多機并行理系

把一個作（程序）劃分成能并行行的多個

二任

（程序段），把每個任分配一個理機行°

2007耳5月同濟大學軟件學院U28/1112

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(5)指令集構(gòu)的展

?指令集的功能

?指令集算機(CISC)

一?精指令集算機(RISC)

_?指令的地址空和址方式

多靈活的址方式°

2007算5月同濟大學軟件學院Q29/111

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1.3.2算機的分代和分型

1.算機到目前止已展了五代

五代算機分具有明的器件、體系

‘相技和件技的特征°

2.算機可以根據(jù)價格分五個檔次：

巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機

20074-5同濟大學軟件學院U30/111

第一代子管和存程序算機機器言和普林斯

(1945-器、程序控制言ISAENIACIB

1954)I/OM701

第二代晶體管、磁浮點數(shù)據(jù)表示高言和Univac

(1955-芯、印刷、址技、中、批理控LARC、CDC1604

1964)路斷、I/O理系、IBM7030

機

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算機

第四代LSI和向量理、分并行與分布Cray-1IBM

(1974-VLSI、半布式存器理3090、DEC

1990)體存器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、展并行與分T3EIBMSP2

度路MPMPP布理DEC

AlphaServer8400------

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算機體系構(gòu)的展

wwwGotoSchoolnet1.3

3.算機系性能隨“下移”

巨型機

-------->

、、、、大型機

警

、、、中型機

除

,、、小型機

虛等性能

'、、微型機

---------->

2007算54同濟大學軟件學院能力32/1112

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4.根據(jù)當前的算機用市的狀和價格特征,

通常把算機分服器、桌面系和嵌入式

算三大域°

2007算54同濟大學軟件學院>33/111

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5.新型體系構(gòu)的

(1)合理地增加算機系中硬件的功能比例，

體系構(gòu)操作系、高言甚至

用件提供更多更好的支持；

(2)通多途徑提高算機體系相中的并行

一性等，使得凡是能并行算和理的

-都能并行算和理，使體系相和

成算法提供更多更好的支持°,

2007算5月同濟大學軟件學院Q34/111

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1.3.3用需求的展

1.算機的受兩方面因素的影響

算機在和未來的使用方法

?下的技

2.件技最重要的展

-(1)程序及數(shù)據(jù)所使用存器容量的不斷增大

一(2)器的重要性日益突出，逐成用

與算機的主要界面二一,二

2007算5月同濟大學軟件學院Q35/111

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3.算機技和市分化成桌面算、服器

和嵌入式算三個部分，三個不同的域

用需求的特點算機系的影響巨大°

?桌面算市是售最大的市，是

L性能價格比要求最苛刻和敏感的市°

一一?服器市算機的要求是可用性、大

容量和可展性°

,?嵌入式算與解決的用密切相，

需求千差萬°

20074-5同濟大學軟件學院U36/111

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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）

系價格（美元）1000-1000010000-1000000010-100000

每心理器價格（美元）100-1000200-20000.2-200

2000年芯片售春11500000004000000300000000

（片）

隨用域需求而

性能價格比可用性、可展性化，主要有：成本

指、功耗、，性等°

2007芹5月同濟大學軟件學院U37/111

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1.3.4算機技的展

1.代算機技的基核心是以晶體管

基本元的平面集成路

2.摩定律

一集成路密度大每兩年翻一番°

二3.內(nèi)存芯片和Intel微理器的展化

^一—一工

2007算5月同濟大學軟件學院Q38/111

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IG2G

100000(X)000?存器（位）256M

lOOOOOOO(X)

■Intel理器（晶體管數(shù)）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內(nèi)存芯片密度和Intel微理器集成度的

展

2007算54同濟大學軟件學院39/111

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4.四技于當代算機的展著非

常的作用

?路

一?半體DRAM（隨機存

器）

一?磁

二?網(wǎng).

2007^5i\同濟大學軟件學院U40/111

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1.3.5技的挑和體系樹的生命周期

1.算機系人的技挑

體系構(gòu)、工具、制造工、件和

用等多個方面，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同濟大學軟件學院>41/111

表1.4Intel公司部分微理器的部分工參數(shù)

集成度

牛早征尺寸基片面

型號布日期制造工m)(晶體管)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月同濟大學軟件學院gC>42/111。

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3.隨著特征尺寸您小，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

一要更大的流來平的翻和信號

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月同濟大學軟件學院Q43/111

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少路各的厚度，M而降低了工作

(4)隨著特征尺寸的下降，晶體管各個極

之

的性能急下降，極之漏

流的日益突出；

_(5)由于代微理器中的部件成千上萬，

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，以減少系的功耗°____

2007^5i\同濟大學軟件學院Q44/111Q

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

196019701980199020002010

1.8微理器中的工作流和漏流

2007年5i\同濟大學軟件學院45/111

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4.在上將面的：

微理器芯片正確性性成倍上升.

5.M角度看和隊技角度看往往

是不同的

6.一個算機體系構(gòu)，M生到消亡，大致

一需要15~2。年的°

2007算5月同濟大學軟件學院Q46/111

一■般展32位x86(IA-32)IA-64

1.9體系構(gòu)的生命周期

2007耳5同濟大學軟件學院U->47/111

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1.4影響算機體系相的

成本和價格因素

1.4.1算機系的成本和價格

1.裝一臺高檔配置PC的硬件各部件價格分布

看，價格化的是不下降的。

?算機的價格是與成本密相的°

2007算54同濟大學軟件學院>48/1112

表1.5一臺裝PC及其各個部件的價格分布

配件型號價格(￥)價格中的比例

理器Pentium42.6CGHz140017%

主板(含基本I/O)微星865PE-Neo2-PFS98012%

存器Kingston256MDDR400（兩條）6007%

硬三星SP80GB2MB沖6808%

示卡UnikaGeForceFX5900FXc128MBDDR169920%

示器MagvisionPR700M2139917%

TnMTDA48XCombo3905%

和鼠BenQ海灣+微IE4.04986%

音箱漫步者R301TII2603%

其他配件機箱、源、、CPU扇等4205%

A.

口?8326

2007耳5月同濟大學軟件學院U工＞49/111y

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www.GotoSchoolnet1.4影響算機體系構(gòu)的成本和價格因素

2.價格與成本是不同的概念

商品的價(價格)由一些因素構(gòu)成：

(1)原料成本

一件品中所有部件的采成本和

(2)直接成本

—與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同濟大學軟件學院50/111

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

www.GotoSchoolnet1.4影響算機體系構(gòu)的成本和價格因素

?市建立用

?售用

?生用

?房租

-?款利息

一?稅后利和所得稅

(4)平均售價格與折扣

2007算5月同濟大學軟件學院Q51/111

價

3.工作站的成本和價格

33.3%折扣

平均售

價格

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%

工作站的成本和價格

4.PC的成本和價格

價

平均售25%折扣

價格

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%

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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1.4.2因素

1.影響算機系成本的主要因素

(1)

(成本生最直接影響)

「即使技沒有，算機系的制造

一成本也會不斷下降°

(2)量

一?量的增加會加速工的定；

?量增加提高了生效率，降低了成二、

本；

2007芹5月同濟大學軟件學院U54/111

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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?量增加降低每臺機必加入的用,

人人而使得機成本下降°

(3)商品化

(更重要的是它影響品的價格)

2.價格隨下降

?存器價格化的學曲

?2002年Intel的一些Pentium4理器零

售

價格化的學曲

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