第1章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

課件

編著:陳建鐸

設(shè)計:程俊波

西安石油大學計算機學院

目錄

第一章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念

第二章數(shù)據(jù)與指令系統(tǒng)設(shè)計

第三章存儲器體系結(jié)構(gòu)

第四章標量流水線技術(shù)

第五章向量流水與向量處理機

第六章互連網(wǎng)絡(luò)

第七章并行處理技術(shù)與SIMD陣列機

第八章多處理機

第九章計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

第1章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念

?內(nèi)容提要：

本章首先簡要介紹計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義、層次結(jié)構(gòu)類型，然后講

述計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能分析的方法、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展及計算機系

統(tǒng)的成本、性能與價格。重點是計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、按“流”分

類、定量分析、Amdahl定律、影響計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要素。難點是計

算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、按“流”分類、定量分析及Amdahl定律。

mi第1章計算機系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)的基本概念

概述

>1.2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義與內(nèi)涵

±1.3計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的類型

->>1.4計算機系統(tǒng)性能分析

.5計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程

工1.6計算機系統(tǒng)的成本、性能與價格

■與

1.1概述

自從上世紀40年代上第一臺數(shù)字計算機誕生以來，其結(jié)構(gòu)、

規(guī)模、類型、性能、應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化，其中決

定因素是器件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展與變化。人們把計算機的發(fā)展

過程歸結(jié)為四個歷史時期，也稱為四代。現(xiàn)在，正在向第五代

發(fā)展。各歷史時期及其主要特征如表1.1一所示。

表1.1計算機的發(fā)展歷史

特征

器件結(jié)構(gòu)軟件典型機器

年代

第一代電子管和存儲程序計算機機器語言與

ENIAC、IBM701

1945—1954年繼電器程序控制I/O匯編語言

浮點數(shù)據(jù)表示、多尋址高級語言與編譯、批UnivacLARC

第二代晶體管、磁芯、

方式、中斷技術(shù)、I/O處理技術(shù)與CDC1604

1955—1964年印刷電路

處理機監(jiān)控系統(tǒng)IBM7030

微程序控制器、流水線IBM360/370

第三代SSLMSL多層多道程序處理

技術(shù)、CacheCDC6600/7600

1965—1974年印刷電路分時操作系統(tǒng)

先行處理、系列機DECPDP-8

Cray-1IBM3090

第四代LSI、VLSL半導(dǎo)向量處理、并行計算、并行與分布式

DECVAX9000

1975—1990年體存儲器分布式存儲器處理

Convax-1

SGICrayT3E

第五代高性能微處理器、超標量、超級流水線大規(guī)?？蓴U展并行與

IBMSP2DEC

1991—現(xiàn)在高密度器件SMP、MP、MPP分布式處理

AlphaServer8400

計算機科學家恩斯洛(P.H.Enslow)曾對1965?1975年間計算機的發(fā)

展進行了研究。結(jié)果表明，計算機系統(tǒng)的性能提高了10。倍，其中1。倍

歸功于器件的發(fā)展，而另外1。倍歸于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化。

在計算機進入第四代以后，人們認為第五代計算機應(yīng)當是智能化計

算機。但是，經(jīng)過多年的努力，一時還難以實現(xiàn)。

而在上世紀90年代以后，計算機的硬件體系結(jié)構(gòu)有了新的突破性的

發(fā)展，于是人們把其歸結(jié)為第五代系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展時期。典型機種除了

表1.1中所列舉的幾種之外，還有：

Fujitsu的VPP500、CrayResearch的MPP、ThinkingMachines公司

的CM-5、Intel超級計算機系統(tǒng)Paragon、SGI的0rigin2000以及SUN

10000服務(wù)器等。

目前，就計算機的規(guī)模而言，有微型機、小型機、中型機、大型機

和巨型機；就計算機的體系結(jié)構(gòu)而言，有標量流水機、向量流水機、陣

列機、并行多處理機、數(shù)據(jù)流機以及規(guī)約機等；另外，人工智能計算機

仍然在發(fā)展之中。

在進入上世紀80年代以后，由于軟件技術(shù)的發(fā)展，對計算機

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展也起到了一定的促進作用。一方面是對匯編語言

的要求有所降低，放寬了對目標代碼兼容性的苛刻要求；另一方

面，與廠商無關(guān)、類似于UNIX操作系統(tǒng)那樣的標準化的建立，使

新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計成本與風險有所降低，這就促使許多廠商相

繼推出了許多新型計算機，比如小巨型機、高性能的微處理機、

工程工作站以及各種多處理機等。

在微型計算機的發(fā)展中，隨著芯片集成度的提高，一方面向

工程工作站、小型機靠攏；另一方面，各種高性能的微控制器、

嵌入式芯片大量涌現(xiàn)出來，廣泛地用于自動控制、電信和智能化

儀器儀表中。

在進入80年代以后，另一個突破性的進展出現(xiàn)了。這就是精

簡指令系統(tǒng)計算機RISC,它是對CISC計算機的一種挑戰(zhàn)，使計算

機的體系結(jié)構(gòu)再一次發(fā)生了質(zhì)的改變。

m

1.2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的

定義與內(nèi)涵

彳1.2.1計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

彳122計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義

與內(nèi)涵

,123計算機系統(tǒng)的組成與實

現(xiàn)

U11.2.1計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

隨著軟件技術(shù)的U應(yīng)用語言級虛擬機

t

發(fā)展，人們使用不同

高級語言級

L5虛擬機

的高級語言編程，站應(yīng)用軟件Yt

匯編語言級

L4虛擬機

在不同的層面上使用?

操作系統(tǒng)級虛擬機

L3

計算機。于是，產(chǎn)生硬、軟件界面

了計算機系統(tǒng)的多層硬件L?機器語言（傳統(tǒng)機器）級物理機

*

次結(jié)構(gòu)，如圖1.1Li微程序機器級

固件《?

所示。Lo電子線路級

圖1.1計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

口

圖中每一層對應(yīng)一種“機器”，為該層的操作者所使用。操作者

通過該層的語言與“機器”對話，或者交互信息，而不必關(guān)心其內(nèi)層

的結(jié)構(gòu)和工作過程。這體現(xiàn)的是一種稱之為透明性的特性。

L0和L1級是計算機的底層硬件，指中央控制器。其中

L0級由電子線路組成，用來實現(xiàn)微指令的功能。

L1是微程序控制器，也稱為固件。

L2是傳統(tǒng)的機器語言級機器，也稱為物理機，程序員通過機器語

言指令編程。向下，進入L1級，每一條機器語言指令對應(yīng)于一段微程

序，通過執(zhí)行其微程序，實現(xiàn)該指令的功能。

L3是操作系統(tǒng)虛擬機。在這一級，多數(shù)指令是傳統(tǒng)的機器語言指

令，操作系統(tǒng)提供自己的命令集，比如打開/關(guān)閉文件、讀/寫文件等。

程序員主要使用操作系統(tǒng)的命令對文件進行操作，其功能由軟件來實

現(xiàn)，因此稱為操作系統(tǒng)虛擬機。

L4是匯編語言虛擬機。程序員通過對匯編語言指令的編程，來實

現(xiàn)外部的功能要求。匯編語言程序需要翻譯成L3和L2級語言，然后再

由機器執(zhí)行。這種翻譯程序稱為匯編程序。

口

L5是高級語言虛擬機。程序員使用高級語言進行程序設(shè)計,

然后再由編譯或解釋程序翻譯成L4級或L3級上的語言，然后由

下一級機器執(zhí)行。

L6是應(yīng)用語言虛擬機，是為某些專門的應(yīng)用而設(shè)計的，使用

面向問題或?qū)ο笳Z言，可設(shè)計出用于不同領(lǐng)域的虛擬機。應(yīng)用

語言編寫的程序一般是由應(yīng)用程序包翻譯到L5級上，然后再一

級一級地翻譯或解釋執(zhí)行。

1.2.2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義與內(nèi)涵

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Computerarchitecture)這一概念，是在

1962年Buchholz描述IBM7030的擴展性(Stretch)時首先提出來的；

主要是指計算機的外貌，也稱為外特性。1964年，IBM370的主設(shè)計

師Amdahl給出了它的定義：

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是程序員所看到的計算機的基本屬性，即概念

性結(jié)構(gòu)與功能特性。

對于不同層次上的程序員來說，由于使用的程序設(shè)計語言不同，

可能看到的概念性結(jié)構(gòu)與功能特性會有所不同。例如，使用機器語言

或匯編語言分別在PDP-11和80X86機上進行程序設(shè)計，就會發(fā)現(xiàn)兩種

機器的基本屬性截然不同；如果使用高級語言，比如FORTRAN或C/C++,

進行程序設(shè)計，經(jīng)編譯后再在這兩種機器上運行，就會發(fā)現(xiàn)它們之間

不再有多大的區(qū)別。

/JJ

是什么原因呢？主要是編譯程序填補了兩種機器之間的差異。象

這種本來存在差異或區(qū)別的事物或特性，站在某一角度來看，似乎不

再有什么差異或者區(qū)別，這種現(xiàn)象或概念稱為透明性(Transparency)。

由此可見，在層次結(jié)構(gòu)的各級機器上都有相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

Amdahl提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指傳統(tǒng)機器語言級的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即機器語言

程序員所看到的計算機外特性，是在傳統(tǒng)的硬件層面上看到的特性。

這種外特性主要有：

①指令系統(tǒng)②數(shù)據(jù)表示③尋址規(guī)則

④寄存器結(jié)構(gòu)⑤中斷系統(tǒng)⑥工作狀態(tài)的定義與切換

⑦存儲系統(tǒng)⑧信息保護方式⑨I/O結(jié)構(gòu)等。

亙

/JJ

這些在計算機系統(tǒng)中是由硬件或固件完成的功能。由圖

1.1可以看出，計算機系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性實質(zhì)上是由

計算機系統(tǒng)中軟件與硬件之間的界面所確定，界面之上主要是

軟件功能，界面之下則主要是硬件。

以上是針對經(jīng)典的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念而言的。隨著計

算機技術(shù)的發(fā)展，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念和它所包含的內(nèi)容也

正處在不斷的發(fā)展與變化之中，它涉及到廣義計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

的概念，包括計算機新的組成與實現(xiàn)技術(shù)。

圖L1計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

1.2.3計算機系統(tǒng)的組成與實現(xiàn)

計算機組成與實現(xiàn)

n>2.外特性、內(nèi)特性與微外特性

,3.計算機系統(tǒng)的組成與實現(xiàn)

1.計算機組成與實現(xiàn)

所謂計算機組成是在明確計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分配給硬件的功能與概念性

結(jié)構(gòu)之后，研究如何組成其硬件體系，并建立相互之間的聯(lián)系，以實現(xiàn)機器

語言級指令的功能與特性。其中包括各功能部件的配置、組成、相互之間的

連接與相互作用等。

各功能部件的性能、參數(shù)以及相互之間的合理匹配是計算機組成的重要

指標。例如，運算器的組成、功能、運算速度，存儲器的層次結(jié)構(gòu)、容量、

存取周期、虛擬存儲技術(shù)、通道技術(shù)或I/O處理機、先行控制、流水線技術(shù)、

多功能部件、陣列機以及并行多處理機技術(shù)等。

計算機組成是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包括機器內(nèi)部數(shù)據(jù)流和控制

流的組成及其邏輯設(shè)計。在研究計算機組成時，又涉及到各種功能部件的組

成邏輯、時序電路以及時鐘信號的設(shè)計與選用。

例如，在設(shè)計運算器時，既涉及到時序電路，又涉及到算法；

在設(shè)計存儲器時既涉及到采用什么樣的器件，又涉及到它的容量、外

圍電路和速度；在設(shè)計輸入輸出通道時，同樣也涉及到采用什么樣的

器件及外圍電路。另外，在構(gòu)成計算機時還涉及到信號的傳輸方式、

模塊的劃分、插件與底版的連接，以及電源、冷卻方式、組裝工藝和

技術(shù)等。這些，統(tǒng)稱為計算機組成的物理實現(xiàn)。

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)是三個不同的概念。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計算機系統(tǒng)的軟件與硬件之間的界面；計算機組成是指計

算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)；計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)。

它們各自包含有不同的內(nèi)容，相互之間又有著密切的聯(lián)系。

上述三種概念所包含的內(nèi)容隨不同的機器可能有所變化。在一些

機器中屬于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)容，到了另一種機器中可能成為計算機組成或

實現(xiàn)的內(nèi)容。例如高速緩沖存儲器Cache一般是作為計算機組成提出來

的，其中存儲的信息全部由硬件管理，對程序員來說是透明的；然而

在有的機器中為了提高效率，配置了Cache操作指令，使程序員可通過

指令參與Cache的管理。這樣，Cache就成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一部分，對程

序員不再透明了。

按照Amdahl的定義，在一個系列機中不同檔次的機器具有相同的

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

同

2.外特性、內(nèi)特性與微外特性

對于機器語言程序員所看到的計算機的概念性結(jié)構(gòu)與功能特

性，我們稱之為計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也就是“外特性”。這種外

特性是由硬件和固件來實現(xiàn)的，而它們本身則是由電子線路、邏

輯門、寄存器等器件組成的。對這些器件和電子線路的抽象，稱

為計算機系統(tǒng)的“內(nèi)特性”，對應(yīng)于計算機組成，其本身實際上

就是計算機系統(tǒng)的實現(xiàn)。

計算機系統(tǒng)的內(nèi)特性所涉及到的內(nèi)容主要包括機器語言級內(nèi)

的數(shù)據(jù)流和控制流的組成，CPU與主存等部件的邏輯設(shè)計，各事件

的排序方式與控制機構(gòu)，以及各部件之間的聯(lián)系等。它所涉及到

的問題是如何合理地配置硬件功能和技術(shù)指標

在設(shè)有微程序控制器的計算機系統(tǒng)中，執(zhí)行指令的過程實

際上就是執(zhí)行微程序的過程。這對于微程序設(shè)計人員來說，他們

所看到的外特性實際上就是微程序控制器的外特性，也稱為“微

外特性”。

如果把它作為一個抽象級，可以視為硬件與固件之間的界面，也

稱為微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

外特性、內(nèi)特性及微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系如圖1.2所示。

由于計算機系統(tǒng)的外特性是對內(nèi)特性的抽象，因此二者之間的影射關(guān)

系是一對多的關(guān)系，即某一外特性可以影射多種內(nèi)特性；而某一內(nèi)特

性也可以影射多種物理實現(xiàn)。

外特性計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一?抽象

-1

-I________

實現(xiàn)內(nèi)特性計算機組成

V；----?抽象~

__________i1

微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

I抽象

電子線路、邏輯門、寄存器等器件I計算機實現(xiàn)

圖L2計算機的外特性、內(nèi)特性與微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系

3.計算機系統(tǒng)的組成與實現(xiàn)

計算機系統(tǒng)的組成既包括硬件系統(tǒng)，又包括軟件系統(tǒng)。

它的組成與實現(xiàn)如圖1.1所示，即分為下層的物理機和上層的

虛擬機。其系統(tǒng)的組成實際上就是各層的硬件和軟件構(gòu)成的

統(tǒng)一體，由其硬件和軟件實現(xiàn)各層次的功能。各層的組成與

作用已在1.2.1節(jié)介紹。

1.5軟件的戶生?發(fā)屐與軟件危機

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類方式主要有三種。一種是按“流”分

類，一種是按“并行級”和“流水線”分類，另一種是按照計

算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最大并行度進行分類。

1.3,1按“流”分類

按“并行級”和“流水線”

IS1分類

133馮氏分類法同

山I.S.I按“流”分類

按“流”分類法是Flynn教授在1966年提出的一種分類方法，他

是按照計算機中指令流(Instructionstream)和數(shù)據(jù)流(Datastream)

的多倍性進行分類。

所謂指令流是指機器執(zhí)行的指令序列；所謂數(shù)據(jù)流是指指令流調(diào)

用的數(shù)據(jù)序列。多倍性是指在機器中最受限制(瓶頸最嚴重)的部件上,

在同一時間單位中，最多可并行執(zhí)行的指令條數(shù)或處理的數(shù)據(jù)個數(shù)。

這樣，可分成如表1.2所示的四種類

型，即：單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD)表1.2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)的Flynn分類

多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD)數(shù)據(jù)流

單多

多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)指令流

四種類型如圖1.3所示，其中CU表示單SISDSIMD

控制部件，PU表示處理部件，MM是主存模

多MISDMIMD

塊，CS表示控制流，DS表示數(shù)據(jù)流，IS表

示指令流，SM表示共享主存。

/Il

1.SISD計算機

單指令流單數(shù)據(jù)流計算機如圖1.3(a)所示，控制部件(CU)只有一個，

處理部件(PU)也只有一個。同一時間單元中只能對一條指令進行譯碼和執(zhí)

行。由于主存模塊(MM)也是一個，因此一次所能處理的數(shù)據(jù)也是一個。

2.SIMD計算機

單指令流多數(shù)據(jù)流計算機如圖1.3(b)所示，控制部件(CU)只有一個，

在同一時間單元內(nèi)只能對一條指令進行譯碼和執(zhí)行；但是有多個處理部件

(PU),同時執(zhí)行控制單元分配給各自的任務(wù)，對多個數(shù)據(jù)進行處理，即多

數(shù)據(jù)流。并行處理機可謂這種結(jié)構(gòu)的典型代表。例如ILLIACTV,ICL-DAP,

CRAY-1,YH-1以及CM-2等。

口

3；MISD計算機

多指令流單數(shù)據(jù)流計算機如圖1.3(c)所示，控制部件(CU)有多個，處

理部件(PU)也有多個，在同一時間單元內(nèi)可對多條指令進行譯碼和執(zhí)行，

即多個指令流。但是主存模塊(SM)只有一個數(shù)據(jù)通路，僅對一個數(shù)據(jù)流進

行處理。

目前，有人認為這種結(jié)構(gòu)尚不存在；但是也有學者認為，超級標量

機、超長指令字計算機、退耦以及脈動陣列機可歸屬于SIMD計算機。

4.MIMD計算機

多指令流多數(shù)據(jù)流計算機如圖1.3(d)所示，有多個控制部件(CU)和多

個處理部件(PU),可對多個數(shù)據(jù)流進行處理。目前的大多數(shù)多處理機系統(tǒng)

和多計算機系統(tǒng)當屬這種類型。其中，多個處理機共享一個主存空間，并

由共享主存交換或傳遞數(shù)據(jù)信息的稱為緊耦合MIMD系統(tǒng)；對于不直接共享

一個主存空間的，稱為松耦合MIMD系統(tǒng)。實際上，它也是多個獨立的SISD

計算機系統(tǒng)的集合。例如IBM370/168MP,CRAYX-MP,YH-2等。

1.3.2按“并行級”和“流水線”

按“并行級”和“流水線”引舞是WolfganH&ndler在1977年提

出的。是在計算機系統(tǒng)的三個子系統(tǒng)集上，按照并行性和流水線的處

理程度分類。三個層次是處理控制器（PCU）、運算部件（ALU）和位級電

路（BLC）。這樣，一個計算機系統(tǒng)可描述為：

7（C）=＜左二少x獷＞其中:

C表示計算機系統(tǒng)型號；

后表示計算機系統(tǒng)中處理控制器（PCU）的個數(shù)；

々'表示可組成流水線的處理控制器的個數(shù)；

d表示每一個PCU中運算部件（ALU或PE）的個數(shù)；

"表示可組成流水線的ALU或PE的個數(shù)；

碌示ALU或PE的字長；

”表示所有ALU或一個PE中的流水段數(shù)。

如果任意一對參數(shù)的第二個元素值為1,則可以省略。

口

UA

【例1.1】CDC6600計算機系統(tǒng)有一個CPU,它的ALU有10個功能部件，

所有的功能部件可以連成一條流水線，字長60位；此外，配有10個可并行

工作的I/O處理機，每一個I/O處理機有一個ALU,字長12位。貝ICDC6600計

算機系統(tǒng)可以描述為：

7(CDC6600)=7<中央處理機〉x<1/0處理機)

=<1,1x10,60>x<10,1,12>

【例1.2]CRAY-1計算機有一個CPU,12個相當于ALU或PE的處理部件,

最多可實現(xiàn)8級流水線；字長64位，可實現(xiàn)1?14位流水線處理。則CRAY-1

計算機系統(tǒng)可描述為：

7(CRAY-1)=<1,12x8,64x(1?14)>

按照WolfganHandler分類法，一些典型計算機可表示為：

r(PDPH)=(1,1,16)

AILLIACIV)=(1,64,64)

Z(STARAN)=(1,8192,1)

T(MPP)=(1,16384,1)

7(C.mmp)=(16,1,16)

T(PEPE)=(1x3,288,32)

/JJ

1.3.3馮氏分類法

馮氏分類法是美籍華人馮澤云于1972年提出來的一種分類方法。

他是按照“最大并行度”對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分類。

所謂最大并行度用用］表示，定義為計算機系統(tǒng)在單位時間內(nèi)所

能處理的最大二進制位數(shù)。若設(shè)每一個時鐘周期△行內(nèi)能同時處理

的二進制位數(shù)為Pi,則葉時鐘周期內(nèi)平均并行度為：

T

pa=(ZAAA)/T

i=l

平均并行度取決于系統(tǒng)的運行程度，與應(yīng)用程序有關(guān)。

為了表示這一特性，可引入系統(tǒng)在什時鐘周期內(nèi)的平均利用

率，用〃表示：

T

〃=2/幾=)/T/Tm

i=l

/11!

下面可通過圖1.4給出用“最大并行度”對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分類

的方法。其中直角坐標系中的一個點代表一個計算機系統(tǒng)；橫坐標表示

字寬S位），即在一個字中可同時處理的二進制位數(shù)；縱坐標表示位片寬

度（"字），即在一個位片中可同時處理的字數(shù)。這樣，對于一個計算機系

統(tǒng)的最大并行度可用兩個量的乘積來表示，即通過該點的水平線、垂直

線與兩坐標軸圍成的矩形面積。

加序1MPP

.(1,16384)

16384

PEPE

288?_..(32,288)

.[STARAN

256

：(1,256)

ILLIAC-IV

64

1

\TI-ASC

_______J(64,32)

32

Commp1

1

T_________“16,⑹i

16I

i

!EDVAC!PDP-11370/168i

i

：(U)：(16,1)(32,1)l

0

1163264W位

圖1.4馮氏分類法同

由圖1.4可見，按照對數(shù)據(jù)處理的方式，可得到4種不同處理方式的計算

機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

①字串位串(WSBS,WordSerialandBitSerial),即/尸1,

片1。這主要是第一代計算機發(fā)展的初期，采用純串行工作方式的一類

計算機。

②字并位串(WPBS,WordParallelandBitSerial),即

片L這主要是傳統(tǒng)的并行單處理機。

③字串位并(WSBP,WordSerialandBitParallel),即rl,

/〃>1。STARAN.MPP、DAP等屬于這種結(jié)構(gòu)。

④字并位并(WPBP,WordParallelandBitParallel),即z?>l,

力>1。PEPE、ILLIAC-IV.C.mmp等屬于這種結(jié)構(gòu)。

口

1.4.1定量分析法

1.大概率事件優(yōu)先原理

大概率事件優(yōu)先原理的基本思想是對大概率事件（最常見的事件）

賦予優(yōu)先處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局最優(yōu)結(jié)果。例如在CPU的加

法運算中，溢出是小概率事件，無溢出是大概率事件。相比之下，應(yīng)

對無溢出加法進行優(yōu)化設(shè)計，力口快無溢出加法的速度；而溢出會降低

機器的運算速度，但是它的概率很小。因此，從總體上來看，機器的

性能還是提高了。

2.Amdahl定律

Amdahl定律是Amdahl于1967年提出來的。他指出，對某一部件采

取某種更快的執(zhí)行方式，所獲得的系統(tǒng)性能改進程度取決于這種執(zhí)行

方式被使用的概率或所占用總執(zhí)行時間的比例。簡言之，加快某種部

件執(zhí)行的速度所獲得系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中的重要

性或使用概率。

若用76表示某部件改進前執(zhí)行某一任務(wù)所用的時間，7b表示改進后執(zhí)行

該任務(wù)所用的時間；re表示部件經(jīng)改進后其功能加快的倍數(shù)，/b表示該部

件執(zhí)行占系統(tǒng)總執(zhí)行時間的百分比；則系統(tǒng)性能（或時間）加速比Sp的公式

可表示如下：

,（1—兀+

J

顯然，當於為0時，Sp為1,表示被改進或增強功能的設(shè)備沒有使用;

當ret8時：

—0,貝凡f-------

re(1-J/e)

/JJ

【例1.3］若將計算機系統(tǒng)中某一部件的處理速度提高8倍，該

部件處理時間占整個系統(tǒng)運行時間的60%。試問該部件的處理

速度提高后，整個系統(tǒng)的性能提高了多少？

解：根據(jù)題意，re=8,/e=60%,則

11

樂=----------------=-----------------2.11

QY)+fe(1-0.6)+0,6

8

若以Sp為縱坐

標，/b為橫坐標，對

不同的re,可畫出函

數(shù)：

5p=A/e)

的曲線，如圖1.5

所示。

圖L5Sp4曲線

7

/」」【例1.4】假設(shè)某程序中，求浮點數(shù)平方根FPSQR操作占整個程序執(zhí)行時

間的20%,而所有浮點運算指令FP操作占整個程序執(zhí)行時間的50%?，F(xiàn)用兩

種措施來提高計算機系統(tǒng)的性能，一種是采用FPSQR硬件，可使FPSQR操作

的速度提高10倍；另一種是使所有浮點運算指令的速度提高2倍。試比較兩

種改進方案。

解：在兩種實施方案下，re分別是10和2;fe分別是20%和50%,使用加

速比Sp的公式：

_1_1

PFPSQR122

_(1_y)+Z/~(l-0.2)+0.2/10~1

c1,1

SPFP=7_7="1?33

(>/)+夕(l-0.5)+0.5/2

通過計算可以看出，使采用“提高FP指令的速度”，要比“FPSQR硬件”

方案好一些。

1.4.2CPU性能分析

在大多數(shù)計算機中，時鐘周期用又表示，單位為ns。對于一個

有7N條指令的程序來說，執(zhí)行時間可7CPU來表示，貝上

x

TQPU=4xCPI7^

其中CPI表示執(zhí)行一條指令所需要的平均時鐘周期數(shù)：

Z9Plx4)

CJPI=----------------------------

IN

人表示程序中指令的總數(shù)，人表示第/類指令在程序中執(zhí)行的次數(shù),

以Z表示執(zhí)行一條第/類指令所需要的平均時鐘周期數(shù)，刀為程序中所

有指令的種類數(shù)。

回

/Ill

上述還可以表示為:n

CPICPI=Z(CPLX-)

/=1

【例1.5］假設(shè)某標量計算機使用的時鐘頻

率為40MHz,在執(zhí)行一個典型的測試程序時，所

測到的指令類型、指令的條數(shù)以及所用時鐘周表1.3』執(zhí)行程序參數(shù)表

期數(shù)如表1.3所示。試求執(zhí)行該程序時的平均時指令類型指令數(shù)時鐘周期數(shù)

鐘周期數(shù)CPI和總的CPU執(zhí)行時間。整數(shù)算術(shù)450001

數(shù)據(jù)傳送320002

解:根據(jù)題意6

Tc=l/(40x10)=25ns浮點運算150004

控制轉(zhuǎn)移80002

4

CPIPliXRIZN=(45000X1+32000X2+15000X4+8000X2)/100000=1.85

五pu=CPIXl~c-1-85X100000x25=4625000ns=4.625ms

1.4.3MIPS與MFLOPS指標

除了上述性能加速比Sp和平均時鐘周期數(shù)CPI之外，在衡量計算

機的運算速度時常用的還有MIPS和MFLOPS指標。

1.基本公式

(1)MIPS

MIPS表示每秒百萬條指令，用來衡量標量處理機定點運算的速度。

對于一個給定的程序，MIPS可表示為：

，N_______________________________Rc

MIPS666

=TEXIO=/Nxcpixrcxio=CPIXIo

式中久表示程序執(zhí)行時間；竟表示時鐘速率，是時鐘周期兀的倒數(shù)。

根據(jù)這一定義，上述例1.6中處理機的MIPS值為：

，N7N

MIPS==21.62(百萬條指令/秒)

696

rExio4625000X10-X10

/JJ

(2)MFLOPS

MFLOPS表示每秒百萬條浮點運算指令，用來衡量浮點處理機的運算速

度。對于一個給定的程序，MFLOPS可表示為：

MFLOPS=1FN

TexIO，

式中之表示程序中浮點運算的次數(shù)(即指令的條數(shù))，4表示程序執(zhí)行

時間。

在MFLOPS和MIPS的量值之間沒有直接的聯(lián)系和統(tǒng)一的標準，但是人們

認為在一般標量機上進行一次浮點運算需要2?5條指令，取平均值3,故

1MFLOPS?3MIPSO

2.基準測試程序

為了較好地反映計算機系統(tǒng)的性能，常用不同層次的基準應(yīng)用程

序(Bebchmark)來評價系統(tǒng)的性能，主要有以下幾種。

(1)采用實際應(yīng)用程序

根據(jù)不同的被測系統(tǒng)，可選用不同的實際測試程序。例如C語言編譯

程序、TeX文本處理程序、CAD工具軟件Spice等。

(2)采用核心程序

是從實際運行的程序中抽出少量關(guān)鍵性的循環(huán)程序段，以此測試和評

估計算機系統(tǒng)的性能，例如livermore24Loops>Linpack等。

(3)合成測試程序

類似于核心程序，它是考慮到各種操作和程序的比例而專門編寫

的，比較流行的有Whetstone和Dhrystone。其中Whetstone是由整型

運算和浮點運算混合組成，包括超越函數(shù)、條件轉(zhuǎn)移和函數(shù)調(diào)用等；

Dhrystone主要是有關(guān)的整型運算，包括字符串及數(shù)組處理等。

LU

(4)小測試程序

通常測試程序代碼在100行以下，運行結(jié)果可以預(yù)知，例如Sieveof

Erastosthenes>Puzzle、Quicksort等程序。

(5)SPEC測試程序

為了對計算機系統(tǒng)有一個比較公正的評價，1988年起，美國HP、DEC、

MIPS、SUN等公司發(fā)起成立了一個系統(tǒng)性能評價合作團體(SPEC組織)，用

一組實用程序和相應(yīng)輸入來評價計算機系統(tǒng)的性能。典型測試程序主要

有以下10個：GCC、Espresso.Spice2g6、DODUC.NASA7、Li、Eqntott.

Matrix300,FPPPP,T0MCATVo其中GCC、Espresso,Li、Eqntott是用C

語言編寫，進行整型運算；其余是用FORTRAN語言編寫，進行浮點運算。

測試結(jié)果用SPECmark分值表示，其值越大越好。1SPECmark約相

當于0.2?0.3MFL0PSo測試程序進一步分為整型SPECint和浮點SPECfp。

與之類似,還有Perfect俱樂部的一組稱為PerfectClub的典型

測試程序。

1.4.4性能測試結(jié)果的統(tǒng)計與比較

1.性能測試結(jié)果的統(tǒng)計

關(guān)于計算機系統(tǒng)性能的評價，通常有峰值性能(Peak

performance)和持續(xù)性能(Sustainedperformance)兩個標準。表

示持續(xù)性能的主要有算術(shù)平均值、幾何平均值和調(diào)和平均值。

(1)算術(shù)平均值

設(shè)有刀個測試程序，其中第/個程序的執(zhí)行速率用人表示，執(zhí)行周

期用力表示，則算術(shù)平均值和可表示為：

1"1"1

Am——Ri———

瞳』幾t=iTi

若用執(zhí)行時間表示性能，貝心

/JJ

如果考慮不同的程序在總的任務(wù)中所占的比例不同，比如程序1占20%,

程序2占40%等，那么可以用權(quán)因子予以表述，其權(quán)分別為0.2和0.4。若用外

表示權(quán)因子，則加權(quán)平均值可表示為：

n"]

Am=￡WiRi=￡仍—

i=\i=\Ti

(2)調(diào)和平均值

nn

設(shè)調(diào)和平均值用捌表示，則Hm=F一廠=F一■

i=l八'z=l

加權(quán)調(diào)和平均值可表示為：nn

Hm=---------=-------------

"Wi"

y——ynwi

Z=111Z=1

UA

(3)幾何平均值

設(shè)幾何平均值用的表示，則

Gm勺中i

加權(quán)幾何平均值可表示為：

ri1

Gm=TT因嚴

i=\

采用施1表示計算機系統(tǒng)的性能時有一個很好的特性：

GQi)yj

在以上三種表示中，由于幾何平均比值與比的幾何平均值相等,

因此有時使用6hi較為方便。

【例1.6】已知A、B、C三臺計表1.4執(zhí)行程序參數(shù)表

算機執(zhí)行4個程序所用的時間如表1.4計算機執(zhí)行時間(s)

所示。假設(shè)每一個程序都有108條指程序ABC

令，試計算三臺計算機執(zhí)行每一個程111020

2100010020

序時的MIPS值，并用加、枷、捌表示

3500100050

每一臺計算機的性能。

4100800100

亙

in

解：使用公式MIPS=可求出MIPS值，如表L5所示;

/E入1U

/m、Hn、GTI的值如表1.6所示。

表1.5三臺計算機MIPS速率

表1.6三臺計算機力LJGm值

MIPS速率‘m、''m、

算機計算機

程序、、ABC

ABC平均值

1100105"m25.32.813.25

20.115小0.250.212.11

30.20.12

1.1890.59462.672

410.1251Gm

山1.5計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的

I發(fā)展過程

71.5.1計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變過

程

-1.5.2軟件對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展

的影響問答題

/1.5.3應(yīng)用需求對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

發(fā)展的影響

一154器件對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展

的影響

一155算法對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展

的影響

口

1.5.1計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變過程

早期的計算機是以運算器為中心的體系結(jié)構(gòu)。以后50多年

逐步演變成以存儲器為中心，并采用流水線、多處理器、多處

理機的并行處理技術(shù)，使其功能得到不斷地提高。

按其規(guī)模，相繼出現(xiàn)了小型機、中型機、大型機、巨型機、

微型機，以后又演變出超級小型機、小巨型機、工程工作站以

及嵌入式微程序控制器等。

按其結(jié)構(gòu)，相繼出現(xiàn)了流水線計算機、向量機、并行多處

理機以及非馮.諾依曼的數(shù)據(jù)流機、歸約機和人工智能推理機等；

目前，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制的發(fā)展，各種專用計算

機層出不窮。

1.以運算器為中心的體系結(jié)構(gòu)

早期的計算機主要是以運算器為中心，所有的輸入輸出都通過

運算器來進行，其示意如圖1.6所示，

口

廣存儲器

輸

輸

出

入J1

士＞|運算器

原始數(shù)據(jù)口設(shè)

設(shè)=＞輸出結(jié)果

備

和運算步驟備

T

控制器

圖1.6以運算器為中心的體系結(jié)構(gòu)

主要特點如下：

①存儲程序方式；

②單處理器結(jié)構(gòu)；

③使用單元定長的一維存儲器空間；

④使用低級的機器語言，數(shù)據(jù)以二進制形式表示；

⑤以運算器為中心，所有輸入輸出都要通過運算器進行。

這種結(jié)構(gòu)有兩個瓶頸。一是物理瓶頸，數(shù)據(jù)只能通過累加器傳送;

二是智能瓶頸，每次只能由控制器依次取出一條指令執(zhí)行。

2.單CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變

以后計算機有了很大的發(fā)展，可概括為兩個方面。一種是改進

的方法，即保留馮?諾依曼的“存儲程序”思想，在體系結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)

方法上進行改進。另一種是革命的方法，發(fā)展非馮?諾依曼計算機。

在改進馮?諾依曼計算機的過程中，產(chǎn)生了以存儲器為中心的體

系結(jié)構(gòu)，如圖L7所示。改進的思想和方法可歸納如下：

運算器

輸

輸

出

入

輸

入

設(shè)

設(shè)輸出

備

T備

控制器

圖L7以存儲器為中心的體系結(jié)構(gòu)

①增加新的數(shù)據(jù)表示形式，比如浮點數(shù)、字符串、十進制等，采

用虛擬存儲器，引入堆棧，以提高不同類型數(shù)據(jù)的處理能力，支持高級

語言編程以及其中的過程調(diào)用、遞歸運算及表達式求值等操作。

②采用變址寄存器，提供多種間接尋址方式，以方便對結(jié)構(gòu)化數(shù)

據(jù)對象的訪問與處理。

③大量使用通用寄存器，增設(shè)高速緩沖存儲器Cache,以減少訪問

主存儲器的次數(shù)，緩解CPU與主存之間數(shù)據(jù)的頻繁傳送。

④采用自定義數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)標識符表明CPU進行何種操作，以減少

指令的類型和條數(shù)，方便程序設(shè)計。

⑤使程序/數(shù)據(jù)存儲器獨立設(shè)置，采用多體交叉存儲器和無沖突并

行訪問技術(shù)，以提高CPU訪問主存的帶寬與速度。

⑥采用多功能部件，以支持流水線技術(shù)，加快指令處理速度，提

高MIPS/MFLOPS速率。

3.并行處理技術(shù)

即發(fā)展多處理器和以并行計算為基礎(chǔ)的并行處理技術(shù)，從而出現(xiàn)

了陣列機和多處理機系統(tǒng)；以后，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，人們又在

發(fā)展各種適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的計算機，以便更大范圍地實現(xiàn)并行處理與

資源共享。

①采用多處理器，以支持流水線和并行處理技術(shù)，加快指令的

執(zhí)行和數(shù)據(jù)處理的速度，比如產(chǎn)生了針對向量運算的向量機、脈動陣

列機等。

②采用多個處理機，構(gòu)成并行處理機系統(tǒng)，比如設(shè)置浮點運算

協(xié)處理機、I/O處理機等，以提高整機的數(shù)據(jù)處理能力和I/O速率；在

此基礎(chǔ)上，發(fā)展為多個處理機的并行處理機系統(tǒng)。

③隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各種計算機都配置了調(diào)制解調(diào)器，

以便聯(lián)網(wǎng)，以實現(xiàn)更大范圍的多機并行處理和資源共享。

4,非馮.諾依曼計算機

馮.諾依曼計算機是一種控制驅(qū)動方式。隨著科學技術(shù)的發(fā)展,

人們也在尋求其它驅(qū)動方式。于是，產(chǎn)生了數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)流機、

需求驅(qū)動的歸約機。

為了使計算機能夠理解人們的自然語言，具有視覺能力，識另1

景物；能夠自主學習，并進行知識的積累與重構(gòu)，于是產(chǎn)生了人工

智能計算機的研究。

這類計算機不遵循或者不完全遵循“存儲程序”的思想，因此

稱為非馮.諾依曼計算機。

1.5.2軟件對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展

的影響問答題

在計算機硬件和軟件的發(fā)展過程中，人們希望原有的軟件能夠繼續(xù)使

用；對于兩種不同的計算機，希望一臺計算機兼容另一臺計算機的功能。

于是，導(dǎo)致了模擬與仿真技術(shù)、系列機、兼容機以及統(tǒng)一高級語言標準的

出現(xiàn)。這些，都影響到計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化與發(fā)展。

1.模擬與仿真

為了在一臺計算機上實現(xiàn)另一臺計算機的功能，模擬和仿真技術(shù)成

為主要途徑。

(1)模擬

所謂“模擬”是用軟件的方法在一臺計算機上實現(xiàn)另一臺計算機的功

能。比如在A機上實現(xiàn)B機的指令系統(tǒng)，可用解釋的方法來實現(xiàn)。就是說，

對于B機上的一條指令，在A機上用一段程序予以解釋和執(zhí)行。這種用已有

的機器語言程序進行解釋和執(zhí)行，以此實現(xiàn)軟件移植的方法稱為模擬。A

機通常稱為宿主機；因為B機實際上不一定存在，因此稱為虛擬機。

(2)仿真

所謂仿真，是當宿主機采用微程序控制器時，通過宿主機上的微程

序來實現(xiàn)虛擬機指令系統(tǒng)中一條指令的功能。也就是說，通過A機上的一

段微程序，來實現(xiàn)B機上一條指令的功能。這時，A機稱為宿主機，B機稱

為目標機。由于在A機中，微程序存放在微程序控制器中，是硬件(固件)

的一部分，因此其速度比純軟件的模擬方法快。但是，微程序控制器依

賴于計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計起來較為復(fù)雜，因此常把仿真與模擬方法

結(jié)合起來使用。

2.系列機與兼容機

(1)系列機的概念

系列機一般是按同一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而生產(chǎn)的一系列計算機。這些計算機

在性能參數(shù)上有所不同，但是具有相同的概念性結(jié)構(gòu)和物理屬性，系統(tǒng)

軟件在不同檔次的計算機上都可以使用。也就是說，在設(shè)計和制造時采

用統(tǒng)一的機器語言、數(shù)據(jù)表示和概念性結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了系統(tǒng)軟件在不同檔

次計算機上的可移植性。

例如IBM360、370系列機,DEC公司的PDP-11、VAX-11、Intel公司

的80x86、Motor。la公司的680x0以及我國的銀河等系列機。

■同

在一個系列中，

又有許多不同型號的

計算機，例如，在

IBM370包含有115,

125,135,145,158,

168等型號的計算機，

其性能是由低到高。

但是機器語言級的程

序員所看到的概念性

結(jié)構(gòu)和功能屬性是一

樣的,如圖1.8所示。

圖1.8IBM370系列機的概念性結(jié)構(gòu)

都是由中央處理器/主存--通道--設(shè)備控制器--外圍設(shè)備四級組

成。

(2)系列機的實現(xiàn)

于系列機的生產(chǎn)，要預(yù)先確定一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即軟件與硬件之間的

界面。然后進行系統(tǒng)軟件的設(shè)計和采用不同的組成方式和物理實現(xiàn)的技

術(shù)，以生產(chǎn)出