計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(第一講)主講教師：陸達(dá)聯(lián)系方式：Tel：2580131

E-mail：luda@xmu.edu.cn主教材：鄭緯民、湯志忠，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第二版），北京：清華大學(xué)出版社，1998年主要參考書(shū)：

1、李學(xué)干、蘇東莊，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，19962、KAIHWANG著，王鼎興，沈美明，鄭緯民等譯，高等計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)――并行性可擴(kuò)展性可編程性，北京：清華大學(xué)出版社3、PattersonDA.,HennessyJL.,ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach2ed.SanFrancisco:MorganKanfmannPublishers,1995第一章

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念五代計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史第一代：1945年-1954年第二代：1955年-1964年第三代：1965年-1974年第四代：1974年-1991年第五代：1991年-現(xiàn)在換代的標(biāo)志主要有二個(gè)計(jì)算機(jī)的器件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

P.H.Enslow

1965年-1975年器件延遲時(shí)間降低1/10

指令時(shí)間降低1/100(系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)1/10)本課程的目的研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，特別是高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析。本章的重點(diǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義，計(jì)算機(jī)組成定義，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)定義，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)的三者關(guān)系透明性，局部性原理，MIPS定義，MFLOPS定義Amdahl定律CPU性能公式1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)？）

1.1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖1.2機(jī)器的作用和組成共七層（級(jí)）:第0層：硬件實(shí)現(xiàn)（硬件實(shí)現(xiàn)）第1層：微程序（固件）實(shí)現(xiàn)（固件(Firmware)實(shí)現(xiàn)）第2層：傳統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器（軟件實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)器）第3層：操作系統(tǒng)機(jī)器（軟件實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)器）第4層：匯編語(yǔ)言機(jī)器（軟件實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)器）第5層：高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器（軟件實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)器）第6層：應(yīng)用語(yǔ)言機(jī)器（軟件實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)器）其中:第0層-第2層：計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)（計(jì)算機(jī)組成原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）第3層-第5層：系統(tǒng)軟件（計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)）第6層：應(yīng)用軟件

Notice：存在交叉！1.1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義ComputerArchitecture1964年，Amdahl提出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義為：由程序設(shè)計(jì)者所看到的一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。硬件子系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性：

數(shù)據(jù)表示；尋址方式；寄存器定義；指令系統(tǒng)；中斷機(jī)構(gòu)；機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換；輸入輸出結(jié)構(gòu)；信息保護(hù)。透明性現(xiàn)象：一種本來(lái)是存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看似乎不存在，稱(chēng)為透明性現(xiàn)象。如低層機(jī)器級(jí)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，對(duì)高級(jí)語(yǔ)言程序員來(lái)說(shuō)是透明的。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

主要研究軟件、硬件功能分配和對(duì)軟件、硬件界面的確定。1.1.3計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件、硬件的界面計(jì)算機(jī)組成：是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)Notice：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的界限模糊。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義（Amdahl）：

指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模型，功能模塊的設(shè)計(jì)。1.1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)巨型、大型、中型、小型、微型科學(xué)計(jì)算、事物處理、實(shí)時(shí)控制、家用單處理機(jī)、多處理機(jī)、并行處理機(jī)、關(guān)聯(lián)處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、流水線處理機(jī)、對(duì)稱(chēng)多處理機(jī)（SMP）、大規(guī)模并行處理機(jī)（MPP）、機(jī)群系統(tǒng)1、Flynn分類(lèi)法

(1966年M.J.Flynn提出)

指令流：InstructionStream數(shù)據(jù)流：DataStream多倍性：MultiplicitySISD：傳統(tǒng)的順序處理計(jì)算機(jī)SIMD：陣列處理機(jī)并行處理機(jī)MISD：流水線結(jié)構(gòu)機(jī)器MIMD：多處理機(jī)2、馮氏分類(lèi)法

(1972年馮澤云提出)

最大并行度：Pm平均并行度：Pa平均利用率：μ=Pa/PmWSBS：字串位串純串行計(jì)算機(jī)WPBS：字并位串傳統(tǒng)的并行單處理機(jī)WSBP：字串位并

STARAN，MPP(大規(guī)模并行處理機(jī))，DAPWPBP：字并位并

PEPE，ILLIACⅣ，Cmmp3、Handler分類(lèi)法

(1977年WolfganHandler提出)

k：程序控制部件的個(gè)數(shù)d：算術(shù)邏輯部件或處理部件的個(gè)數(shù)w：每個(gè)算術(shù)邏輯部件包含基本邏輯線路的套數(shù)t（系統(tǒng)型號(hào)）=（k，d，w）k’：宏流水線中程序控制部件的個(gè)數(shù)d’：指令流水線中算術(shù)邏輯部件的個(gè)數(shù)w’：操作流水線中基本邏輯線路的套數(shù)t（系統(tǒng)型號(hào)）=（k*k’，d*d’，w*w’）例：t（Cray1）=(1，12X8，64（1～14)）1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

（計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)有什么關(guān)系？）

1.2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理1、加快經(jīng)常性事件的速度2、Amdahl定律Fe=可改進(jìn)部分占用的時(shí)間/改進(jìn)前整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間Se=改進(jìn)前改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間/改進(jìn)后改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間Tn=To(1-Fe+Fe/Se)Tn<ToSn（加速比）=To/Tn=改進(jìn)前整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間/改進(jìn)后整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間例1.1例1.23、CPU性能公式CPU時(shí)間=（IC*CPI）*時(shí)鐘周期長(zhǎng)度=（IC*CPI）/頻率CPU時(shí)鐘周期數(shù)=IC*CPI

例1.3例1.4例1.54、訪問(wèn)的局部性原理程序往往重復(fù)使用它剛剛使用過(guò)的數(shù)據(jù)和指令局部性：時(shí)間上的局部性空間上的局部性1.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)確定用戶(hù)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能、價(jià)格和性能的要求應(yīng)用領(lǐng)域、軟件兼容層次、操作系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)軟硬件的平衡

軟：易升級(jí)，速度慢；硬：復(fù)雜，速度快設(shè)計(jì)出符合今后發(fā)展方向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)編譯系統(tǒng)的發(fā)展；編程模式的發(fā)展

1.2.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法Buttom-upTop-downMiddle-out

（軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行）1.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

速度、程序和數(shù)據(jù)的容量、功耗、體積、編程的難易程度、成本等性能、成本1.3.1性能

1、主要標(biāo)準(zhǔn)

MIPSMIPS=指令條數(shù)/（執(zhí)行時(shí)間*106）

MIPS的缺陷：三個(gè)方面（特別是第三點(diǎn)）MFLOPSMFLOPS是基于操作而非指令的用基準(zhǔn)測(cè)試程序來(lái)測(cè)試評(píng)價(jià)機(jī)器的性能綜合基準(zhǔn)測(cè)試程序2、性能的比較總執(zhí)行時(shí)間：一致的衡量標(biāo)準(zhǔn)加權(quán)執(zhí)行時(shí)間：Am，Hm1.3.2成本1、成本指標(biāo)圖1.5硬件的成本軟件的成本圖1.6一次性開(kāi)發(fā)成本每個(gè)部件的生產(chǎn)成本2、硬件考慮結(jié)論：（1）、價(jià)格、性能（2）、負(fù)載（3）、使用大量器件但效率很低；設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而效率很高1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4.1VonNeumann結(jié)構(gòu)圖1.7：1946年VonNeumann提出VonNeumann計(jì)算機(jī)的特征：(1)、存儲(chǔ)器，一維結(jié)構(gòu)(2)、存儲(chǔ)器，一級(jí)地址空間(3)、低級(jí)機(jī)器語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)(4)、指令，順序執(zhí)行(5)、以運(yùn)算器為中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)：(1)、并行算法(2)、面向高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器(3)、面向操作系統(tǒng)機(jī)器(4)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型、需求驅(qū)動(dòng)型(5)、專(zhuān)用計(jì)算機(jī)(6)、容錯(cuò)計(jì)算機(jī)(7)、外圍處理機(jī)、通信處理機(jī)(8)、LSI、VLSI(9)、智能計(jì)算機(jī)1.4.2軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響軟件危機(jī)軟件的可兼容性軟件的可移植性三種方法：系列機(jī)的方法、模擬與仿真的方法、統(tǒng)一的高級(jí)語(yǔ)言的方法1、采用系列機(jī)的方法向上兼容：486機(jī)器的程序，可以運(yùn)行在586機(jī)器上向下兼容：586機(jī)器的程序，可以運(yùn)行在486機(jī)器上向前兼容：2002年生產(chǎn)的機(jī)器上的程序，可以運(yùn)行在1999年生產(chǎn)的機(jī)器上向后兼容：1999年生產(chǎn)的機(jī)器上的程序，可以運(yùn)行在2002年生產(chǎn)的機(jī)器上系列機(jī)：同一廠家生產(chǎn)的機(jī)器兼容機(jī)：不同廠家生產(chǎn)的機(jī)器

Amdahl470/480與IBM370兼容2、采用模擬與仿真的方法在一種機(jī)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)另一種機(jī)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模擬方法：

采用純軟件的方法速度慢

在A上模擬BA稱(chēng)為宿主機(jī)，B稱(chēng)為虛擬機(jī)仿真方法：

采用微程序直接解釋另一種機(jī)器指令系統(tǒng)的方法速度快在A上仿真BA稱(chēng)為宿主機(jī)，B稱(chēng)為目標(biāo)機(jī)模擬和仿真方法的結(jié)合：3、采用統(tǒng)一的高級(jí)語(yǔ)言方法語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化1.4.3價(jià)格對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的二條重要途徑：（1）、性能或價(jià)格較小的變化產(chǎn)生比原系統(tǒng)好的性能/價(jià)格比（2）、提高系統(tǒng)的絕對(duì)性能，而價(jià)格增加比較合理

1.4.4應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響特殊的應(yīng)用領(lǐng)域：（1）、高結(jié)構(gòu)化數(shù)值計(jì)算（2）、非結(jié)構(gòu)化數(shù)值計(jì)算（3）、實(shí)時(shí)多因素問(wèn)題（4）、大存儲(chǔ)器容量（5）、圖形學(xué)（6）、人工智能1.4.5VLSI對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響

那時(shí)看來(lái)使用大型計(jì)算機(jī)在經(jīng)濟(jì)上是合算的現(xiàn)在許多用戶(hù)共享一臺(tái)大型機(jī)看來(lái)并不非常經(jīng)濟(jì)了1.4.6技術(shù)的發(fā)展對(duì)價(jià)格的影響MIPS=（指令條數(shù)/時(shí)鐘周期）*（周期數(shù)目/秒）*10-6第一項(xiàng)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)；第二項(xiàng)與所采用的器件技術(shù)有關(guān)增加第一項(xiàng)指標(biāo)的方法：（1）、減少要執(zhí)行的指令條數(shù)（2）、增加硬件輔助部件（3）