計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1講(已修改)
2025-10-09 10:35 本頁面
【正文】 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 1講） 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程介紹 Computer Architecture “建筑學(xué)”、“建筑物的設(shè)計或式樣”，通常是指一個系統(tǒng)的外貌。 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計算機體系結(jié)構(gòu) 研究內(nèi)容 從外部來研究計算機系統(tǒng) 使用者所看到的物理計算機的抽象 編寫出能夠在機器上正確運行的程序所必須了解到的計算機的屬性。 軟硬件功能分配及分界面的確定 學(xué)習(xí)目的 建立計算機系統(tǒng)的完整概念 學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計方法 掌握新型計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理 學(xué)科方向 一級學(xué)科： 計算機科學(xué)與技術(shù) 二級學(xué)科： 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計算機軟件 計算機應(yīng)用技術(shù) 與其他課程的交叉 主要包括： 計算機組成原理、計算機操作系統(tǒng)、匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微機原理、高級語言等 新內(nèi)容： 超標(biāo)量處理機、超流水線處理機、向量處理機、并行處理機、多處理機等 交叉點內(nèi)容： 提高，建立完整概念 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正處于變革時期 軟件、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成技術(shù)，兩頭發(fā)展快、中間慢 非馮計算機正興起 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展時期已經(jīng)到來 課程安排 課內(nèi)： 48學(xué)時； 課外： 課內(nèi)外比例 1:2； 除完成作業(yè)外，還要多看參考書 教材 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ，清華大學(xué)出版社， 2020 主要參考書 1． Patterson D A, Hennessy J L, Computer Architecture: A Quantitative Approach, 2 Ed., San Francisco: Man Kaufmann Publishers, 1995. 2．李學(xué)干 ,蘇東莊 ,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ,西安電子科技大學(xué)出版社 ,1991年。 3． Kai Hwang， 高等計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 并行性 可擴展性 可編程性 ，清華大學(xué)出版社 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 第二章 指令系統(tǒng) 第三章 存儲系統(tǒng) 第四章 輸入輸出系統(tǒng) 第五章 標(biāo)量處理機 第六章 向量處理機 第七章 互連網(wǎng)絡(luò) 第八章 并行處理機和 多處理機 第一章 基本概念 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 計算機系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn) 計算機系統(tǒng)的設(shè)計方法 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 計算機系統(tǒng)的分類 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 兩種定義 1. 定義一 Amdahl于 1964年在推出 IBM360系列計算機時提出： 程序員所看到的計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性 程序員： 匯編語言、機器語言、編譯程序、操作系統(tǒng) 看到的： 編寫出能夠在機器上正確運行的程序所必須了解到的東西 主存儲器 主存控制器 CPU IOP 打印機 卡片機 終 端 IOP 磁盤機 …… 磁帶機 概念結(jié)構(gòu) 功能特性： 指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式 數(shù)據(jù)表示： 硬件能夠直接認(rèn)別和處理的數(shù)據(jù)類型和格式； 尋址方式： 最小尋址單位、尋址方式的種類和地址運算等； 寄存器組織： 操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存器及專用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則等； 指令系統(tǒng)： 機器指令的操作類型、格式，指令間的排序和控制機制等； 中斷系統(tǒng)： 中斷類型、中斷級別和中斷響應(yīng)方式等； 存儲系統(tǒng)： 最小編址單位、編址方式、主存容量、最大尋址空間等； 處理機工作狀態(tài)： 定義和切換方式，如管態(tài)和目態(tài)等； 輸入輸出系統(tǒng)： 連接方式、數(shù)據(jù)交換方式、數(shù)據(jù)交換過程的控制等； 信息保護： 包括信息保護方式和硬件對信息保護的支持等。 2. 透明性概念 本來存在的事物或?qū)傩?，從某種角度看似乎不存在 例如：浮點數(shù)表示、乘法指令 對高級語言程序員、應(yīng)用程序員透明 對匯編語言程序員、機器語言程序員 不透明 例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序 對匯編語言程序員、機器語言程序員 透明 對硬件設(shè)計者、計算機維修人員不透明 3. 定義二：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配和對軟硬件界面的確定 計算機系統(tǒng)由軟件、硬件和固器組成，它們在功能上是同等的。 同一種功能可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件或固件實現(xiàn)。 不同的組成只是性能和價格不同。 計算機組成 計算機組成是指計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，主要包括： 確定數(shù)據(jù)通路的寬度 確定各種操作對功能部件的共享程度 確定專用的功能部件 確定功能部件的并行度 設(shè)計緩沖和排隊策略 設(shè)計控制機構(gòu) 確定采用何種可靠性技術(shù) 計算機系統(tǒng)的實現(xiàn) 計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)，包括： 處理機、主存儲器等部件的物理結(jié)構(gòu) 器件的集成度和速度 專用器件的設(shè)計 器件、模塊、插件、底版的劃分與連接 信號傳輸技術(shù) 電源、冷卻及裝配技術(shù)，相關(guān)制造工藝及技術(shù)等 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 ， 但隨著技術(shù) 、 器件和應(yīng)用的發(fā)展 ， 三者之間的界限越來越模糊 。 . 4 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 1. 虛擬機概念 從不同角度所看到的計算機系統(tǒng)的屬性是不同的，包括： 高級語言程序員、匯編語言程序員、系統(tǒng)管理員、硬件設(shè)計者 大部分人對計算機的認(rèn)識只需要在某一個層次上 廣義語言 解釋或編譯 虛擬計算機 觀察者 作用對象 2. 層次結(jié)構(gòu) (接下頁 ) 中央處理機 第 2級 機器語言 機器語言 程序員 指令系統(tǒng) 目標(biāo)程序 硬聯(lián)邏輯 第 0級 硬聯(lián)邏輯 硬件 設(shè)計員 操作時序 邏輯電路 微程序控制 第 1級 微程序控制 邏輯 設(shè)計員 指令時序 寄存器邏輯 (接下頁 ) 匯編程序 第 4級 匯編程序 匯編語言 程序員 匯編語言 可執(zhí)行程序 操作系統(tǒng) 第 3級 操作系統(tǒng) 系統(tǒng) 操作員 系統(tǒng)原語 鍵盤命令 系統(tǒng)資源 (續(xù)上頁 ) 應(yīng)用程序 第 6級 應(yīng)用程序 用戶 應(yīng)用語言 信息處理系統(tǒng) 高級語言 第 5級 高級語言 高級語言 程序員 解釋程序 編譯程序 可執(zhí)行程序 (續(xù)上頁 ) 2. 層次結(jié)構(gòu) 第 0級由硬件實現(xiàn) 第 1級由微程序?qū)崿F(xiàn) 第 2級至第 6級由軟件實現(xiàn) 由軟件實現(xiàn)的機器稱為： 虛擬機 第 2級是傳統(tǒng)指令系統(tǒng)（機器語言）機器 第 3級是操作系統(tǒng)機器 操作系統(tǒng)是運行在第２級上的解釋程序 第 4級是匯編語言機器 第 5級是高級語言機器 第 6級是應(yīng)用語言機器 從學(xué)科領(lǐng)域來劃分 第 0和第 1級屬于計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第 3至第 5級是系統(tǒng)軟件 第 6級是應(yīng)用軟件
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