【正文】 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 2版） 清華大學計算機系列教材 鄭緯民 湯志忠 編著 課程介紹 1/28/2023 2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 1. 課程名稱 Computer Architecture 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計算機體系結(jié)構(gòu) 建筑物的設(shè)計或式樣 , 通常指一個系統(tǒng)的外貌 2. 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屬性 1/28/2023 3 計算機科學與技術(shù)系 3. 學習目的 建立計算機系統(tǒng)的 完整概念 學習計算機系統(tǒng)的 分析方法和設(shè)計方法 了解計算機系統(tǒng)的 最新研究成果 4. 學科方向 一級學科 1 個：計算機科學與技術(shù) 二級學科 3 個： 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 、計算機軟件及理論、計算機應用技術(shù) 全國重點學科： 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 、計算機應用技術(shù) 1/28/2023 4 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹 5. 與其他學科的交叉 學科交叉： 計算機組成、操作系統(tǒng)、匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微計算機技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)、 …… 新內(nèi)容： 超標量處理機、超流水線處理機、VLIW處理機、向量處理機、并行處理機、多處理機、互連網(wǎng)絡(luò)、 …… 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) 實現(xiàn)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 1/28/2023 5 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹 6. 課程安排 課內(nèi)： 60學時， 課內(nèi)外比例： 課內(nèi) 1：課外 1 除完成作業(yè)之外，還要多看參考書 多看好論文 (被 SCI、 EI 收錄 )，了解國內(nèi)外最新研究成果 7. 教材和參考書 教材： 清華大學計算機系列教材： 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (第二版 ) ，清華大學出版社 1/28/2023 6 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹 參考書： (1)David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Architecture: A Quantitative Approach 3 Ed. San Francisco: Man Kaufmann Publishers 中文：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：一種定量的方法（第二版 ,第三版即將出版），清華大學出版社 (2)Kai Hwang， Advanced Computer Acrchitecture Parallelism Scalability Programmability 中文：高等計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：并行性 可擴展性 可編程性，清華大學出版社、廣西科學技術(shù)出版社 1/28/2023 7 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介 計算機系統(tǒng)的評價標準 計算機系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù) 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 計算機系統(tǒng)的分類 第 1章 基本概念 1/28/2023 8 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介 為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如何認識計算機系統(tǒng) 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 計算機組成技術(shù) 計算機實現(xiàn)技術(shù) 1/28/2023 9 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1. 提高處理機運算速度： MIPS＝ Fz ? IPC 其中 : Fz為處理機的工作主頻 IPC(Instruction Per Cycle)為 每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù) 提高 IPC：依靠先進系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 過去 ， 幾個或幾十個周期完成一條指令 現(xiàn)在 ， 一個周期完成幾條指令 提高 Fz： 縮短門電路延遲，依靠技術(shù)進步 流水線技術(shù)等，依靠先進系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從指令串行執(zhí)行，到 P4的 20級流水線 1/28/2023 10 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 350 300 250 200 150 100 50 0 1 9 8 5 1 9 8 5 1 9 8 6 1 9 8 7 1 9 8 8 1 9 8 9 1 9 9 0 1 9 9 1 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 D EC A l pha ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? SU N 4 IBM Pow er1 M IPS R 2023 D EC A l pha MI PS R 3000 HP 900 IBM Pow er2 D EC A l pha 每年 1 .58 倍 每年 1 .35 倍 S P ECin t 速度指標 依靠技術(shù)進步性能每年提高 35% 先進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對性能的貢獻是技術(shù)進步的 5 倍 1/28/2023 11 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 2. 計算機性能提高的幾個階段 20世紀 70年代末之前 ， 大型機和小型機計算機性能 每年提高 25%~30%。 20世紀 80年代初 ， 出現(xiàn)微處理機 ， 依靠集成電路技術(shù) ，性能 每年提高 35% 20世紀 80年中期 ， 出現(xiàn) RISC技術(shù) 、 高級語言和操作系統(tǒng)等 ， 性能 每年提高 50% 1995年 ， 先進系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 對微處理器性能的貢獻是單純技術(shù)進步的 5倍 。 3. 近幾年及將來 ， 計算機性能按摩爾定理發(fā)展 。 4. 計算機系統(tǒng)的設(shè)計者們要不斷創(chuàng)新 。 1/28/2023 12 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 如何認識計算機系統(tǒng) 1. 虛擬計算機 定義： 從不同角度所看到的計算機系統(tǒng)的屬性是不同的。 主要觀察角度包括： 應用程序員 系統(tǒng)程序員 硬件設(shè)計人員 對計算機系統(tǒng)的認識通常只需要在某一個層次上 1/28/2023 13 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 廣義語言 虛擬計算機 解釋或編譯 作用對象 觀察者 虛擬計算機系統(tǒng) 1/28/2023 14 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 2. 計算機系統(tǒng)的 層次結(jié)構(gòu) ? 計算機系統(tǒng)可分為 7個層次 ? 第 3級至第 6級由 軟件實現(xiàn) ,稱為 虛擬機 ? 從學科領(lǐng)域來劃分： 第 0級和第 1級屬于 計算機組成原理 第 2級屬于 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第 3至第 5級屬于 系統(tǒng)軟件 第 6級屬于 應用軟件 ? 它們之間有交叉 例如：第 3級必須依賴第 4級和第 5級來實現(xiàn) 1/28/2023 15 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 第 6 級：應用程序 第 5 級：高級語言 第 4 級：匯編語言 第 3 級：操作系統(tǒng) 第 2 級：機器語言 第 1 級：微程序 第 0 級：硬聯(lián)邏輯 應用軟件 系統(tǒng)軟件 硬件 軟硬件分界 1/28/2023 16 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 應用語言 第 6 級 應用程序 應用程序 信息處理系統(tǒng) 用 戶 高級語言 第 5 級 高級語言 解釋程序 編譯程序 可執(zhí)行程序 高級語言程序員 匯編語言 第 4 級 匯編語言 匯編程序 可執(zhí)行程序 匯編語言程序員 系統(tǒng)原語 鍵盤命令 第 3 級 操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng) 系統(tǒng)資源 系統(tǒng)操作員 17 指令系統(tǒng) 第 2 級 機器語言 中央處理機 目標程序 機器語言程序員 指令時序 第 1 級 微程序控制 微程序控制 寄存器邏輯 邏輯設(shè)計員 操作時序 第 0 級 硬聯(lián)邏輯 硬聯(lián)邏輯 邏輯線路 硬件設(shè)計員 1/28/2023 18 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 3. 透明性概念 ? 定義： 本來存在的事物或?qū)傩?，從某種角度看似乎不存在 ? 例如： CPU類型、型號、主存儲器容量等 對 應用程序員 透明 對 系統(tǒng)程序員、硬件設(shè)計人員 等 不透明 ? 例如：浮點數(shù)表示、乘法指令 對 高級語言程序員、應用程序員 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)計人員、計算機維修人員 不透明 1/28/2023 19 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 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)結(jié)構(gòu)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 ： 系統(tǒng)程序員 （包括：匯編語言、機器語言、編譯程序、操作系統(tǒng)） 看到的 ： 編寫出能在機器上正確運行的程序所必須了解到 的 1/28/2023 20 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 概念性結(jié)構(gòu) IBM360系列計算機的概念性結(jié)構(gòu) 主存儲器主存控制器 ＣＰＵＩＯＰ ＩＯＰ打印機 磁盤機卡片機?磁帶機終 端1/28/2023 21 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 ? 數(shù)據(jù)表示： 硬件能夠直接認別和處理的數(shù)據(jù)類型； ? 尋址技術(shù)： 編址方式、尋址方式和定位方式等； ? 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)： 操作類型、格式，指令間的排序控制等； ? 中斷系統(tǒng)： 中斷類型、中斷級別和中斷響應方式等； ? 存儲系統(tǒng)： 尋址空間、虛擬存儲器、 Cache存儲器等； ? 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)： 數(shù)據(jù)交換方式、交換過程的控制等； ? 信息保護： 信息保護方式和硬件對信息保護的支持等。 功能特性 指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式 1/28/2023 22 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 2. 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義二 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、硬件和固件組成，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 , 他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是相同的。 系列計算機概念： 相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ,不同組成和實現(xiàn)的一系列計算機系統(tǒng)。 1/28/2023 23 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計算機組成技術(shù) Computer Organization 計算機組成 ， 計算機組織 ， 計算機原理 ， 計算機組成原理 從內(nèi)部研究計算機系統(tǒng) 計算機組成是指計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)。 1/28/2023 24 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 ? 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)。 1/28/2023 25 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章