【正文】 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 2版） 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材 鄭緯民 湯志忠 編著 課程介紹 1/28/2023 2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 1. 課程名稱 Computer Architecture 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 建筑物的設(shè)計(jì)或式樣 , 通常指一個(gè)系統(tǒng)的外貌 2. 研究?jī)?nèi)容 從外部來(lái)研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 使用者所看到的物理計(jì)算機(jī)的抽象 編寫出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到的計(jì)算機(jī)屬性 1/28/2023 3 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 3. 學(xué)習(xí)目的 建立計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 完整概念 學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 分析方法和設(shè)計(jì)方法 了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 最新研究成果 4. 學(xué)科方向 一級(jí)學(xué)科 1 個(gè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 二級(jí)學(xué)科 3 個(gè)： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 、計(jì)算機(jī)軟件及理論、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 全國(guó)重點(diǎn)學(xué)科： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 1/28/2023 4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹 5. 與其他學(xué)科的交叉 學(xué)科交叉： 計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、 …… 新內(nèi)容： 超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、VLIW處理機(jī)、向量處理機(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)、互連網(wǎng)絡(luò)、 …… 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正處于變革時(shí)期 軟件 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)技術(shù) , 兩頭發(fā)展快中間慢 非馮計(jì)算機(jī)正興起 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展時(shí)期已經(jīng)到來(lái) 1/28/2023 5 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹 6. 課程安排 課內(nèi)： 60學(xué)時(shí)， 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(guó)內(nèi)外最新研究成果 7. 教材和參考書 教材： 清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系列教材： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (第二版 ) ，清華大學(xué)出版社 1/28/2023 6 計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(xué)出版社 (2)Kai Hwang， Advanced Computer Acrchitecture Parallelism Scalability Programmability 中文：高等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：并行性 可擴(kuò)展性 可編程性，清華大學(xué)出版社、廣西科學(xué)技術(shù)出版社 1/28/2023 7 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 課程介紹 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類 第 1章 基本概念 1/28/2023 8 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 為什么要研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如何認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 計(jì)算機(jī)組成技術(shù) 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù) 1/28/2023 9 計(jì)算機(jī)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(jī)運(yùn)算速度： MIPS＝ Fz ? IPC 其中 : Fz為處理機(jī)的工作主頻 IPC(Instruction Per Cycle)為 每個(gè)時(shí)鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù) 提高 IPC：依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 過(guò)去 ， 幾個(gè)或幾十個(gè)周期完成一條指令 現(xiàn)在 ， 一個(gè)周期完成幾條指令 提高 Fz： 縮短門電路延遲，依靠技術(shù)進(jìn)步 流水線技術(shù)等，依靠先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 從指令串行執(zhí)行，到 P4的 20級(jí)流水線 1/28/2023 10 計(jì)算機(jī)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(biāo) 依靠技術(shù)進(jìn)步性能每年提高 35% 先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)性能的貢獻(xiàn)是技術(shù)進(jìn)步的 5 倍 1/28/2023 11 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 2. 計(jì)算機(jī)性能提高的幾個(gè)階段 20世紀(jì) 70年代末之前 ， 大型機(jī)和小型機(jī)計(jì)算機(jī)性能 每年提高 25%~30%。 20世紀(jì) 80年代初 ， 出現(xiàn)微處理機(jī) ， 依靠集成電路技術(shù) ，性能 每年提高 35% 20世紀(jì) 80年中期 ， 出現(xiàn) RISC技術(shù) 、 高級(jí)語(yǔ)言和操作系統(tǒng)等 ， 性能 每年提高 50% 1995年 ， 先進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 對(duì)微處理器性能的貢獻(xiàn)是單純技術(shù)進(jìn)步的 5倍 。 3. 近幾年及將來(lái) ， 計(jì)算機(jī)性能按摩爾定理發(fā)展 。 4. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們要不斷創(chuàng)新 。 1/28/2023 12 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 如何認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1. 虛擬計(jì)算機(jī) 定義： 從不同角度所看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性是不同的。 主要觀察角度包括： 應(yīng)用程序員 系統(tǒng)程序員 硬件設(shè)計(jì)人員 對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)通常只需要在某一個(gè)層次上 1/28/2023 13 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 廣義語(yǔ)言 虛擬計(jì)算機(jī) 解釋或編譯 作用對(duì)象 觀察者 虛擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1/28/2023 14 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的 層次結(jié)構(gòu) ? 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為 7個(gè)層次 ? 第 3級(jí)至第 6級(jí)由 軟件實(shí)現(xiàn) ,稱為 虛擬機(jī) ? 從學(xué)科領(lǐng)域來(lái)劃分： 第 0級(jí)和第 1級(jí)屬于 計(jì)算機(jī)組成原理 第 2級(jí)屬于 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第 3至第 5級(jí)屬于 系統(tǒng)軟件 第 6級(jí)屬于 應(yīng)用軟件 ? 它們之間有交叉 例如：第 3級(jí)必須依賴第 4級(jí)和第 5級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn) 1/28/2023 15 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 第 6 級(jí)：應(yīng)用程序 第 5 級(jí)：高級(jí)語(yǔ)言 第 4 級(jí)：匯編語(yǔ)言 第 3 級(jí)：操作系統(tǒng) 第 2 級(jí)：機(jī)器語(yǔ)言 第 1 級(jí)：微程序 第 0 級(jí)：硬聯(lián)邏輯 應(yīng)用軟件 系統(tǒng)軟件 硬件 軟硬件分界 1/28/2023 16 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 應(yīng)用語(yǔ)言 第 6 級(jí) 應(yīng)用程序 應(yīng)用程序 信息處理系統(tǒng) 用 戶 高級(jí)語(yǔ)言 第 5 級(jí) 高級(jí)語(yǔ)言 解釋程序 編譯程序 可執(zhí)行程序 高級(jí)語(yǔ)言程序員 匯編語(yǔ)言 第 4 級(jí) 匯編語(yǔ)言 匯編程序 可執(zhí)行程序 匯編語(yǔ)言程序員 系統(tǒng)原語(yǔ) 鍵盤命令 第 3 級(jí) 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(jí) 機(jī)器語(yǔ)言 中央處理機(jī) 目標(biāo)程序 機(jī)器語(yǔ)言程序員 指令時(shí)序 第 1 級(jí) 微程序控制 微程序控制 寄存器邏輯 邏輯設(shè)計(jì)員 操作時(shí)序 第 0 級(jí) 硬聯(lián)邏輯 硬聯(lián)邏輯 邏輯線路 硬件設(shè)計(jì)員 1/28/2023 18 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 3. 透明性概念 ? 定義： 本來(lái)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(hào)、主存儲(chǔ)器容量等 對(duì) 應(yīng)用程序員 透明 對(duì) 系統(tǒng)程序員、硬件設(shè)計(jì)人員 等 不透明 ? 例如：浮點(diǎn)數(shù)表示、乘法指令 對(duì) 高級(jí)語(yǔ)言程序員、應(yīng)用程序員 透明 對(duì) 匯編語(yǔ)言程序員、機(jī)器語(yǔ)言程序員 不透明 ? 例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序 對(duì) 匯編語(yǔ)言程序員、機(jī)器語(yǔ)言程序員 透明 對(duì) 硬件設(shè)計(jì)人員、計(jì)算機(jī)維修人員 不透明 1/28/2023 19 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義一 Amdahl于 1964年在推出 IBM360系列計(jì)算機(jī)時(shí)提出 ： 程序員 所 看到的 計(jì)算機(jī)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(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)言、編譯程序、操作系統(tǒng)） 看到的 ： 編寫出能在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到 的 1/28/2023 20 計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu) 主存儲(chǔ)器主存控制器 ＣＰＵＩＯＰ ＩＯＰ打印機(jī) 磁盤機(jī)卡片機(jī)?磁帶機(jī)終 端1/28/2023 21 計(jì)算機(jī)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(rèn)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(jí)別和中斷響應(yīng)方式等； ? 存儲(chǔ)系統(tǒng)： 尋址空間、虛擬存儲(chǔ)器、 Cache存儲(chǔ)器等； ? 處理機(jī)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(guò)程的控制等； ? 信息保護(hù)： 信息保護(hù)方式和硬件對(duì)信息保護(hù)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義二 研究軟硬件功能分配和對(duì)軟硬件界面的確定 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們?cè)诠δ苌鲜峭鹊摹? 同一種功能可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件或固件實(shí)現(xiàn)。 不同的組成只是性能和價(jià)格不同 , 他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是相同的。 系列計(jì)算機(jī)概念： 相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ,不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 1/28/2023 23 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計(jì)算機(jī)組成技術(shù) Computer Organization 計(jì)算機(jī)組成 ， 計(jì)算機(jī)組織 ， 計(jì)算機(jī)原理 ， 計(jì)算機(jī)組成原理 從內(nèi)部研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)組成是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。 1/28/2023 24 計(jì)算機(jī)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(duì)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(jì)緩沖和排隊(duì)策略； ? 設(shè)計(jì)控制機(jī)構(gòu)； ? 確定采用何種可靠性技術(shù)。 1/28/2023 25 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章