【正文】 指令系統(tǒng) 第 2 級 機(jī)器語言 中央處理機(jī) 目標(biāo)程序 機(jī)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(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(yīng)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(diǎn)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(jī)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(jī)器語言程序員 透明 對 硬件設(shè)計人員、計算機(jī)維修人員 不透明 1/28/2023 19 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義一 Amdahl于 1964年在推出 IBM360系列計算機(jī)時提出 ： 程序員 所 看到的 計算機(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：匯編語言、機(jī)器語言、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系列計算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu) 主存儲器主存控制器 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、中斷級別和中斷響應(yīng)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(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、交換過程的控制等； ? 信息保護(hù)： 信息保護(hù)方式和硬件對信息保護(hù)的支持等。 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) 、 高級語言和操作系統(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 ， 計算機(jī)性能按摩爾定理發(fā)展 。 功能特性 指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式 1/28/2023 22 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 2. 計算機(jī)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(jī)系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們在功能上是同等的。 1/28/2023 23 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 計算機(jī)組成技術(shù) Computer Organization 計算機(jī)組成 ， 計算機(jī)組織 ， 計算機(jī)原理 ， 計算機(jī)組成原理 從內(nèi)部研究計算機(jī)系統(tǒng) 計算機(jī)組成是指計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。 1/28/2023 26 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 運(yùn)算速度 存儲器系統(tǒng) 其他性能 價格標(biāo)準(zhǔn) 計算機(jī)系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn) 1/28/2023 27 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 運(yùn)算速度 運(yùn)算速度是表示處理機(jī)性能的主要指標(biāo)。 MI P S 10 FzC P I IP C F z6? ? ? ? ?指令條數(shù)執(zhí)行時間1/28/2023 29 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 ? 解： 由于 PentiumIV 2GHz 處理機(jī)的 IPC＝ 4（或 CPI＝ ） , Fz＝ 2023MHz 因此， MIPSPentiumIV2G＝ Fz?IPC＝ 2023?4 ＝ 8000MIPS＝ 8GIPS 即 每秒鐘 80億次 (平均每秒鐘執(zhí)行 80億條指令 ) ? 主要優(yōu)點(diǎn)： 直觀、方便。 解： 等效指令速度為： MIP )100/(1MIP S ???等效指令速度 即每秒 2萬次， 由于用軟件實(shí)現(xiàn)乘除法，等效指令速度降低了 25倍。 1/28/2023 33 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 4. 指令執(zhí)行速度的 4 種平均方法 ? 算術(shù)平均： ? 調(diào)和平均 (用速率來度量 )： ? 加權(quán)平均 ?加權(quán)算術(shù)平均： ?加權(quán)調(diào)和平均： ??niin1T ime1??ni in1 Rate1iniin We ightT ime11?????ni ii1 RateWeigh t11/28/2023 34 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 ?幾何平均： 其中： n 指不同的程序 ， ETR(execution time ratio) i是第 i個程序相對于參考機(jī)器正交化后的執(zhí)行時間 幾何平均速度與所參考的機(jī)器無關(guān) ， 有如下性質(zhì)： 幾何平均值的比率等于比率的幾何平均值 nniiETR??1的幾何平均值的幾何平均值的幾何平均值?????????iiiiYXYX1/28/2023 35 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 運(yùn)行程序 P1時， A的速度是 B的 10倍； 運(yùn)行程序 P2時， B的速度是 A的 10倍； 運(yùn)行程序 P1時， A的速度是 C的 20倍； 運(yùn)行程序 P2時， C的速度是 A的 50倍； 運(yùn)行程序 P1時， B的速度是 C的 2倍； 運(yùn)行程序 P2時， C的速度是 B的 5倍。 執(zhí)行時間正交化 與 A正交 A B C 與 B正交 A B C 與 C正交 A B C 程序 P1 程序 P2 算術(shù)平均 幾何平均 總時間比 1/28/2023 39 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 5. 核心程序法 把應(yīng)用程序中使用最頻繁的那部分程序作為評價計算機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)程序。 1992年增加到有 6個定點(diǎn)程序和 14個浮點(diǎn)程序 ,測試結(jié)果用 SPECint’ 92和 SPECfp’ 92表示。 改進(jìn)后整個系統(tǒng)的加速比達(dá)到： 其中： Fe表示可改進(jìn)部分所占的百分比， (1Fe)表示不可改進(jìn)部分所占的百分比， Se表示改進(jìn)后，可改進(jìn)部分的加速比。 寄存器定義要統(tǒng)一 (如 A 寄存器等 ) 操作要均勻 (如 AB 與 BA) 所有的存儲部件都要對稱 進(jìn)程的管理和切換 存儲管理和信息保護(hù) 進(jìn)程的同步與互斥，信號燈管理 處理機(jī)工作狀態(tài)和訪問方式的轉(zhuǎn)換 這類指令的使用頻度往往很低，但必須設(shè)置 1/28/2023 74 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 軟件兼容性設(shè)計方法 原因：軟件相對于硬件的成本越來越貴， 已積累了大量成熟的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成也可以有多種物理實(shí)現(xiàn) 如 IBM370系列機(jī) : 115,125,135,145,158,168等 1/28/2023 76 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 相同的指令系統(tǒng)，采用順序執(zhí)行、重迭、流水和并行處理方式 相同的 32位字長，數(shù)據(jù)通路寬度為 8位、 16位、32位、 64位。 仿真的實(shí)現(xiàn)方法 直接用 A機(jī)器的一段微程序解釋執(zhí)行 B機(jī)器的指令。 困難： 至今還沒有這樣一種高級語言，短期內(nèi)很難實(shí)現(xiàn)。隨著通用計算機(jī)價格降低，目前已經(jīng)很少采用 1/28/2023 84 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 方法 2：由下向上（ BottomUp) 設(shè)計過程： 根據(jù)當(dāng)時的器件水平，設(shè)計微程序機(jī)器級和傳統(tǒng)機(jī)器級 → 根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計多種操作系統(tǒng)、匯編語言、高級語言編譯器等 →最后設(shè)計面向應(yīng)用的用戶級 應(yīng)用場合：通用計算機(jī)的一種設(shè)計方法， 在計算機(jī)早期設(shè)計中（ 60～ 70年代）廣為采用 特點(diǎn)： 容易使軟件和硬件脫節(jié)，整個計算機(jī)系統(tǒng)的效率降低。諾依曼結(jié)構(gòu) Van Nenmann基本思想 于 1936年～ 1946年期 間形成， 由馮 指令順序執(zhí)行，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。諾依曼結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 不變的： 存儲程序 改變的： 存儲器為中心 , 總線結(jié)構(gòu) , 分散控制 從基于串行算法變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，出現(xiàn)了向量計算機(jī)，并行計算機(jī)、多處理機(jī)等 流水線處理機(jī)，超標(biāo)量處理機(jī)，超流水線處理機(jī)，超標(biāo)量超流水線處理機(jī) 數(shù)據(jù)庫計算機(jī)和知識庫計算機(jī) 專用計算機(jī)，如 FFT變換機(jī)、過程控制計算機(jī) 為獲得高可靠性而研制容錯計算機(jī) 功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種分布計算機(jī)、外圍處理機(jī)、通信處理機(jī)等 1/28/2023 91 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 存儲器為中心、分散控制 系統(tǒng)總線 IO 總線 ……中央處理機(jī) （ CP U ）主存儲器 （ MM ）輸入設(shè)備 輸出輸出設(shè)備輸出設(shè)備1/28/2023 92 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 總線結(jié)構(gòu)，分散控制 總線： 連接計算機(jī)各功能部件的連線和管理信息傳輸規(guī)則的邏輯電路稱為總線。 從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)樾枨篁?qū)動型，出現(xiàn)各種圖歸約計算機(jī)。 Pentium芯片面積 500mm2，即 23mm ? 23mm 器件速度提高的余地已經(jīng)很小，將來提高處理 機(jī)速度更多依靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 可從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩個方面提高處理機(jī)速度： 提高 IPC，從目前的 2左右提高到 8以上， 采用更深度的流水線和并行處理技術(shù) 1/28/2023 99 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 (3) 價格直線下降 CPU芯片的價格每年要下降 80% (4) 可靠性越來越高 芯片可靠性達(dá)到 108小時，連續(xù)使用 1萬年以上 失效率 ? 使 用 期 時間 t1/28/2023 100 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 3. 器件種類 通用片 ： 邏輯關(guān)系確定 大批量生產(chǎn)，如： CPU、存儲器、寄存器 … 現(xiàn)場片 ： 可以一次或多次改寫邏輯關(guān)系 如： PLD、 PAL、 PROM、 EPROM、FPGA… 用戶片 ： 各種專用芯片 需要單獨(dú)設(shè)計和生產(chǎn)。 實(shí)時多因素問題：語音識別 ,圖象處理 , 計算機(jī)視覺。主要發(fā)展方向 最高性能： 國家安全需要，科技發(fā)展需要 例如：銀河計算機(jī)、神州計算機(jī)、 … 最低價格： 家用學(xué)習(xí)機(jī)等 1/28/2023 104 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 改進(jìn)