【正文】 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 進程的管理和切換 存儲管理和信息保護 進程的同步與互斥，信號燈管理 處理機工作狀態(tài)和訪問方式的轉換 這類指令的使用頻度往往很低，但必須設置 1/28/2023 74 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 軟件兼容性設計方法 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)軟件和應用軟件。 1/28/2023 33 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 4. 指令執(zhí)行速度的 4 種平均方法 ? 算術平均： ? 調和平均 (用速率來度量 )： ? 加權平均 ?加權算術平均： ?加權調和平均： ??niin1T ime1??ni in1 Rate1iniin We ightT ime11?????ni ii1 RateWeigh t11/28/2023 34 計算機系統(tǒng)結構 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器正交化后的執(zhí)行時間 幾何平均速度與所參考的機器無關 ， 有如下性質： 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 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 運行程序 P1時， A的速度是 B的 10倍； 運行程序 P2時， B的速度是 A的 10倍； 運行程序 P1時， A的速度是 C的 20倍； 運行程序 P2時， C的速度是 A的 50倍； 運行程序 P1時， B的速度是 C的 2倍； 運行程序 P2時， C的速度是 B的 5倍。 1/28/2023 23 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 計算機組成技術 Computer Organization 計算機組成 ， 計算機組織 ， 計算機原理 ， 計算機組成原理 從內部研究計算機系統(tǒng) 計算機組成是指計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現。 主要觀察角度包括： 應用程序員 系統(tǒng)程序員 硬件設計人員 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)結構 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)結構 第一章 基本概念 2. 計算機系統(tǒng)的 層次結構 ? 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 ,稱為 虛擬機 ? 從學科領域來劃分： 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)結構 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 1/28/2023 15 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 計算機系統(tǒng)的層次結構 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)結構 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 邏輯設計員 操作時序 第 0 級 硬聯邏輯 硬聯邏輯 邏輯線路 硬件設計員 1/28/2023 18 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 3. 透明性概念 ? 定義： 本來存在的事物或屬性，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、硬件設計人員 等 不透明 ? 例如：浮點數表示、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：數據總線寬度、微程序 對 匯編語言程序員、機器語言程序員 透明 對 硬件設計人員、計算機維修人員 不透明 1/28/2023 19 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 計算機系統(tǒng)結構的定義 計算機系統(tǒng)結構定義一 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 概念性結構 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)結構 第一章 基本概念 概念性結構 IBM360系列計算機的概念性結構 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)結構 第一章 基本概念 ? 數據表示： 硬件能夠直接認別和處理的數據類型； ? 尋址技術： 編址方式、尋址方式和定位方式等； ? 寄存器組織： 操作數寄存器、變址寄存器、控制寄存 器及專用寄存器的定義、數量和使用規(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)： 數據交換方式、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。求等效指令速度。 在 Amdahl定律中，加速比與兩個因素有關： 時間改進后改進部分的執(zhí)行時間改進前改進部分的執(zhí)行改進部分的加速比：時間改進前整個任務的執(zhí)行可改進部分的執(zhí)行時間可改進部分的比例：??SeFe1/28/2023 69 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 改進后整個任務的執(zhí)行時間為： 其中：Ｔ 0為改進前的整個任務的執(zhí)行時間。具體過程如下： 設計方案 ?模擬 ?性能評價 ?修改設計 ?投產 1/28/2023 80 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 方法三：統(tǒng)一高級語言 實現方法： 采用同一種不依賴于任何具體機器的高級語言編寫系統(tǒng)軟件和應用軟件。 1/28/2023 90 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 2. 現代處理機對馮 2. 三個時期 通用計算機：主要是通用科學計算 專用計算機：科學計算、事務處理、實時控制 高性能通用機：滿足多種需求 目前又開始多種專用處理機的研制 1/28/2023 103 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 3. 兩個發(fā)展趨勢 維持價格不變，利用 VLSI技術等，提高性能 性能基本不變，價格迅速下降 一般先推出中間機型，然后再分別向高端和低端兩個方向發(fā)展 4. 三種設計思想 最高性能價格比 ：商用機。 非結構化的數值計算：蒙特卡洛模擬 , 稀疏矩陣。 由指令形式的低級機器語言驅動。 A機器稱為 宿主機 ， B機器稱為 虛擬機 。 VAX11/780的測試結果為每秒 1757個 Dhrystones，即： 1VAX MIPS＝ 1757 Dhrystones／ Second ? 浮點測試程序： Linpack 用 FORTRAN編寫，主要是浮點加法和浮點乘法操作 用 MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second)表示， GFLOPS、 TFLOPS 1/28/2023 40 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 ? SPEC基準程序 System Performance Evaluation Cooperative 由 30個左右世界知名計算機大廠商所支持的非盈利性國際合作組織，包括： IBM、 ATT、BULL、 Compaq、 CDC、 DG、 DEC、 Fujitsu、 HP、Intel、 MIPS、 Motolola、 SGI、 SUN、 Unisys等； 1989年 10月宣布 ，程序量超過 15萬行 ,包含 4個定點程序和 6個浮點程序 , 測試結果用 SPECint’ 89和 SPECfp’ 89表示。 1/28/2023 28 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 ? 一種經典的表示運算速度的方法 MIPS(Million Instructions Per Second), GIPS, TIPS 其中 : Fz為處理機的工作主頻 CPI(Cycles Per Instruction)為 每條指令所需的平均時鐘周期數 IPC(Instruction Per Cycle)為 每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數 例 1： 計算 PentiumIV 2GHz 處理機的指令執(zhí)行速度。 20世紀 80年代初 ， 出現微處理機 ， 依靠集成電路技術 ，性能 每年提高 35% 20世紀 80年中期 ， 出現 RISC技術 、 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)結構 對微處理器性能的貢獻是單純技術進步的 5倍 。 1/28/2023 26 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 運算速度 存儲器系統(tǒng) 其他性能 價格標準 計算機系統(tǒng)的評價標準 1/28/2023 27 計算機系統(tǒng)結構 第一章 基本概念 運算速度 運算速度是表示處理機性能的主要指標。 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 算術平均 幾何平均 總時間比 1/28/2023 39 計算機系統(tǒng)結構 第