计算机体系结构（金星）第一章 体系结构基本概念之一.ppt

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1、Computer Architecture(计算机体系结构),主讲人： 金星 QQ: 65149264 Tel : 18062088827 Email: ,绪论：初识计算机系统结构,目前世界上最快的计算机,神威太湖之光。 CPU采用国产众核芯片。 峰值性能达每秒12.5亿亿次。 问题一：性能如何取得？ 问题二：百度和淘宝是否用它？,课程简介,本课程在计算机专业课程体系中的地位 与其他课程的交叉 主要包括：编译原理、计算机组成原理、计算机操作系统、数据结构、微机原理、高级语言等 新内容：超标量处理机、超流水线处理机、向量处理机、并行处理机、多处理机等 交叉点内容：提高，建立完整概念,系统结构与组

2、成原理、微机原理的区别,系统结构 软硬件功能分配以及计算机硬件设计原理 微机原理 研究微处理器芯片、接口技术和应用编程方法 组成原理 研究计算机基本部件的构成和组成方式，基本运算的操作原理和单元的设计思想、操作方式及其实现,学习目的,建立计算机系统的完整概念 学习计算机系统的分析和设计策略 掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理 参考书籍 计算机系统结构教程张晨曦 等 计算机系统结构郑纬民 汤志忠 计算机体系结构：量化研究方法Hennessy&Peterson,今天计算机系统结构的研究内容,进一步提高单个微处理器的性能 基于微处理器的多处理器体系结构。 全面提高计算机的系统性能： 可用性，可

3、维护性，可缩放性。 新型器件的处理器 光计算机 分子计算机 DNA计算机,第一讲 计算机体系结构的基本概念,一、多级层次结构,1.计算机系统中的层次(hierarchy)概念 从使用语言的角度，按功能划分将计算机系统为六个机器级,第5级:应用语言虚拟机,第4级:高级语言虚拟机,第3级:汇编语言虚拟机,第2级:操作系统虚拟机,第1级:传统机器,第0级:微程序机器,特定应用用户,高级语言程序员,汇编语言程序员,操作系统用户,机器语言程序员,微指令程序员,硬联逻辑级,硬件设计员,翻译,解释,翻译,翻译,解释,解释,1 系统结构定义一,计算机系统中软硬件界面,不同层次的使用者 看到的计算机的属性是不同

4、 的，我们选择哪个层面？,计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功能上是同等的。 同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。 不同的组成只是性能和价格不同。,第5级:应用语言虚拟机,第4级:高级语言虚拟机,第3级:汇编语言虚拟机,第2级:操作系统虚拟机,第1级:传统机器,第0级:微程序机器,特定应用用户,高级语言程序员,汇编语言程序员,操作系统用户,机器语言程序员,微指令程序员,硬联逻辑级,硬件设计员,翻译,解释,翻译,翻译,解释,解释,透明性,概念:本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在。,例如：浮点数表示、乘法指令 对高级语言程序员、应用程序员 透明 对汇编语言程序员、机器

5、语言程序员 不透明,例如：数据总线宽度、微程序 对汇编语言程序员、机器语言程序员 透明 对硬件设计者、计算机维修人员 不透明,1964年Amdahl提出的体系结构是指一般所说的机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性 本书中的定义：机器语言程序设计者、汇编语言程序设计者、编译程序的设计者看到的计算机系统所具有的属性，即他们看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。,系统结构定义二,举例：IBM370系列,概念性的结构,体系结构的研究范围,功能特性指令系统、数据表示、寻址方式、寄存器集、中断机构、存贮器系统、结构、处理机工作状态、信息保护 界面设计确定硬件功能。 性能成本评价运算速度、存储容量

6、、I/O带宽 新型系统结构设计并行性、数据流、推理机、神经网络,计算机的组成与实现（1）,计算机组成 计算机系统结构的逻辑实现,主要内容,数据通路宽度的确定、各种操作对功能部件的共享程度的确定、专用功能部件的确定、功能部件的并行性确定、缓冲器和排队的确定、控制机构的设计、可靠性技术的确定等。,计算机的组成与实现（2）,计算机实现 计算机组成的物理实现,主要内容,它包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，信号传输，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术以及有关的制造技术和工艺等。,计算机组成与实现总结（概述）,计算机系统结构 确定硬件的功能（了解

7、用户需求的总工程师） 数据表示需要怎样的精度？ 计算机组成 对系统结构的逻辑实现（系统工程师） 用专门的乘法器还是加法器和移位器实现？ 计算机的实现 计算机组成的物理实现（硬件工程师） 用什么类型的器件？,系统结构、组成和实现的关系,具体内容随不同的机器而变化，例如Cache 系统结构相同的计算机其组成可能不同，系统结构不要限制组成技术 例如：IBM36051，与IBM360/91具有相同的系统结构,但组成和实现却相差很大。两者的性能相差500倍。,组成相同的计算机，可以采用多种不同的计算机实现 不同的系统结构会使采用的组成技术有所差异。,因系统结构不同而使组成技术有所差异的实例 计算A:=B

8、C 面向寄存器型的计算机 面向存储器型的计算机 LOAD R1, B ADD B, C, A ADD R1, C STORE R1, A,系统结构的定义三,总结： 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，但随着技术、器件和应用的发展，三者之间的界限越来越模糊。,广义的定义：计算机系统结构包括狭义的计算机系统结构以及计算机组成、计算机实现,广义：计算机系统结构二级学科,下设三级学科: 520.3010 计算机系统设计 520.3020 并行处理 520.3030 分布式处理系统 520.3040 计算机网络 520.3050 计算机运行测试与性能评价 520.3099 计算机系统

9、结构其他学科,当前软件成本由于其复杂性和长度的增加而不断增长，硬件成本则由于科技的发展尤其是的发展而快速下降。 计算机系统的成本主要包括以下两部分： （）一次性开发成本； （）每个部件的生产成本。 对于软件来说，其成本主要是指开发成本，软件的生产成本即复制费是很低的。 对于硬件，其成本既包括一次性开发成本，又包括生产成本，硬件的生产成本是远远高于软件的。,二、软硬件取舍,二、软硬件取舍,用软件或硬件实现功能的优点和缺点: 从速度、所需要的存储空间、硬件成本、硬件利用率、系统的灵活性与适应性这些方面来比较,硬件 软件 速度快慢 需存储空间 小大 硬件利用率低高 硬件成本大小 系统的灵活性差好 适

10、应性差好,2. 软硬件取舍的三个基本原则,(1) 系统性价比高 在某功能的使用率比较高并且该机型的产量较大的情况下，可考虑用硬件实现. (2)在硬件上，考虑可能采用的组成与实现技术 (3)在软件上，考虑如何方便编译和操作系统的实现即缩小高级语言与机器语言的语义差距,系统结构对语义的影响,高级语言： A:=BC 汇编语言： 面向寄存器型的计算机 面向存储器型的计算机 LOAD R1, B ADD B, C, A ADD R1, C STORE R1, A,语义差距小，减轻编译的负担，软件运行快，也就是解题速度快,三、计算机系统的设计思路,由上往下 由下往上 由中间到两边,1 由上往下,第5级:应

11、用语言虚拟机,第4级:高级语言虚拟机,第3级:汇编语言虚拟机,第2级:操作系统虚拟机,第1级:传统机器,第0级:微程序机器,硬联逻辑级,由上往下,基本思想:从应用出发，软件决定硬件 优点:面向应用，适用于专用机， 每一层对上一层优化，软件的运行效率高 缺点:不适用于通用机，导致硬件设计不灵活，适应性差,第5级:应用语言虚拟机,第4级:高级语言虚拟机,第3级:汇编语言虚拟机,第2级:操作系统虚拟机,第1级:传统机器,第0级:微程序机器,硬联逻辑级,2 由下往上,基本思想: 硬件决定软件 缺点:在固定硬件的备件下，软件设计被动且受限制，没考虑软件优化，导致软硬件脱节。,第5级:应用语言虚拟机,第4

12、级:高级语言虚拟机,第3级:汇编语言虚拟机,第2级:操作系统虚拟机,第1级:传统机器,第0级:微程序机器,硬联逻辑级,3 由中间到两边,由中间到两边,基本思想:先决定软硬件界面即系统结构，再由结构设计出软件与硬件 优点:兼顾软件与硬件，软件与硬件可以并行设计，设计过程中相互交流,一、存储程序体系结构,(1) 机器以运算器为中心。 (2) 采用存储程序原理 (3) 存储器是按地址访问的、线性编址的空间。 (4)控制流由指令流产生。 (5)指令由操作码和地址码组成。 (6)数据以二进制编码表示，采用二进制运算。,早期冯诺依曼型机器 的组成框图,存储程序体系结构的改进,改进后的冯诺依曼计算机使其从原

13、来的以运算器为中心演变为以存储器为中心。 从体统结构上讲，主要是通过各种并行处理手段提高计算机系统性能。,二、软件对系统结构的影响,软件的兼容性或可移植性 软件可不经修改或只需少量修改便可由一台机器搬到另一台机器上运行，即软件可应用于不同的系统环境。,如何解决软件的 可移植性呢?,可能的解决方案：,方案一：所有的计算机都能使用某一种通用的高级语言； 方案二：统一机器语言 方案三：为新设计的计算机配上相应的软件或硬件后，能够使用原来的软件； 因此：根据不同要求，可采用三种方法解决兼容性问题！,1统一高级语言,(1) 基本思想：设计一种完全通用的高级语言 (2) 适用范围：结构相同或完全不同的机器

14、 (3) 存在问题：,目前不能出现统一的高级语言的原因 A、不同的用途要求语言要有不同的语法结构和语义结构； B、人们对语法的基本结构看法不一； C、同一种高级语言在各个不同厂家的机器上也不能完全通用。 D、习惯势力的影响，人们总喜欢使用自己熟悉的语言。,2 系列机,(1)基本思想：统一机器语言 先确定好一种系统结构(指令系统、数据表示、概念性结构)，再按从中间到两边的思想进行软件与硬件的设计。 (2)系列机： 一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同的组成和实现的一系列不同型号的机器。 例如INTEL 的80X86微机系列及其兼容机 系列机在使用者看来具有相同的属性，差别仅在于程序的执

15、行时间。,(3) 几个概念：,向上（下）兼容：按某档机器编写的程序，不经修改就能运行于比它高（低）档的机器； 向前（后）兼容：按某个时期投向市场的某种型号的机器编写的软件，不经修改就能运行于在它之前（后）投入市场的机器。 兼容机：不同厂商生产的具有相同系统结构的计算机。,(4) 适用范围：同一系列结构相同的机器 (4) 存在问题：限制了系统结构的发展,3模拟与仿真,具有不同体系结构的计算机之间的软件兼容性 (1)模拟(Simulation) 基本思想：用一种机器（宿主机）的机器语言解释另一种机器（虚拟机）机器指令 (2) 仿真(Emulation) 基本思想：用一种机器（宿主机）的微程序解释另

16、一种机器（目标机）指令系统,两种方法优缺点比较,模拟用软件实现，仿真用软件、固件与硬件实现 模拟方法速度低，仿真方法速度高 模拟方法适用范围：结构可以不同，但相差太大时，效率和速度就会下降 仿真方法适用范围：只能在差别不大的系统之间,二、应用与系统结构的实现,应用领域： 科学计算 信息处理 知识和智能处理,体系结构的发展历程,在80年代以前，主要以科学计算为主 到了80年代，商业应用 到了1994年以后，Web计算（Web Computing）,巨、大型机是系统结构的领头军，为满足高速、高性能的需求不断研制出新的结构和组成 低档机上引用或照搬高档机的结构和组成 计算机的发展趋势 一是维持价格提

17、高性能，向高档机靠拢 二是维持性能降低价格，发展低档机,三、器件与系统结构的实现,器件类型： 电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路 器件的使用 通用片、现场片、用户片 器件的影响 改变了逻辑设计的传统方法 加速了结构的“下移” 促进了算法、语言和软件的发展,小结,软件是促使计算机系统结构发展的最重要的因素 应用需求是促使计算机系统结构发展的最根本的动力 器件是促使计算机系统结构发展最活跃的因素,指令系统的确定,指令的实现，如取指令、指令操作码译码、计算机操作数地址、取操作数、运算、送结果等的操作如何安排和排序,实现这些指令功能的具体电路、器件的设计及装配技术,一 计算机体系结构、组成和实现,