计算机系统结构1.

计算机系统结构计算机系统结构课程介绍ComputerArchitecture“建筑学”、“建筑物的设计或式样”，通常是指一个系统的外貌。计算机系统结构计算机体系结构研究内容从外部来研究计算机系统使用者所看到的物理计算机的抽象编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的计算机的属性。软硬件功能分配及分界面的确定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方法和设计方法掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理与其他课程的交叉主要包括：计算机组成原理、计算机操作系统、汇编语言、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，建立完整概念计算机系统结构正处于变革时期软件、系统结构、组成技术，两头发展快、中间慢非冯计算机正兴起系统结构的发展时期已经到来教材计算机系统结构，李学干，西安电子科技大学出版社，2011目录第1章计算机系统结构基础及并行性的开发第2章数据表示、寻址方式与指令系统第3章存储、中断、总线与输入/输出系统第4章存储体系第5章标量处理机第6章向量处理机第7章多处理机第8章数据流计算机和归约机第一章计算机系统结构基础及并行性的开发1.1计算机系统的层次结构1.2计算机系统结构、计算机组成和计算机实现1.3计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定量设计原理1.4软件、应用、器件的发展对系统结构的影响1.5系统结构中的并行性开发及计算机系统分类1.1计算机系统的层次结构现代计算机是通过执行指令来解决问题的由软件和硬件两大部分组成程序的执行，一种方式是翻译translation另一种方式是解释interpretation把以软件为主实现的机器，称为虚拟机器把由硬件和固件实现的机器称为实际机器1.虚拟机概念从不同角度所看到的计算机系统的属性是不同的，包括：高级语言程序员、汇编语言程序员、系统管理员、硬件设计者大部分人对计算机的认识只需要在某一个层次上传统机器语言机器级M1具有L1机器语言(机器指令系统)2.层次结构(接下页)微程序机器级M0具有L0机器语言(微指令系统)第0级微指令由硬件直接执行第1级用微指令程序解释机器指令汇编语言机器级M3具有L3机器语言(汇编语言)操作系统机器级M2具有L2机器语言(作业控制语言等)第2级一般用机器语言程序解释作业控制语句等第3级汇编语言程序经汇编程序翻译成机器语言程序应用语言机器级M5具有L5机器语言(应用语言)高级语言机器级M4具有L4机器语言(高级语言)第4级高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言（或某种中间语言或机器语言程序）第5级应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言程序3.层次结构说明第0级:由硬件实现,硬联逻辑，实现微指令本身的控制顺序第1级:由微程序实现第0级+第1级=CPU第2级至第6级由软件实现(由软件实现的机器称为：虚拟机)第2级:是传统指令系统（机器语言）机器,定义了计算机的指令系统第3级:操作系统机器,指出了计算机的功能和脚本第4级:汇编语言机器第5级:高级语言机器第6级:应用语言机器从学科领域来划分第0和第1级属于计算机组成与系统结构第3至第5级是系统软件第6级是应用软件程序员使用计算机非程序员使用计算机它们之间仍有交叉第0级要求一定的数字逻辑基础第2级涉及汇编语言程序设计的内容第3级与计算机系统结构密切相关。在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在。机器的组成和作用广义语言解释或编译虚拟计算机观察者作用对象1.2计算机系统结构、计算机组成和计算机实现1.2.1计算机系统结构的定义和内涵1.定义一从计算机系统的层次结构角度来看，系统结构是对计算机系统中各级界面的定义及其上下的功能分配。AMdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出：程序员所看到的计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性高级程序员看到的是：软件子系统和固件子系统的属性，包括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、网络软件等用户界面。程序设计者：使指为机器语言或编译程序设计者所看到的属性：数据表示、寻址方式、寄存器定义、数据和使用方式、指令系统、中断系统、机器工作状态的切换，输入和输出结构传送方式等。不包括基本：数据论、控制论、逻辑设计和物理实现等。具体的属性如下：数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式；寻址方式：最小寻址单位、寻址方式的种类和地址运算等；寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等；指令系统：机器指令的操作类型、格式，指令间的排序和控制机制等；中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；存储系统：最小编址单位、编址方式、主存容量、最大寻址空间等；处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和目态等；输入输出系统：连接方式、数据交换方式、数据交换过程的控制等；信息保护：包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。2.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,即:–确定存在–用户无法控制和设置例如：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3.定义二：计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定计算机系统由软件、硬件和固器组成，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。1.1.3计算机组成与实现计算机组成(CoMputerOrganization)指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。一般计算机组成设计包括：确定数据通路的宽度确定专用部件的设置确定各种操作对功能部件的共享程度确定功能部件的并行度确定控制机构的组成方式设计缓冲和排队策略设计预估、预判技术设计采用何种可靠性技术计算机系统的实现计算机实现是指计算机组成的物理实现，包括：处理机、主存储器等部件的物理结构器件的集成度和速度专用器件的设计器件、模块、插件、底版的划分与连接信号传输技术电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技术等计算机系统结构、组成和实现互不相同，但又相互影响。相同结构的计算机，可以采用不同的组成；同一种组成可以不同的实现方式；计算机实现是计算机系统结构和计算机组成的基础，其技术的发展对计算机系统结构有着很大的影响；结构不同，采用的组成就不同；组成不同也会影响结构的不同；计算机系统结构设计的任务是进行软、硬件的功能分配，确定传统机器级的软、硬件界面，实际包括了系统结构和组成两个方面的内容。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。*在不同时期，系统结构、组成和实现所包含的内容会有所不同。在某些计算机系统中作为系统结构的内容，在另一些计算机系统中可能是组成和实现的内容。*系统结构设计不要对组成,实现有过多和不合理限制.*组成设计应在系统结构指导下,以目前可实现技术为基础.*实现应在组成的逻辑结构指导下,以目前器件技术为基础,以性能价格比优化为目标.例1-2指令系统的确定属于计算机系统结构研究的范畴；指令的实现，如取指令、指令操作码译码、计算操作数地址、取数、运算等的操作安排和排序属于计算机组成研究的范畴；实现这些指令功能的具体电路、器件的设计及装配技术属于计算机实现研究的范畴；确定指令系统中是否要设乘法指令属于计算机系统结构研究的范畴；乘法指令是用专门的高速乘法器实现，还是利用加法器和移位器经一连串时序信号控制来实现属于计算机组成研究的范畴；乘法器、加法器、移位器的物理实现，如器件的类型、集成度、数量、价格以及微组装技术的确定和选择属于计算机实现研究的范畴；主存容量和编址方式（按位、按字节还是按字访问）属于计算机系统结构研究的范畴；为达到性能、价格要求、主存速度要求、逻辑结构设计属于计算机组成研究的范畴；主存器件的选定、逻辑设计、微组装技术的使用属于计算机实现研究的范畴；1.3计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定量设计原理1.3.1软、硬件取舍的基本原则软、硬件的功能分配是计算机系统结构的主要任务，而软件和硬件在逻辑功能上又是等效的。从原理上来讲软件的功能可以用硬件或固件来完成，硬件的功能也可以用软件模拟完成，只是在性能、价格和实现的难易上有所不同。具有相同功能的计算机系统，其软、硬件功能分配比例可以有很大的不同。软件硬件只有最必需的硬件目前的计算机系统程序不可编功能配比/%采用何种方式实现，应在满足应用的前提下，主要看能否充分利用硬件、器件技术的进展，使系统有高的性能价格比(对某种类型专用机除外)。设计原则：原则1：应考虑在现有硬件、器件（主要是逻辑器件和存储器件）条件下，系统要有高的性价比，主要从实现费用、速度和其他性能要求来综合考虑。实现费用主要包括设计费用和重复生产费用。假设某功能的软、硬件实现的每次设计费用分别为Ds和Dh，由于硬件的设计费用远高于软件的设计费用。所以，不妨设Dh≈100Ds同理，设软、硬件的单次重复生产费用分别为Ms，Mh，且不妨设Mh≈100Ms，硬件一般只需要设计1次，而软件实现则需要重复多次，设C为重复次数，则该功能软件实现的设计费用为C×Ds，同一功能软件在存储介质上可能多次复制和存储，设出现了R次，则重复生产费用为R×Ms假设某计算机系统生产V台，则每台计算机用硬件实现的费用为Dh/V+Mh,而用软件实现则为C×Ds/V+R×Ms只有当Dh/V+MhC×Ds/V+R×Ms时用硬件实现才适宜。将上述比值代入：100Ds/V+100MsC×Ds/V+R×Ms只有在C和R的值越大时，这个不等式才能成立。而且，目前软件的设计费用远比重复生产费用高，不妨设Ds≈104×Ms，则有106/V+100104×C/V+R因为C一般比100小，因此，从此不等式看来，只有当V足够大时，这个不等式才能成立。原则2：要考虑准备采用和可能采用的组成技术，使之尽可能不要过多或不合理的限制各种组成、实现技术的采用。原则3：不能仅从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技术的成果和便于发挥器件技术的进展，还应从“软”的角度把如何为编译和操作系统的实现以及如何为高级语言程序的设计提供更多、更好的硬件支持放在首位。1.3.2计算机系统的性能评测及定量设计原理1计算机系统性能评测计算机系统的性能指标，主要取决于计算机的本质属性，即时空属性。各项指标都围绕着它的本质属性来定义。其中，在系统上程序实际运行的时间是衡量计算机速度性能的最可靠标准。计算机的性能通常用峰值性能及持续性能来评价。峰值性能是指在理想状态下计算机系统可获得的最高理论性能，不能反映出系统的实际性能。实际性能又称持续性能，它往往只是峰值性能的5%~30%。持续性能的表示有算术性能平均值、调和性能平均值和几何性能平均值等。niiniimTnRnA11111niiniimTnRnA11111算术性能平均值Am是n道程序运算速度或运算时间的算术平均值。以速率评价其中，Ti是第i个程序的执行时间,Ri是第i个程序的执行速率。以执行时间评价,则调和性能平均值Hm几何性能平均值GmniiniimTnRnA11111niimTnA11niiniimTnRnH111nniinniimTRG)1()(11如果考虑到工作负荷中各个程序出现的比例不同，则可以加各程序的执行时间或速率加权。由此可求得加权后的算术平均性能、调用平均性能和几何平均性能值。(1)加权算术平均值(2)加权调和平均平均值(3)加权几何平均值niimiRG1)(niiiniiimTRA111niiiniiimTRH11111性能因子CPI实际上机器性能因负荷不同而改变，不可能任何时候都达到峰值，因此，系统评测总是通过执行一系列有代表性的程序来获得。系统评测通过一系列的性能指标来表述。计算CPU的程序执行