计算机体系结构----第一章

曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/191主讲：张元科[e-mail]曲阜师范大学计算机科学学院计算机系统结构1.课程名称ComputerArchitecture计算机系统结构计算机体系结构建筑物的设计或式样,通常指一个系统的外貌2.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属性曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/1923.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了解计算机系统的最新研究成果4.学科方向一级学科1个：计算机科学与技术二级学科3个：计算机系统结构、计算机软件及理论、计算机应用技术曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/1935.与其他学科的交叉学科交叉计算机组成、操作系统、汇编语言、数据结构、微计算机技术、计算机网络、……新内容超标量处理机、超流水线处理机、VLIW处理机、向量处理机、并行处理机、多处理机、互连网络、……计算机系统结构正处于变革时期软件-系统结构-实现技术,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曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/1946.课程安排课内：48学时，实验：6学时，课内外比例：课内1：课外1除完成作业之外，还要多看参考书多看好论文(被SCI、EI收录)，了解国内外最新研究成果7.教材和参考书教材：清华大学计算机系列教材：计算机系统结构(第二版)，清华大学出版社曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/195参考书：(1)DavidA.PattersonandJohnL.Hennessy,ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach3Ed.SanFrancisco:MorganKaufmannPublishers中文：计算机系统结构：一种定量的方法（第二版,第三版即将出版），清华大学出版社(2)KaiHwang，AdvancedComputerAcrchitectureParallelismScalabilityProgrammability中文：高等计算机系统结构：并行性可扩展性可编程性，清华大学出版社、广西科学技术出版社曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/1961.1计算机系统结构1.2计算机系统设计技术1.3计算机系统的评价标准1.4计算机系统结构的发展2020/1/19曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity7目标：提高处理机运算速度：MIPS＝FzIPCFz为处理机的工作主频IPC(InstructionPerCycle)为每个时钟周期平均执行的指令条数提高IPC：依靠先进系统结构及先进技术（流水线技术）过去:几个或几十个周期完成一条指令现在:一个周期完成几条指令8曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity提高Fz提高器件速度，缩短门电路延迟，依靠技术进步依靠器件技术进步性能每年提高35%先进系统结构对性能的贡献是技术进步的5倍9曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity第一代（1945-1954）硬件特点：电子管、继电器存储器用绝缘导线连在一起单个CPU系统结构特点：CPU用程序计数器和累加器顺序完成定点运算采用机器语言或汇编语言用CPU程序控制I/O2020/1/19曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity10第二代（1955-1964）硬件特点：分立式晶体三极管、二极管、铁氧体的磁芯用印刷电路互连在一起系统结构特点：变址寄存器浮点运算多路存储器I/O处理机采用有编译程序的高级语言、子程序库、批处理监控程序2020/1/19曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity11第三代（1965-1974）硬件特点：小规模或中规模集成电路多层印刷电路系统结构特点：微程序控制开始普及流水线、高速缓存、先行处理机软件方面采用多道程序设计、分时操作系统2020/1/19曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity12第四代（1974-1991）硬件特点：大规模或超大规模集成电路半导体存储器系统结构特点：出现了用共享存储器、分布存储器或向量硬件选择的不同结构的并行计算机开发了用于并行处理的多处理操作系统、专用语言和编译器产生了用于并行处理或分布处理的软件工具和环境2020/1/19曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity13第五代（1991-现在）硬件特点：采用VLSI工艺更加完善的高精度、高速度处理机和存储器芯片系统结构特点：进行大规模并行处理采用可扩展的和容许时延的操作系统2020/1/19曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity14前三代：每代10年，第四代：持续15年现在是第五代换代的标志：计算机的器件电子管-晶体管-集成电路（小规模-中规模-大规模-超大规模）是计算机发展的物质基础系统结构的特点重要的新概念不断出现变址寄存器、通用寄存器、浮点数据表示、程序中断、输入输出通道、间接寻址、虚拟存储器、Cache存储器、系列化、微程序设计……15曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/19计算机系统性能提高，依靠：器件的变革系统结构的改进1995年，先进系统结构对微处理器性能的贡献是单纯技术进步的5倍。曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/1916曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/19171.1.1计算机系统层次结构1.1.2计算机系统结构的定义1.1.3计算机组成与实现1.1.4计算机系统结构的分类1.1计算机系统结构曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/19181.计算机系统的层次结构计算机系统由硬件（器件）和软件组成，按功能可分为7级层次：1.1计算机系统结构第6级：应用程序第5级：高级语言计算机第4级：汇编语言计算机第3级：操作系统第2级：机器语言计算机第1级：微程序控制第0级：硬联逻辑应用软件系统软件硬件软硬件分界第0级由硬件实现第1级由微程序（固件）实现第2级至第6级由软件实现,称为虚拟机每一级对应一种机器----虚拟计算机曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/1919广义语言虚拟计算机解释器作用对象观察者虚拟计算机只对一定的观察者而存在从不同角度所看到的计算机系统的属性对广义语言进行解释，然后作用在信息对象上应用程序员系统程序员硬件设计人员某层观察者，只通过该层语言了解和使用计算机不必关心再内层如何工作曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/1920指令系统第2级机器语言中央处理机目标程序机器语言程序员指令时序第1级微程序控制微程序控制寄存器逻辑逻辑设计员操作时序第0级硬联逻辑硬联逻辑逻辑线路硬件设计员第0级是机器的硬件内核第0级和第1级是具体实现机器指定功能的中央控制部分时序、微指令、微程序实现微指令需要很少逻辑线路，用硬联逻辑实现第2级：机器语言机器；机器语言是该机指令系统；机器语言程序员用这级指令系统编写程序由第1级微程序解释曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/1921应用语言第6级应用程序机器应用程序信息处理系统用户高级语言第5级高级语言机器解释程序编译程序可执行程序高级语言程序员汇编语言第4级汇编语言机器汇编程序可执行程序汇编语言程序员系统原语键盘命令第3级操作系统机器操作系统系统资源系统操作员操作系统语言机器语言中多数指令是传统机器的指令算术运算、逻辑运算、位移还提供操作系统级指令打开文件、读写文件、关闭文件执行：与第2级指令相同的指令直接由微程序实现操作系统级指令部分由操作系统进行解释操作系统是运行在第2级上的解释程序曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/1922应用语言第6级应用程序机器应用程序信息处理系统用户高级语言第5级高级语言机器解释程序编译程序可执行程序高级语言程序员汇编语言第4级汇编语言机器汇编程序可执行程序汇编语言程序员系统原语键盘命令第3级操作系统机器操作系统系统资源系统操作员这一级的机器语言是汇编语言用汇编语言编写的程序首先翻译成第3级或第2级语言再由相应的机器进行解释完成翻译的程序叫做汇编程序曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/1923应用语言第6级应用程序机器应用程序信息处理系统用户高级语言第5级高级语言机器解释程序编译程序可执行程序高级语言程序员汇编语言第4级汇编语言机器汇编程序可执行程序汇编语言程序员系统原语键盘命令第3级操作系统机器操作系统系统资源系统操作员这一级的机器语言是各种高级语言用这些语言编写的程序由编译程序翻译到第4级或第3级上的语言个别的高级语言也用解释的方法实现曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/1924应用语言第6级应用程序机器应用程序信息处理系统用户高级语言第5级高级语言机器解释程序编译程序可执行程序高级语言程序员汇编语言第4级汇编语言机器汇编程序可执行程序汇编语言程序员系统原语键盘命令第3级操作系统机器操作系统系统资源系统操作员这一级的机器语言是应用语言使非计算机专业人员也能直接使用计算机只需在用户终端或其他方式发出服务请求就能进入第6级的信息处理系统从学科领域来划分：第0级和第1级属于计算机组成原理第2级属于计算机系统结构第3至第5级属于系统软件第6级属于应用软件它们之间有交叉，例如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级必须依赖第4级和第5级来实现曲阜师范大学计算机学院SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2020/1/1925曲阜师范大学计算机学院Schoolof