計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1章

1、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Computer Architecture計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究內(nèi)容研究內(nèi)容 從外部來研究計算機系統(tǒng)從外部來研究計算機系統(tǒng) 使用者所看到的物理計算機的抽象使用者所看到的物理計算機的抽象 編寫出能夠在機器上正確運行的程序所必須了解到的編寫出能夠在機器上正確運行的程序所必須了解到的計算機屬性計算機屬性學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的建立計算機系統(tǒng)的建立計算機系統(tǒng)的完整概念完整概念學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)的學(xué)習(xí)計算機系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計方法分析方法和設(shè)計方法了解計算機系統(tǒng)的了解計算機系統(tǒng)的最新研究成果最新研究成果計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章第一章 基本

2、概念基本概念 介紹計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些基本知識。包括定性知識和定介紹計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些基本知識。包括定性知識和定量知識兩大內(nèi)容。量知識兩大內(nèi)容。 定性知識：本課程經(jīng)常使用的一些名詞概念，以及對計算定性知識：本課程經(jīng)常使用的一些名詞概念，以及對計算機的定性認識、分析方法。機的定性認識、分析方法。 定量知識：對計算機性能進行定量評價的幾個重要公式。定量知識：對計算機性能進行定量評價的幾個重要公式。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)v 計算機發(fā)展的五個階段計算機發(fā)展的五個階段 1、19451954：電子管、繼電器，定點運算、機器：電子管、繼電器，定點運算、機器/匯編匯編語言語言 2、19551964：分

3、立式晶體管、鐵磁心存儲器、單層：分立式晶體管、鐵磁心存儲器、單層PCB，變址寄存器，浮點運算，高級語言批處理監(jiān)控；，變址寄存器，浮點運算，高級語言批處理監(jiān)控； 3、19651974：SSI、MSI，多層，多層PCB，微程序控制，微程序控制，Cache，多道程序并行，分時，多道程序并行，分時OS，IBM360/370； 4、19751990：LSI、VLSI，半導(dǎo)體存儲器，并行處理，半導(dǎo)體存儲器，并行處理，分布處理；分布處理； 5、1991 ：VLSI，ULSI，大規(guī)模并行處理，大規(guī)模并行處理計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)v 推動計算機性能提高的兩個關(guān)鍵因素推動計算機性能提高的兩個關(guān)鍵因素: 組成

4、器件：電子管晶體管集成電路組成器件：電子管晶體管集成電路 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一臺電子計算機：第一臺電子計算機：ENIAC計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ENIAC的總成本為的總成本為48萬萬6千千8百美元。它是一個有百美元。它是一個有18000多多只電子管，只電子管，7200只晶體二極管，只晶體二極管，10000多只電容，多只電容，7000多多只電阻，只電阻，5萬多個焊點，萬多個焊點，長長30.4830.48米，寬米，寬1 1米，占地面積約米，占地面積約170170平方米，平方米，3030個操作臺，約相當于個操作臺，約相當于1010間普通房間的大小，間普通房

5、間的大小，重達重達3030噸，消耗功率噸，消耗功率150kW150kW。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Intel 的第一塊的第一塊CPU40044004,Intel4004,Intel最早的最早的CPUCPU，集成有，集成有2 2，250250個晶體管，個晶體管，晶體管之晶體管之間的距離是間的距離是10微米微米（即（即10000納米），納米），主頻主頻0.74MHz。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第第 6 級級 ： 應(yīng)應(yīng) 用用 程程 序序 第第 5 級級 ： 高高 級級 語語 言言 第第 4 級級 ： 匯匯 編編 語語 言言 第第 3 級級 ： 操操 作作 系系 統(tǒng)統(tǒng) 第第 2 級級 ： 機機

6、器器 語語 言言 第第 1 級級 ： 微微 程程 序序 第第 0 級級 ： 硬硬 聯(lián)聯(lián) 邏邏 輯輯 應(yīng)應(yīng) 用用 軟軟 件件 系系 統(tǒng)統(tǒng) 軟軟 件件 硬硬 件件 軟軟 硬硬 件件 分分 界界 1.1.1 計算機系統(tǒng)的多級層次模型計算機系統(tǒng)的多級層次模型 1.1 1.1 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 應(yīng)應(yīng)用用語語言言 第第 6 6 級級 應(yīng)應(yīng)用用程程序序 應(yīng)應(yīng)用用程程序序 信信息息處處理理系系統(tǒng)統(tǒng) 用用 戶戶 高高級級語語言言 第第 5 5 級級 高高級級語語言言 解解釋釋程程序序 編編譯譯程程序序 可可執(zhí)執(zhí)行行程程序序 高高級級語語言言程程序序員員 匯匯編編語語言言

7、第第 4 4 級級 匯匯編編語語言言 匯匯編編程程序序 可可執(zhí)執(zhí)行行程程序序 匯匯編編語語言言程程序序員員 系系統(tǒng)統(tǒng)原原語語 鍵鍵盤盤命命令令 第第 3 3 級級 操操作作系系統(tǒng)統(tǒng) 操操作作系系統(tǒng)統(tǒng) 系系統(tǒng)統(tǒng)資資源源 系系統(tǒng)統(tǒng)操操作作員員 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 指指令令系系統(tǒng)統(tǒng) 第第2 2 級級 機機器器語語言言 中中央央處處理理機機 目目標標程程序序 機機器器語語言言程程序序員員 指指令令時時序序 第第1 1 級級 微微程程序序控控制制 微微程程序序控控制制 寄寄存存器器邏邏輯輯 邏邏輯輯設(shè)設(shè)計計員員 操操作作時時序序 第第0 0 級級 硬硬聯(lián)聯(lián)邏邏輯輯 硬硬聯(lián)聯(lián)邏邏輯輯 邏邏輯輯線

8、線路路 硬硬件件設(shè)設(shè)計計員員 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義 計算機軟件硬件計算機軟件硬件兩種定義：兩種定義：u定義定義1：Amdahl于于1964年提出：年提出：程序員所看到的程序員所看到的計算機系統(tǒng)屬性計算機系統(tǒng)屬性，即，即概念性結(jié)構(gòu)概念性結(jié)構(gòu)和和功能特性功能特性看到的看到的：編寫出能在機器上正確運行的程序所必編寫出能在機器上正確運行的程序所必須須 了解到的。了解到的。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主主存存儲儲器器主主存存控控制制器器打打印印機機磁磁盤盤機機卡卡片片機機磁磁帶帶機機終終 端端概念結(jié)構(gòu)概念結(jié)構(gòu)IOP：IO控制器控制器計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

9、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能特性：指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式功能特性：指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模式 數(shù)據(jù)表示：數(shù)據(jù)表示：硬件能夠直接認別和處理的數(shù)據(jù)類型和硬件能夠直接認別和處理的數(shù)據(jù)類型和格式；格式； 尋址方式：尋址方式：最小尋址單位、尋址方式的種類和地址最小尋址單位、尋址方式的種類和地址運算等；運算等； 寄存器組織：寄存器組織：操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄操作數(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；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)：指令系統(tǒng)：機器指令的操作類型、格式，指令間的機器指令的操作類型、格式，指令間的排序和控制機制；排序和控制機制；計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系

10、統(tǒng)結(jié)構(gòu)中斷系統(tǒng)：中斷系統(tǒng)：中斷類型、中斷級別和中斷響應(yīng)方式等；中斷類型、中斷級別和中斷響應(yīng)方式等；存儲系統(tǒng)：存儲系統(tǒng)：最小編址單位、編址方式、主存容量、最最小編址單位、編址方式、主存容量、最大尋址空間等；大尋址空間等；輸入輸出系統(tǒng)：輸入輸出系統(tǒng)：連接方式、數(shù)據(jù)交換方式、數(shù)據(jù)交換連接方式、數(shù)據(jù)交換方式、數(shù)據(jù)交換過程的控制等；過程的控制等；信息保護信息保護: 信息保護方式和硬件對信息保護的支持等。信息保護方式和硬件對信息保護的支持等。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)透明性概念透明性概念 本來存在的事物或?qū)傩?，從某種角度看似乎不存在本來存在的事物或?qū)傩裕瑥哪撤N角度看似乎不存在例如：浮點數(shù)表示、乘法指令例

11、如：浮點數(shù)表示、乘法指令 對高級語言程序員、應(yīng)用程序員透明對高級語言程序員、應(yīng)用程序員透明 對匯編語言程序員、機器語言程序員不透明對匯編語言程序員、機器語言程序員不透明例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序例如：數(shù)據(jù)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匯編語言程序員、機器語言程序員透明 對硬件設(shè)計者、計算機維修人員不透明對硬件設(shè)計者、計算機維修人員不透明 透明度越高，編程越簡單，執(zhí)行效率降低透明度越高，編程越簡單，執(zhí)行效率降低 透明度越低，編程越復(fù)雜，執(zhí)行效率提高透明度越低，編程越復(fù)雜，執(zhí)行效率提高計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)u定義定義2： 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配和對軟計

12、算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配和對軟硬件界面的確定硬件界面的確定 計算機系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們在功計算機系統(tǒng)由軟件、硬件和固件組成，它們在功能上是同等的。能上是同等的。 同一種功能可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件或固同一種功能可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件或固件實現(xiàn)。件實現(xiàn)。系列計算機概念：系列計算機概念：相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同組成和實現(xiàn)相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同組成和實現(xiàn)的一系列計算機系統(tǒng)。的一系列計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.1.3 計算機組成計算機組成 計算機組成計算機組成指計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，主要包括指計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，主要包括： 確定數(shù)據(jù)通路的寬度確定數(shù)據(jù)通

13、路的寬度 確定各種操作對功能部件的共享程度確定各種操作對功能部件的共享程度 確定專用的功能部件確定專用的功能部件 確定功能部件的并行度確定功能部件的并行度 設(shè)計緩沖和排隊策略設(shè)計緩沖和排隊策略 設(shè)計控制機構(gòu)設(shè)計控制機構(gòu) 確定采用何種可靠性技術(shù)確定采用何種可靠性技術(shù)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1.4 計算機實現(xiàn)計算機實現(xiàn) 計算機實現(xiàn)計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)，包括：是指計算機組成的物理實現(xiàn)，包括： 處理機、主存儲器等部件的物理結(jié)構(gòu)處理機、主存儲器等部件的物理結(jié)構(gòu) 器件的集成度和速度器件的集成度和速度 專用器件的設(shè)計專用器件的設(shè)計 器件、模塊、插件、底版的劃分與連接器件、模塊、插件、底

14、版的劃分與連接 信號傳輸技術(shù)信號傳輸技術(shù) 電源、冷卻及裝配技術(shù)，相關(guān)制造工藝及技術(shù)等電源、冷卻及裝配技術(shù)，相關(guān)制造工藝及技術(shù)等計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)之間的關(guān)系：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)之間的關(guān)系： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成實現(xiàn)，組成和實現(xiàn)的改進推動系統(tǒng)結(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成實現(xiàn)，組成和實現(xiàn)的改進推動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進步；構(gòu)的進步； 隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者間界限越來越模糊。隨著技術(shù)、器件和應(yīng)用的發(fā)展，三者間界限越來越模糊。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機組成計算機組成計算機實現(xiàn)計算機實現(xiàn)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2.1 性能評測的常用方法性能評測

15、的常用方法 1.2.2 其他性能其他性能1.2.3 價格標準價格標準1.2 計算機系統(tǒng)的評價標準計算機系統(tǒng)的評價標準計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2.1 性能評測的常用方法性能評測的常用方法 以運算速度為主以運算速度為主1、時鐘頻率（主頻）時鐘頻率（主頻）：如：只表示只表示CPU的指令處理能力的指令處理能力實際運算速度還與實際運算速度還與Cache、內(nèi)存、內(nèi)存、I/O、被執(zhí)行程序、被執(zhí)行程序等均有關(guān)等均有關(guān)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2、指令執(zhí)行速度、指令執(zhí)行速度一種經(jīng)典的表示運算速度的方法一種經(jīng)典的表示運算速度的方法MIPS（Million Instructions Per Second）

16、以及）以及 KIPS、GIPS、TIPS其中：其中：Fz為處理機的工作主頻為處理機的工作主頻 CPI(Cycles Per Instruction)為為 每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)每條指令所需的平均時鐘周期數(shù) IPC為每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)為每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)Fz IPCCPIFz10MIPS6執(zhí)行時間指令條數(shù)MFLOPS、GFLOPS、 TFLOPS計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)例例1：計算：計算PentiumII 450處理機的運算速度。處理機的運算速度。解：由于解：由于PentiumII 450處理機的處理機的IPC2（或（或CPI0.5），），F(xiàn)z450MHz （1

17、）不同指令的速度差別很大）不同指令的速度差別很大（2）指令使用頻度差別很大）指令使用頻度差別很大 MIPS9004502 Fz IPCMIPS450PentiumII主要優(yōu)點：直觀、方便。目前還經(jīng)常使用主要優(yōu)點：直觀、方便。目前還經(jīng)常使用 主要缺點主要缺點:計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3、等效指令速度：吉普森（、等效指令速度：吉普森（Gibson）法）法其中：其中：Wi：指令使用頻度，：指令使用頻度，i：指令種類：指令種類靜態(tài)指令使用頻度：在程序中直接統(tǒng)計靜態(tài)指令使用頻度：在程序中直接統(tǒng)計動態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過程中統(tǒng)計動態(tài)指令使用頻度：在程序執(zhí)行過程中統(tǒng)計在計算機發(fā)展的早期，用加法指令

18、的運算速度來衡量計算機的在計算機發(fā)展的早期，用加法指令的運算速度來衡量計算機的速度。速度。通常：加、減法通常：加、減法50，乘法，乘法15，除法，除法5，程序控制，程序控制15，其，其他他15）（等效等效指令速度等效指令執(zhí)行時間niiiniiiniiiWCPICPIMIPSWMIPSTWT1111)(計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)例例2：我國最早研制的小型計算機：我國最早研制的小型計算機DJS-130，定點，定點16位，位，加法速度每秒加法速度每秒50萬次，但沒有硬件乘法和除法等指令。萬次，但沒有硬件乘法和除法等指令。用軟件實現(xiàn)乘法和除法，速度降低用軟件實現(xiàn)乘法和除法，速度降低100倍左右，求定

19、倍左右，求定點等效速度。點等效速度。解：解： 即每秒即每秒2萬次，由于乘法和除法用軟件實現(xiàn)，等效速萬次，由于乘法和除法用軟件實現(xiàn)，等效速度降低了度降低了25倍。倍。 MIPS0.02100/0.80/1MIPS）（等效指令速度計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)例例3：如果浮點開平方操作：如果浮點開平方操作FPSQR的比例為的比例為2%，CPI為為100，其他浮點操作的比例為其他浮點操作的比例為23%，CPI4.0，其余指令的，其余指令的CPI1.33，計算該處理機的等效，計算該處理機的等效CPI。如果。如果FPSQR操作操作的的CPI也為也為4.0，重新計算等效，重新計算等效CP

20、I。解：解： 等效等效CPI1100 2 4 23 1.33 753.92 等效等效CPI24 251.33 752.00 由于改進了僅占由于改進了僅占2的的FPSQR操作的操作的CPI，使等效速度提，使等效速度提高了近一倍高了近一倍計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4、數(shù)據(jù)處理速率、數(shù)據(jù)處理速率PDR（processing data rate） PDRL/R其中：其中：L0.85G0.15H0.4J0.15K；R0.85M0.09N0.06P其中：其中：G是每條定點指令的位數(shù)是每條定點指令的位數(shù)M是平均定點加法時間是平均定點加法時間H是每條浮點指令的位數(shù)是每條浮點指令的位數(shù)N是平均浮點加法時間是平

21、均浮點加法時間J是定點操作數(shù)的位數(shù)是定點操作數(shù)的位數(shù)P是平均浮點乘法時間是平均浮點乘法時間K是浮點操作數(shù)的位數(shù)是浮點操作數(shù)的位數(shù)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5、核心程序法、核心程序法 把應(yīng)用程序中用的最頻繁那部分核心程序作為評價計算機把應(yīng)用程序中用的最頻繁那部分核心程序作為評價計算機性能的標準程序。稱為性能的標準程序。稱為基準程序基準程序benchmark 整數(shù)測試程序：整數(shù)測試程序：Dhrystone 浮點測試程序：浮點測試程序：Linpack用用FORTRAN語言編寫，主要是浮點加法和浮點乘法操作。語言編寫，主要是浮點加法和浮點乘法操作。用用MFLOPS（Million Floating

22、Point Operations Per Second）表示表示GFLOPS、TFLOPS Whetstone基準測試程序基準測試程序計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6、基準測試程序套件（、基準測試程序套件（SPEC基準程序基準程序 ）SPEC：System performance evaluation Cooperative目前使用最為廣泛、最具權(quán)威性的測試規(guī)矩目前使用最為廣泛、最具權(quán)威性的測試規(guī)矩 由約由約30個世界知名計算機大廠商所支持的非盈利合作組織，個世界知名計算機大廠商所支持的非盈利合作組織，包括：包括：IBM、AT&T、BULL、Compaq、CDC、

23、DG、DEC、Fujitsu、HP、Intel、MIPS、Motolola、SGI、SUN、Unisys等；等；SPEC能夠全面反映機器的性能，具有很高的參考價值；能夠全面反映機器的性能，具有很高的參考價值；計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2.2 其他性能其他性能1存儲能力存儲能力存儲容量，速度，編址單位，編址方式，尋址方式存儲容量，速度，編址單位，編址方式，尋址方式2字長字長 關(guān)鍵問題：指令字長與數(shù)據(jù)字長的協(xié)調(diào)關(guān)鍵問題：指令字長與數(shù)據(jù)字長的協(xié)調(diào)原因：程序與數(shù)據(jù)共用同一個主存儲器原因：程序與數(shù)據(jù)共用同一個主存儲器早期：由指令字長決定早期：由指令字長決定當前：由數(shù)據(jù)字長決定，當前：由數(shù)據(jù)字長決定

24、，8的倍數(shù)，如：的倍數(shù)，如：32位、位、64位等位等可變字長：任意組合可變字長：任意組合計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型目前常用：定點、浮點、邏輯、目前常用：定點、浮點、邏輯、已有類型：向量、串、棧、樹、已有類型：向量、串、棧、樹、發(fā)展方向：自定義發(fā)展方向：自定義數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)表示4、指令系統(tǒng)、指令系統(tǒng)CISC：復(fù)雜指令集計算機：復(fù)雜指令集計算機RISC：精簡指令集計算機：精簡指令集計算機 VLIW：超長指令字：超長指令字(Very Long Instruction Word) 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5、輸入輸出能力、輸入輸出能力輸入輸出方式輸入輸出方式中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)輸入輸

25、出接口輸入輸出接口6、兼容性、兼容性共分共分12級：級：011，0級為完全不兼容，級為完全不兼容，11級為自身級為自身7、保護和診斷能力、保護和診斷能力程序與數(shù)據(jù)的保護程序與數(shù)據(jù)的保護診斷能力：檢錯、糾錯、冗余、自診斷能力診斷能力：檢錯、糾錯、冗余、自診斷能力可靠性：可靠性：RAS技術(shù)技術(shù)，可靠性，可靠性R、可用性、可用性A、可維護性、可維護性S計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2.3 價格標準價格標準1價格與性能的關(guān)系：價格與性能的關(guān)系：摩爾定理：摩爾定理：每隔每隔3 年芯片的集成度翻兩翻年芯片的集成度翻兩翻 用同樣的價格，五年之后能買到性能高十倍的機器用同樣的價格，五年之后能買到性能高十倍的

26、機器 計算機系統(tǒng)每年的折舊率為計算機系統(tǒng)每年的折舊率為75左右左右2硬件與軟件的價格比例：硬件與軟件的價格比例： 硬件的比例下降，軟件的比例上升硬件的比例下降，軟件的比例上升 目前軟件價格已經(jīng)超過硬件價格目前軟件價格已經(jīng)超過硬件價格計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微電子發(fā)展的神奇規(guī)律微電子發(fā)展的神奇規(guī)律Moores Law成本 硬件 軟件 年代 70 年代軟件所占的成本越來越高軟件所占的成本越來越高計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3 計算機系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)計算機系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)1.3.1 幾個定量原理幾個定量原理 1.3.2 軟硬件取舍軟硬件取舍1.3.3 軟件兼容性軟件兼容性1.3.4 計算機系統(tǒng)設(shè)

27、計方法計算機系統(tǒng)設(shè)計方法 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1 1、AmdahlAmdahl定律（加快經(jīng)常性事件原理定律（加快經(jīng)常性事件原理）其中：其中：S Sn n 全局加速比；全局加速比； T To o 原執(zhí)行時間（原執(zhí)行時間（oldold）；）； T Tn n 新執(zhí)行時間（新執(zhí)行時間（newnew）；）； S Se e 被改進部分的局部加速比；被改進部分的局部加速比； F Fe e 被改進部分原執(zhí)行時間占原來總時間被改進部分原執(zhí)行時間占原來總時間的百分比。的百分比。eeenonSFFTTS)1(11.3.1 幾個定量原理幾個定量原理性能改善的極限值受Fe值限制。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 例

28、例4：假設(shè)將某一部件的處理速度加快到：假設(shè)將某一部件的處理速度加快到10倍，該部倍，該部件的原處理時間為整個運行時間的件的原處理時間為整個運行時間的40%，則采用加快，則采用加快措施后能使整個系統(tǒng)的性能提高多少？措施后能使整個系統(tǒng)的性能提高多少？Sn10 60 41 010 6 41 5 6.解：解： 由題意可知：由題意可知：Fe=0.4, Se=10，根據(jù)，根據(jù)Amdahl定律，定律，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2、 CPI與程序執(zhí)行時間與程序執(zhí)行時間Te CPI是衡量是衡量CPU執(zhí)行指令效率的重要指標。執(zhí)行指令效率的重要指標。的加權(quán)平均值。為所有，它表明）（或者寫為）（的關(guān)系與一式，可以得

29、到比較上面第一式與最后寫另一方面，我們又可以，iniiiniiiniiiniiiniieniiiiieCPICPICPIICICCPICPIICCPIICCYCLECPIICCYCLECPIICTTICICfCYCLECYCLECPIICTCYCLECPIICT CPICPI)()( 1 其中： 11i1111計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3、 存儲器訪問的局部性原理存儲器訪問的局部性原理實質(zhì)：實質(zhì)：根據(jù)程序運行的最近情況，可以較為精確的預(yù)測出最根據(jù)程序運行的最近情況，可以較為精確的預(yù)測出最近的將來將要訪問哪些指令和數(shù)據(jù)。近的將來將要訪問哪些指令和數(shù)據(jù)。訪問的局部性原理是構(gòu)成層次化存儲系統(tǒng)的理論

30、基礎(chǔ)。訪問的局部性原理是構(gòu)成層次化存儲系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。時間局部性：時間局部性：最近訪問過的代碼在很短的時間內(nèi)有可能最近訪問過的代碼在很短的時間內(nèi)有可能被再次訪問；主要對應(yīng)于循環(huán)語句；被再次訪問；主要對應(yīng)于循環(huán)語句；空間局部性：空間局部性：與剛被訪問過的指令或數(shù)據(jù)相鄰的指令或數(shù)與剛被訪問過的指令或數(shù)據(jù)相鄰的指令或數(shù)據(jù)有可能馬上被訪問；主要對應(yīng)于順序執(zhí)行的語句。據(jù)有可能馬上被訪問；主要對應(yīng)于順序執(zhí)行的語句。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3.2 軟硬件取舍軟硬件取舍關(guān)鍵問題：關(guān)鍵問題：性能與價格的關(guān)系性能與價格的關(guān)系軟件與硬件實現(xiàn)的特點：軟件與硬件實現(xiàn)的特點：硬件實現(xiàn)：速度快、成本高；靈活性差、占

31、用內(nèi)存少硬件實現(xiàn)：速度快、成本高；靈活性差、占用內(nèi)存少軟件實現(xiàn)：速度低、復(fù)制費用低；靈活性好、占用內(nèi)存多軟件實現(xiàn)：速度低、復(fù)制費用低；靈活性好、占用內(nèi)存多計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兼容種類：兼容種類：1）向后兼容：在某一時間生產(chǎn)的機器上運行的目標軟件能）向后兼容：在某一時間生產(chǎn)的機器上運行的目標軟件能夠直接運行于更晚生產(chǎn)的機器上。夠直接運行于更晚生產(chǎn)的機器上。2）向前兼容：）向前兼容：3）向上兼容：在低檔機器上運行的目標軟件能夠直接運行）向上兼容：在低檔機器上運行的目標軟件能夠直接運行于高檔機器上。于高檔機器上。4）向下兼容：）向下兼容：其中向后兼容是最根本特征，必須做到。其中向后兼容是最根

32、本特征，必須做到。原因原因：軟件相對于硬件的成本越來越貴：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。已積累了大量成熟的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。1.3.3 軟件兼容性設(shè)計方法軟件兼容性設(shè)計方法計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 實現(xiàn)方法：實現(xiàn)方法：在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同性能的要求和當時的器件發(fā)展情況，設(shè)計出各種性能、性能的要求和當時的器件發(fā)展情況，設(shè)計出各種性能、價格不同的計算機系統(tǒng)。價格不同的計算機系統(tǒng)。 一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成可以有多種一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成可以有多種物理實現(xiàn)。物理實現(xiàn)。 系列機定義：

33、系列機定義：具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同組成和實現(xiàn)具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不同組成和實現(xiàn)的一系列計算機系統(tǒng)的一系列計算機系統(tǒng)方法方法1：系列機方法：系列機方法計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 采用系列機的主要優(yōu)點：采用系列機的主要優(yōu)點： 軟件兼容，可移植性好軟件兼容，可移植性好 插件、接口等兼容插件、接口等兼容 便于實現(xiàn)機間通信便于實現(xiàn)機間通信 便于維修、培訓(xùn)便于維修、培訓(xùn) 有利于提高產(chǎn)量、降低成本有利于提高產(chǎn)量、降低成本 采用系列機的主要缺點：采用系列機的主要缺點：限制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展限制了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方法方法2：模擬與仿真：模擬與仿真 Simulation vs Emul

34、ation 定義：定義：在一臺現(xiàn)有的計算機上實現(xiàn)另一臺計算機的指在一臺現(xiàn)有的計算機上實現(xiàn)另一臺計算機的指令系統(tǒng)。令系統(tǒng)。全部用軟件實現(xiàn)的叫全部用軟件實現(xiàn)的叫模擬模擬用硬件、固件或軟件、硬件、固件混合實現(xiàn)的叫用硬件、固件或軟件、硬件、固件混合實現(xiàn)的叫仿真仿真計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 模擬的實現(xiàn)方法模擬的實現(xiàn)方法 在在A計算機上通過解釋方法實現(xiàn)計算機上通過解釋方法實現(xiàn)B計算機的指令系統(tǒng)，計算機的指令系統(tǒng)，即即B機器的每一條指令用一段機器的每一條指令用一段A機器的程序進行解釋執(zhí)機器的程序進行解釋執(zhí)行。行。 A機器稱為宿主機，機器稱為宿主機，B機器稱為虛擬機。機器稱為虛擬機。 仿真的實現(xiàn)方法仿真的

35、實現(xiàn)方法直接用直接用A機器的一段微程序解釋執(zhí)行機器的一段微程序解釋執(zhí)行B機器的每條指令。機器的每條指令。A機器稱為宿主機，機器稱為宿主機，B機稱為目標機。機稱為目標機。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 優(yōu)缺點比較優(yōu)缺點比較模擬方法速度低，仿真方法速度高模擬方法速度低，仿真方法速度高仿真需要較多的硬件（包括控制存儲器）仿真需要較多的硬件（包括控制存儲器）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差別大的機器難于完全用仿真方法來實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差別大的機器難于完全用仿真方法來實現(xiàn)除了解釋方法之外，也可以通過編譯方法實現(xiàn)除了解釋方法之外，也可以通過編譯方法實現(xiàn)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方法方法3：統(tǒng)一高級語言：統(tǒng)一高級語言 方法：采用同一

36、種不依賴于任何具體機器的高級語方法：采用同一種不依賴于任何具體機器的高級語言編寫各種系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。言編寫各種系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 短期內(nèi)很難實現(xiàn)。短期內(nèi)很難實現(xiàn)。 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 三種方法比較：三種方法比較： 采用統(tǒng)一高級語言最好，是努力的目標采用統(tǒng)一高級語言最好，是努力的目標 系列機是暫時性方法，也是目前最好的方法系列機是暫時性方法，也是目前最好的方法仿真的速度低，芯片設(shè)計的負擔(dān)重仿真的速度低，芯片設(shè)計的負擔(dān)重計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3.4 計算機系統(tǒng)設(shè)計過程計算機系統(tǒng)設(shè)計過程方法方法1：由上向下（：由上向下（Top-Down） 設(shè)計過程：由上向下設(shè)計過程：由上向

37、下 面向應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型面向應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型面向應(yīng)用的高級語言面向應(yīng)用的高級語言面向這種應(yīng)面向這種應(yīng)用的操作系統(tǒng)用的操作系統(tǒng)面向操作系統(tǒng)和高級語言的機器語言面向操作系統(tǒng)和高級語言的機器語言面面向機器語言的微指令系統(tǒng)和硬件實現(xiàn)向機器語言的微指令系統(tǒng)和硬件實現(xiàn) 應(yīng)用場合：應(yīng)用場合： 專用計算機的設(shè)計（早期計算機的設(shè)計）專用計算機的設(shè)計（早期計算機的設(shè)計） 特點：特點： 對于所面向的應(yīng)用領(lǐng)域，性能（性能價格比）很高對于所面向的應(yīng)用領(lǐng)域，性能（性能價格比）很高 隨著通用計算機價格降低，目前已經(jīng)很少采用隨著通用計算機價格降低，目前已經(jīng)很少采用計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方法方法2：由下向上（：由下向上（Bo

38、ttom-Up) 設(shè)計過程：設(shè)計過程：1)根據(jù)當時的器件水平，設(shè)計微程序機器級和傳統(tǒng)機器根據(jù)當時的器件水平，設(shè)計微程序機器級和傳統(tǒng)機器2)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、高級語言編譯器等級語言編譯器等3)最后設(shè)計面向應(yīng)用的虛擬機器級。最后設(shè)計面向應(yīng)用的虛擬機器級。 應(yīng)用場合：應(yīng)用場合：在計算機早期設(shè)計中（在計算機早期設(shè)計中（6070年代）廣為采用年代）廣為采用 特點：特點：容易使軟件和硬件脫節(jié)，整個計算機系統(tǒng)的效率降低。容易使軟件和硬件脫節(jié)，整個計算機系統(tǒng)的效率降低。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方法方法3：中間開始（：中間開始（Mi

39、ddle-Out)用于系列計算機的設(shè)計過程中用于系列計算機的設(shè)計過程中應(yīng)用虛擬機應(yīng)用虛擬機高級語言虛擬機高級語言虛擬機匯編語言虛擬機匯編語言虛擬機 向上向上操作系統(tǒng)虛擬機操作系統(tǒng)虛擬機 從中間開始從中間開始傳統(tǒng)機器級傳統(tǒng)機器級微程序級微程序級 向下向下硬聯(lián)邏輯級硬聯(lián)邏輯級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.4 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.4.1 馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)諾依曼結(jié)構(gòu)1.4.2 器件發(fā)展的影響器件發(fā)展的影響計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 于于1936年年1946年形成，馮年形成，馮諾依曼等人于諾依曼等人于1946年提出年提出輸 入 設(shè) 備輸 出 設(shè) 備運 算 器ALU控 制 器存

40、儲 器1.4.1 馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)諾依曼結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、特點：存儲程序，運算器為中心、特點：存儲程序，運算器為中心1)存儲器是字長固定的、順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)。存儲器是字長固定的、順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)。2)存儲器提供可按地址訪問的一級地址空間，每個地址存儲器提供可按地址訪問的一級地址空間，每個地址是唯一定義的。是唯一定義的。3)由指令形式的低級機器語言驅(qū)動。由指令形式的低級機器語言驅(qū)動。4)指令順序執(zhí)行，即一般按照指令在存儲器中存放的順指令順序執(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)移指令實現(xiàn)。序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)。5)運算器為中心，輸入輸出設(shè)

41、備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運算器。運算器、存儲器、輸入輸出設(shè)備的送都途經(jīng)運算器。運算器、存儲器、輸入輸出設(shè)備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 不變的：不變的：存儲程序存儲程序 改變的：改變的：存儲器為中心存儲器為中心1) 從基于串行算法變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，出現(xiàn)了向量計從基于串行算法變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，出現(xiàn)了向量計算機，并行計算機、多處理機等。算機，并行計算機、多處理機等。2) 高級語言與機器語言的語義距離縮小。高級語言與機器語言的語義距離縮小。3) 硬件子系統(tǒng)與操作系

42、統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件相適硬件子系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件相適應(yīng)，出現(xiàn)了面向操作系統(tǒng)機器和數(shù)據(jù)庫計算機等。應(yīng)，出現(xiàn)了面向操作系統(tǒng)機器和數(shù)據(jù)庫計算機等。4) 從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動型和需求驅(qū)動從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動型和需求驅(qū)動型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機器和歸約機。型，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流機器和歸約機。2、現(xiàn)代處理機對馮、現(xiàn)代處理機對馮諾依曼結(jié)構(gòu)的改進諾依曼結(jié)構(gòu)的改進計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5) 為適應(yīng)特定應(yīng)用環(huán)境而出現(xiàn)了各種專用計算機，如為適應(yīng)特定應(yīng)用環(huán)境而出現(xiàn)了各種專用計算機，如過程控制計算機等。過程控制計算機等。6) 為獲得高可靠性而研制容錯計算機。為獲得高可靠性而研制容錯計

43、算機。7) 功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種功能分布計算機，功能分散化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種功能分布計算機，包含外圍處理機、通信處理機等。包含外圍處理機、通信處理機等。8) 出現(xiàn)了與大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路相適應(yīng)的計算出現(xiàn)了與大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路相適應(yīng)的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。9) 出現(xiàn)了處理非數(shù)值化信息的智能計算機，例如自然出現(xiàn)了處理非數(shù)值化信息的智能計算機，例如自然語言、聲音、圖形和圖象處理等。語言、聲音、圖形和圖象處理等。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.4.2 器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響器件發(fā)展對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響第第1代至第代至第4代計算機以器件來劃分代計算機以器件來劃分: 第一代：電子

44、管第一代：電子管(Valve) 第二代：晶體管第二代：晶體管(Transistor) 第三代：集成電路第三代：集成電路(LSI) 第四代：大規(guī)模集成電路第四代：大規(guī)模集成電路(VLSI)在相當長時間內(nèi)，是提高計算機速度的主要途徑在相當長時間內(nèi)，是提高計算機速度的主要途徑 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、器件發(fā)展的特點：、器件發(fā)展的特點：1) 集成度迅速提高集成度迅速提高摩爾定律摩爾定律可從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩個方面提高處理機速度：可從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩個方面提高處理機速度： 提高提高IPC，提高到，提高到8以上，以上， 采用更深度的流水線和并行處理技術(shù)采用更深度的流水線和并行處理技術(shù)2) 提高提高速度空間不

45、大速度空間不大器件速度提高的余地已經(jīng)很小，將來提高處理機速度更多依靠器件速度提高的余地已經(jīng)很小，將來提高處理機速度更多依靠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)技術(shù)、組成和實現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展的發(fā)展 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(3) 價格直線下降價格直線下降 CPU芯片的價格每年要下降芯片的價格每年要下降80%(4) 可靠性越來越高可靠性越來越高 芯片可靠性達到芯片可靠性達到108小時。小時。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 器件速度與處理機工作主頻器件速度與處理機工作主頻2、器件發(fā)展對組成技術(shù)的影響、器件發(fā)展對組成技術(shù)的影響 器件速度與指令執(zhí)行時間器件速度與指令執(zhí)行時間40多年來，器件速度提高小于多年來，器件

46、速度提高小于104；指令執(zhí)行加快；指令執(zhí)行加快108。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3、器件發(fā)展對設(shè)計方法的影響、器件發(fā)展對設(shè)計方法的影響 計算機組成技術(shù)下移計算機組成技術(shù)下移原來只有在巨型機、大型機種采用的技術(shù)，已經(jīng)用到微型機中原來只有在巨型機、大型機種采用的技術(shù)，已經(jīng)用到微型機中 計算機設(shè)計方法下移計算機設(shè)計方法下移第第1代計算機，幾乎全部由硬件人員設(shè)計代計算機，幾乎全部由硬件人員設(shè)計第第2、3、4代，由軟件、硬件人員共同設(shè)計代，由軟件、硬件人員共同設(shè)計將來：除器件設(shè)計之外，主要是軟件設(shè)計將來：除器件設(shè)計之外，主要是軟件設(shè)計 邏輯設(shè)計方法改變邏輯設(shè)計方法改變過去邏輯設(shè)計很重要，盡量節(jié)省每一個

47、芯片，每一個門過去邏輯設(shè)計很重要，盡量節(jié)省每一個芯片，每一個門目前的設(shè)計主要考慮：了解市場，盡量選擇通用芯片、標準芯片目前的設(shè)計主要考慮：了解市場，盡量選擇通用芯片、標準芯片結(jié)構(gòu)化設(shè)計，規(guī)整、易讀、易診斷結(jié)構(gòu)化設(shè)計，規(guī)整、易讀、易診斷計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.5.1 常見分類方法常見分類方法1.5.2 三三種通用分類方法種通用分類方法1.5 計算機系統(tǒng)的分類計算機系統(tǒng)的分類 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.5 計算機系統(tǒng)的分類計算機系統(tǒng)的分類 1.5.1 常見分類方法常見分類方法1、按規(guī)模劃分、按規(guī)模劃分 種類：巨型機、大型機、中型機、小型機、微型種類：巨型機、大型機、中型機、小型機、微

48、型機等。機等。 劃分原則：以性能為表征，按價格來劃分劃分原則：以性能為表征，按價格來劃分 存在問題：劃分的標準是隨時間而變化，存在問題：劃分的標準是隨時間而變化，每年每年左右降低一個等級左右降低一個等級計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2、按用途劃分、按用途劃分 種類：科學(xué)計算、事務(wù)處理、實時控制、工作站、服務(wù)器種類：科學(xué)計算、事務(wù)處理、實時控制、工作站、服務(wù)器、家用計算機等。、家用計算機等。 發(fā)展方向：具備上述所有功能的通用處理機發(fā)展方向：具備上述所有功能的通用處理機3、按數(shù)據(jù)類型劃分、按數(shù)據(jù)類型劃分 種類：定點機、浮點機、向量機等。種類：定點機、浮點機、向量機等。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4、

49、按處理機個數(shù)和種類劃分、按處理機個數(shù)和種類劃分 種類：單處理機、并行處理機、多處理機、分布處理機、種類：單處理機、并行處理機、多處理機、分布處理機、關(guān)聯(lián)處理機、超標量處理機、超流水線處理機、關(guān)聯(lián)處理機、超標量處理機、超流水線處理機、SMP（對（對稱多處理機）、稱多處理機）、MPP（大規(guī)模并行處理機）、機群（大規(guī)模并行處理機）、機群（Cluster）系統(tǒng)等。）系統(tǒng)等。5、按所使用的器件劃分、按所使用的器件劃分 種類：第一代（種類：第一代（Valve）、第二代（）、第二代（Transitor）、第三代（）、第三代（SSI和和MSI）、第四）、第四代（代（LSI和和VLSI）等。）等。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

50、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、佛林（、佛林（Flynn）分類法）分類法1966年年Michael J Flynn提出提出按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征對計算機系統(tǒng)進行分類按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征對計算機系統(tǒng)進行分類指令流：指令流：機器執(zhí)行的指令序列機器執(zhí)行的指令序列數(shù)據(jù)流：數(shù)據(jù)流：指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果多倍性（多倍性（multiplicity）：）：在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時處于同一在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)1.5.2 三種通用分類方法三種通用分類方法計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計

51、算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1)單指令流單數(shù)據(jù)流單指令流單數(shù)據(jù)流SISD(Single Instruction Single Datastream)MMPUCUDSISIS計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2)單指令流多數(shù)據(jù)流單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD(Single Instruction Multiple Datastream)MM1PU2CU.ISISPUnPU1MM2MMnDS2DSnDS1SIMD 并行處理機多個并行處理機多個PU按一定方式互連，在同一個按一定方式互連，在同一個CU控制下，多數(shù)據(jù)完成同一條指令規(guī)定的操作；從控制下，多數(shù)據(jù)完成同一條指令規(guī)定的操作；從CU看，指令順序（串行）執(zhí)行，從看，指令順序（

52、串行）執(zhí)行，從PU看，數(shù)據(jù)并行執(zhí)行看，數(shù)據(jù)并行執(zhí)行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3)多指令流單數(shù)據(jù)流多指令流單數(shù)據(jù)流MISD(Single Instruction Multiple Datastream)PU2CU1.IS3IS1PUnPU1MMDSDSCU2CUn.IS2MISD 幾條指令對同一數(shù)據(jù)進行不同處理幾條指令對同一數(shù)據(jù)進行不同處理計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4)多指令流多數(shù)據(jù)流多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD(Single Instruction Multiple Datastream)PU2CU1.IS3IS1PUnPU1MM1DS1CU2CUn.IS2MM2DS2MM2DS2IS1IS2

53、IS3多處理機多處理機計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 主要缺點：主要缺點： (1) 分類太粗分類太粗例如：在例如：在SIMD中包括有多種處理機中包括有多種處理機對流水線處理機的劃分不明確，對流水線處理機的劃分不明確，標量流水線為標量流水線為SISD，向量流水線為，向量流水線為SIMD Flynn分類法得到廣泛應(yīng)用分類法得到廣泛應(yīng)用(2) 根本問題是把兩個不同等級的功能并列對待根本問題是把兩個不同等級的功能并列對待通常，數(shù)據(jù)流受指令流控制，從而造成通常，數(shù)據(jù)流受指令流控制，從而造成MISD不存在不存在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1972年美籍華人馮澤云提出，年美籍華人馮澤云提出， 用最大并行度來對計算機系統(tǒng)進行分類。用最大并行度來對計算機系統(tǒng)進行分類。最大并行度最大并行度：系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能處理的最大二進制位數(shù)：系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能處理的最大二進制位數(shù)字寬字寬n，一個字