《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》第一章

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成都信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院徐振明xzm@課件密碼：111111

要求：1.學(xué)習(xí)要求對課堂上講解的計(jì)算、繪圖題要理解會做（準(zhǔn)備作業(yè)本）。及時完成每章后的練習(xí)題（概念題直接寫到講義上）。2.課堂參與要求有事請假，無故曠課3次將取消平時成績，4次將取消考試資格。曠課1次：平時成績的20%

遲到：平時成績的5%

早退：平時成績的10%

病、事假：平時成績的3%關(guān)于本課程考試成績評定方法：筆試80%，平時成績（課堂參與+作業(yè)）20%序

2010年5月30日，國際超級計(jì)算機(jī)大會（ISC）在德國漢堡公布了最新的超級電腦500強(qiáng)排行榜。位于深圳國家超級計(jì)算機(jī)中心的曙光星云（DawningNebulae），理論計(jì)算峰值性能可以達(dá)到每秒2980萬億次，Linpack實(shí)測運(yùn)算能力為每秒1.271PFlop/s(每秒1271萬億次)，居世界超級電腦500強(qiáng)第二位。排行榜首的是來自美國Cray的美洲豹“Jaguar”，1.75PFlop/s

（每秒1750萬億次)

中國另外一款超級計(jì)算機(jī)天河一號排名第7

（2009年11月排名第5）。

對此，當(dāng)天的《紐約時報》稱：中國超級計(jì)算機(jī)曙光星云排名世界第二，超過了歐洲與日本，它顯示中國的科技實(shí)力已呈咄咄逼人之勢。

TOP500是全世界最權(quán)威的超級計(jì)算機(jī)排名榜。從1993年起，作為對全球已安裝的超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行排名的權(quán)威機(jī)構(gòu)，國際TOP500組織以計(jì)算機(jī)實(shí)測速度(Linpack測試值，求解規(guī)模為若干（100、1000）階的稠密線性代數(shù)方程組)為基準(zhǔn)，每年兩次發(fā)布世界上最快的500臺超級計(jì)算機(jī)排名。

理論浮點(diǎn)峰值＝CPU主頻×CPU每個時鐘周期執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算的次數(shù)×系統(tǒng)中CPU核心數(shù)目

2010年11月17日國際超級計(jì)算機(jī)TOP500組織發(fā)布:“天河一號A”超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（TotalCores

186368，Power4040Kw

）以每秒2507萬億次，超過每秒1750萬億次的美洲豹“Jaguar”(TotalCores224162，Power6950Kw)

，成為世界上最快的超級計(jì)算機(jī)！2009年11月中國超級計(jì)算機(jī)“天河1號”排名第五，運(yùn)算速度為每秒563萬億次。

2011年6月20日在網(wǎng)站上公布的全球超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜中，日本超級計(jì)算機(jī)“京”（TotalCores548352，Power9898.56Kw

）以每秒8162萬億次的實(shí)測運(yùn)算速度躋身榜首，中國的“天河一號”排名降至第二，但中國進(jìn)入榜單的超級計(jì)算機(jī)總數(shù)在全球僅次于美國。2011年11月11日在網(wǎng)站上公布了最新全球超級計(jì)算機(jī)500強(qiáng)排行榜，日本超級計(jì)算機(jī)“京”（TotalCores

705024Power12659.9Kw

）以每秒10510萬億次的實(shí)測運(yùn)算速度蟬聯(lián)榜首。第一章概述

§1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成由硬件和軟件資源構(gòu)成。

1.

硬件

1）處理信息資源—CPU；

2）存儲信息資源—存儲器；

3）交換信息資源—網(wǎng)絡(luò)、I/O設(shè)備。

2.軟件

1）系統(tǒng)軟件：各用戶共同使用，如操作系統(tǒng)（OS），編譯/解釋程序，匯編程序，診斷程序等；

2）應(yīng)用軟件：為解決用戶問題編寫的程序。二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)微程序設(shè)計(jì)技術(shù)和硬布線設(shè)計(jì)技術(shù)

一條指令執(zhí)行時，由控制部件通過控制線路向執(zhí)行部件發(fā)出各種控制命令，執(zhí)行部件接收命令后，按一定次序完成一系列最基本操作。通常把這種控制命令叫做微命令，而執(zhí)行部件接受微命令后，完成相應(yīng)的操作。這些控制命令通常稱為微命令，而這些最基本操作稱為微操作。

1.（傳統(tǒng)）機(jī)器語言級：二進(jìn)制語言是計(jì)算機(jī)中必不可少的語言。

2.匯編語言級：用符號表示的機(jī)器語言。

3.關(guān)于操作系統(tǒng)（OS

）：

①OS是管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件；

②OS的若干命令又可視為機(jī)器語言指令功能的擴(kuò)充；

③OS雖已發(fā)展成用高級語言編寫，但其屬服務(wù)于高級語言、匯編語言等的功能，并最終用機(jī)器語言或微指令程序解釋執(zhí)行的。

4.虛擬機(jī)：以軟件為主實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。

5.實(shí)際機(jī)器：由硬件或固件實(shí)現(xiàn)的物理機(jī)器。

6.固件：將微程序固化在器件上的硬件。三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義及其屬性一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以看成是由若干機(jī)器級組成的，從低層的硬件直到高層的應(yīng)用程序級，在每一級上都可以定義一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各機(jī)器級之間界面的劃分和定義，以及對各級界面上、下之間進(jìn)行功能分配，各級都有它自己的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本課程定義

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或稱計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）是匯編語言程序員所見到的計(jì)算機(jī)的外特性（屬性），即軟、硬件的交界面。

2.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要外特性

1）指令系統(tǒng)：指令的操作類型、功能、格式和編碼。

2）數(shù)據(jù)表示：能由硬件直接識別和處理的數(shù)據(jù)類型和指令。

3）尋址方式：最小可尋址單位、尋址種類和地址計(jì)算等。

4）寄存器組織：通用和專用寄存器的數(shù)量、字長和使用約定。

5）中斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：表示中斷的分類、分級和中斷響應(yīng)的功能以及入口地址等。

6）存儲體系和管理：包括主存的容量、編址方式、最小編址單位、最大可編址空間。

7）機(jī)器級I/O系統(tǒng)：包括I/O設(shè)備的連接方式，處理機(jī)、存儲器與I/O設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳遞方式和格式，傳遞的數(shù)據(jù)量及傳遞操作結(jié)束的表示及出錯提示等。

8）機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換：如管態(tài)和用戶態(tài)等。

9）信息保護(hù)：包括保護(hù)方式及有關(guān)的硬件支持等。

3研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的目的

1）重點(diǎn)是軟、硬件的交界面：

軟件和硬件在邏輯功能上是等效的，但是，在性能、價格、實(shí)現(xiàn)的難易程度上卻是各不相同的，是不等效的。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是研究哪些功能應(yīng)由硬件予以支持，而哪些功能應(yīng)由軟件來完成。硬件實(shí)現(xiàn)可以提高其執(zhí)行的速度，減少程序所需要的存貯空間，降低軟件部分所需的成本，但這會提高硬件部分的成本，降低系統(tǒng)的靈活性與適應(yīng)性。

2）目的：提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能/價格比。4.計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn)1）計(jì)算機(jī)組成

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。主要指的是機(jī)器級內(nèi)部數(shù)據(jù)流和控制流的組成及邏輯設(shè)計(jì)。它與指令和編程等沒有直接關(guān)系，主要是看硬件系統(tǒng)在邏輯上是如何組織的。如：乘法指令是用加法器和移位器實(shí)現(xiàn)，還是用專門的高速乘法器來實(shí)現(xiàn)。2）計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。它著眼于用什么樣的器件技術(shù)和微組裝技術(shù)。它也直接影響到系統(tǒng)的速度和價格。如：是否采用超大規(guī)模集成電路，如何將部件在物理上組裝到一起，則是由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)考慮。一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種物理實(shí)現(xiàn)。四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1.計(jì)算機(jī)的透明性概念客觀存在的事物或?qū)傩詮哪硞€角度看不到，稱這些事物或?qū)傩詫λ峭该鞯?。對目前多?shù)的通用計(jì)算機(jī)來說，采用什么系列機(jī)，機(jī)器級和匯編級的指令系統(tǒng)，指令的條數(shù)、種類、功能、格式和編碼，主存的容量、編址空間和所用的編址方式，硬件直接識別的數(shù)據(jù)類型、格式和種類，I／O系統(tǒng)采用通道處理機(jī)還是外圍處理機(jī)，I／O設(shè)備的編址等，所有這些對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都設(shè)計(jì)成不透明的。而系列機(jī)內(nèi)部搞哪幾種型號的計(jì)算機(jī)，乘法指令是用加法器和移位器來實(shí)現(xiàn)，還是用專門的高速乘法器來實(shí)現(xiàn)，控制器微操作信號是用微程序控制器產(chǎn)生還是用組合邏輯電路控制器產(chǎn)生等，所有這些對計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)來說都應(yīng)是不透明的。

2.

軟硬件取舍3原則

1）在現(xiàn)有器件的條件下，系統(tǒng)要有較高的性能價格比；

2）不要不合理地限制各種組成、實(shí)現(xiàn)技術(shù)的采用；

3）硬件的設(shè)計(jì)要考慮如何為軟件提供更好的支持。

3.

設(shè)計(jì)方法

具體的設(shè)計(jì)方法是從計(jì)算機(jī)多級層次結(jié)構(gòu)的上或下開始設(shè)計(jì)，有“從上到下”、“從下到上”和“從中間開始向兩邊設(shè)計(jì)”等三種不同的設(shè)計(jì)思路。1）

從上到下的設(shè)計(jì)（層次結(jié)構(gòu)中的上下）。

（1）依據(jù)：用戶的要求（包括性能及功能）。（2）特點(diǎn)：①根據(jù)用戶要求（需求）進(jìn)行設(shè)計(jì)（先有功能，性能要求，最后才有硬件實(shí)體）；

②適用于專用機(jī)設(shè)計(jì)。2）從下到上的設(shè)計(jì)

1）依據(jù)：①現(xiàn)有元器件狀況；

②并吸收現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)。

2）特點(diǎn)：①先設(shè)計(jì)出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件實(shí)體，再根據(jù)需求編寫相應(yīng)軟件；

②未明確針對哪種用戶設(shè)計(jì)，因而適用于傳統(tǒng)通用機(jī)設(shè)計(jì)。3）從中間到兩頭

1）中間層次面的確定：①OS是內(nèi)容之一；

②主要軟、硬件交界面。

2）優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)軟、硬件人員同時設(shè)計(jì)，從而加速系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)度。

五、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類

1.以代分類——視核心元器件。第一代：電子管，性能底、價格高。第二代：晶體管，價格極大降低、性能有所提高。第三代：集成電路，早期價格與第二代接近，性能進(jìn)一步提高。第四代：大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路，價格范圍寬，性能更提高。

2以流(Flynn)分類1）兩種信息流

①控制流——指令序列（I）②數(shù)據(jù)流——數(shù)據(jù)序列（D）2）按流分類SISD：單指令單數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)SIMD：單指令多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)MIMD：多指令多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)MISD：多指令單數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)

指令部件數(shù)據(jù)處理流數(shù)目部件數(shù)目

SISD11SIMD1多MIMD多多P27圖1-11

3）關(guān)于數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)目前常見的是控制流計(jì)算機(jī)，而數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)帶上處理標(biāo)記，找出數(shù)據(jù)后，就進(jìn)行相應(yīng)處理。數(shù)據(jù)驅(qū)動。3以型分類：按性能、體積、價格可分為巨、大、中、小、微、掌上型

88年一臺微型機(jī)（IBM-PC）：內(nèi)存640K硬盤：20M，約5.5萬

97年一臺微型機(jī)（兼容）：內(nèi)存16M硬盤：2.1G，約0.8萬

88年一臺超級小型機(jī)：內(nèi)存8M，硬盤2.7G

串口：RS23272個；RS42224個

91年1.3萬美金：內(nèi)存16M，硬盤5.4GP19圖1-8

時間

價格(對數(shù)坐標(biāo))

巨型機(jī)

t

大型機(jī)

中型機(jī)

小型機(jī)

微型機(jī)

虛線為等性能線

4以度(馮氏)分類度：對數(shù)據(jù)并行處理的程度。

按度分類：W—字

B—位

S—串行處理

P—并行處理字串位串WSBS：同時只對一個字的一位進(jìn)行處理。

字串位并WSBP：同時對一個字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。字并位串WPBS：同時對許多字的同一位(稱位片)進(jìn) 行處理。

字并位并WPBP：同時對許多字的全部或部分位進(jìn)行處理。并行性等級

§1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)

三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義及其屬性

四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

五、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類

以代分類、以流分類、以型分類、以度分類

§2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展途徑一、從提高CPU的利用率出發(fā)

對CPU的基本要求要有高速度，節(jié)省處理時間；要一直處于忙狀態(tài)，充分發(fā)揮高速性；要忙在數(shù)據(jù)的處理上。1.任務(wù)單一化

1）傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)CPU的工作內(nèi)容

CPU除完成運(yùn)算，還要負(fù)責(zé)I/O管理的操作

2）改進(jìn)辦法：

①減少I/O處理時間；

②下放I/O管理權(quán)限。

3）對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響：在計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中，引入I/O處理機(jī)，由它來管理入、出，使CPU專注數(shù)據(jù)處理。2.操作重迭化

1）一條指令的幾個過程段

①取指令

②譯碼分析

③執(zhí)行取譯執(zhí)取譯執(zhí)第i條第i+1條

2）傳統(tǒng)機(jī)器的執(zhí)行方式存在的問題

3）重迭執(zhí)行重迭執(zhí)行可以提高指令的吞吐率，圖示如下：

4）實(shí)現(xiàn)重迭操作需要的支持

①必須有先行部件

②能解決對存儲器的頻繁訪問，最好采用存儲器的多體結(jié)構(gòu)。

5）對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響除要求存儲器為多體結(jié)構(gòu)外，對CPU內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)具有深刻的影響。

3.吞吐匹配化

1）要求：主存儲器提供數(shù)據(jù)的速度要與CPU處理數(shù)據(jù)的速度匹配。

2）存在的問題：主存儲器的速度往往比CPU的處理速度低1個數(shù)量級。

3）解決的方法：

①直接提高主存速度

②在CPU與主存之間加入高速緩存（Cache）③借助于輔助硬件（MC：存儲控制器件）使cache與主存構(gòu)成一個有機(jī)整體。4.程序多道化——用戶分時化

1）單用戶系統(tǒng)存在的問題

①CPU的實(shí)際利用率往往很低

②因編程不當(dāng)而出現(xiàn)死循環(huán)時，更浪費(fèi)CPU時間。

2）辦法：充分利用I/O時間，采用程序多道化，讓CPU分時輪流為各用戶服務(wù)。

3）需要解決的問題：

①存貯容量不足問題：直接增加主存容量采用虛擬存貯器：把高速輔存?zhèn)窝b成主存使用。②多用戶復(fù)雜現(xiàn)場的保護(hù)與恢復(fù)問題：引入通信控制器（CC）來解決。二、從單機(jī)向多機(jī)發(fā)展

1.問題的提出：當(dāng)對單機(jī)系統(tǒng)采用上述四條途徑都不能滿足要求時，就要求用多機(jī)系統(tǒng)完成。

2.

多機(jī)系統(tǒng)的分類

1）多處理機(jī)系統(tǒng)并行處理機(jī)系統(tǒng)（屬SIMD）：包括陣列處理機(jī)系統(tǒng)，是指令級（細(xì)粒度）的并行處理分布式處理機(jī)系統(tǒng)（屬M(fèi)IMD）：消息傳遞網(wǎng)絡(luò)，提供結(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)到點(diǎn)的靜態(tài)連接。所有本地存儲器都是私有的，只有本地的處理機(jī)才能訪問。屬任務(wù)級（粗粒度）并行處理。

2）多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)程序級的并行處理，每個計(jì)算機(jī)結(jié)點(diǎn)有一個與其它結(jié)點(diǎn)不共享的本地存儲器。處理機(jī)之間的通信通過結(jié)點(diǎn)間的消息傳遞來實(shí)現(xiàn)。并行處理的四個等級：指令內(nèi)、指令間、過程（任務(wù)）、程序。

3）其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：脈動陣列機(jī)、數(shù)據(jù)流機(jī)、歸約機(jī)

3.

3T性能指標(biāo)重大挑戰(zhàn)性科學(xué)計(jì)算題目要求計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能有3T性能，即lTFLOPS的計(jì)算能力，1TB的主存容量和1TB／s的I／O帶寬。在天津?yàn)I海新區(qū)安裝部署國防科技大學(xué)的“天河一號A”，該系統(tǒng)擁有6144顆英特爾CPU和5120顆AMDGPU，內(nèi)存總?cè)萘繛?8TB，點(diǎn)點(diǎn)通信帶寬為40Gbps，共享磁盤總?cè)萘窟_(dá)到1PB，2507萬億次的實(shí)測速度。

7項(xiàng)技術(shù)：多陣列可配置協(xié)同并行體系結(jié)構(gòu)、高速率擴(kuò)展互聯(lián)通信技術(shù)、高效異構(gòu)協(xié)同計(jì)算技術(shù)、基于隔離的安全控制技術(shù)、虛擬化的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算支撐技術(shù)、多層次的大規(guī)模系統(tǒng)容錯技術(shù)和系統(tǒng)能耗綜合控制技術(shù)。主頻1.9G，4核§3影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的因素一、程序的可移植性的影響

1.含義：程序的可移植性也就是程序的可繼承性。

2.解決可移植性的辦法：

1）統(tǒng)一高級語言

高級語言是面向問題與算法的，與機(jī)器的具體結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。

2）采用模擬技術(shù)

利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的指令串來解釋虛擬機(jī)的指令功能