體系結(jié)構(gòu)第一章

高等計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主講：張燕平,殷趙霞

聯(lián)系方式算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程介紹ComputerArchitecture

“建筑學(xué)”、“建筑物的設(shè)計或式樣”，通常是指一個系統(tǒng)的外貌。研究內(nèi)容從外部來研究計算機(jī)系統(tǒng)使用者所看到的物理計算機(jī)的抽象編寫出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到的計算機(jī)的屬性。軟硬件功能分配及分界面的確定。學(xué)習(xí)目的建立計算機(jī)系統(tǒng)的完整概念學(xué)習(xí)計算機(jī)系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計方法掌握計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理、基本結(jié)構(gòu)及其基本分析方法。學(xué)習(xí)方法關(guān)鍵概念理解并記住從提高整機(jī)性能理解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)從性/價比理解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化實驗驗證和理解相關(guān)概念認(rèn)真思考和完成作業(yè)與其他課程的交叉主要包括：計算機(jī)組成原理、計算機(jī)操作系統(tǒng)、匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微機(jī)原理、高級語言等。新內(nèi)容：超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)、向量處理機(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)等。交叉點內(nèi)容：提高，建立完整概念計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一章基本概念第五章標(biāo)量處理機(jī)第二章指令系統(tǒng)第六章向量處理機(jī)第三章存儲系統(tǒng)第九章多處理機(jī)第四章輸入輸出系統(tǒng)第一章基本概念第一節(jié)計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第二節(jié)計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

第三節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評價標(biāo)準(zhǔn)第四節(jié)計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展

概念：五代計算機(jī)第一代（1945-1954）：將電子管和繼電器存儲器用絕緣導(dǎo)線互連在一起，單個CPU構(gòu)成，CPU用程序計數(shù)器和累加器順序完成定點計算，用機(jī)器語言或匯編語言，用CPU程序控制I/O。第二代（1955-1964）：分立式晶體三極管、二極管和鐵氧體的磁芯，用印刷電路將它們互連起來；用了變址寄存器、浮點運(yùn)算、多路存儲器和I/O處理器；用了編譯程序的高級語言、子程序庫、批處理監(jiān)控程序。第三代（1965-1974）；用了小規(guī)?；蛑幸?guī)模集成電路和多層印刷電路；微程序控制；用了流水線、高速緩存和先行處理機(jī)；用了多道程序設(shè)計和分時操作系統(tǒng)。第四代（1974-1991）；大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路和半導(dǎo)體存儲器；用了共享存儲器、分布存儲器或向量硬件選擇的不同結(jié)構(gòu)的并行計算機(jī)；有了并行處理的多處理操作系統(tǒng)、專業(yè)語言和編譯器，并有了并行處理和分布處理的軟件工具和環(huán)境。第五代（1991-現(xiàn)在）；采用VLSI工藝更加完善的高密度、高速度處理機(jī)和存儲器芯片；大規(guī)模并行處理，采用可擴(kuò)展的和容許時延的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。計算機(jī)系統(tǒng)性能的不斷提高主要靠期間的變革和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。1.1

計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1.1計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

計算機(jī)系統(tǒng)由硬件/器件和軟件組成，按功能劃分分成多級層次結(jié)構(gòu)，如圖1.1所示。第0級硬聯(lián)邏輯第1級微程序控制第2級機(jī)器語言計算機(jī)第3級操作系統(tǒng)第4級匯編語言計算機(jī)第5級高級語言計算機(jī)第6級應(yīng)用程序硬件維護(hù)員、設(shè)計員邏輯設(shè)計員機(jī)器語言程序員操作員匯編語言程序員高級語言程序員用戶圖1.1計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.定義

Amdahl于1964年在推出IBM360系列計算機(jī)時提出：程序員所看到的計算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。

程序員：匯編語言、機(jī)器語言、編譯程序、操作系統(tǒng)

看到的：編寫出能夠在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解到的

1.1.2計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義

功能特性：指令系統(tǒng)機(jī)器執(zhí)行模式

數(shù)據(jù)表示：硬件能夠直接識別和處理的數(shù)據(jù)類型和格式。尋址方式：最小尋址單位、尋址方式的種類和地址運(yùn)算等；寄存器組織:

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；

指令系統(tǒng)：機(jī)器指令的操作類型、格式，指令間的排序和控制機(jī)制等；

中斷系統(tǒng)：中斷類型、中斷級別和中斷響應(yīng)方式等；存儲系統(tǒng)：最小編址單位、編址方式、主存容量、最大尋址空間等；

處理機(jī)工作狀態(tài)：定義和切換方式，如管態(tài)和目態(tài)等；

輸入輸出系統(tǒng)：連接方式、數(shù)據(jù)交換方式、數(shù)據(jù)交換過程的控制等；

信息保護(hù)：包括信息保護(hù)方式和硬件對信息保護(hù)的支持等。

2.透明性

計算機(jī)系統(tǒng)中的透明與通常意義下的“透明”的含義剛好相反。通常意義下的“透明”是指公開的，什么都能看得到的。計算機(jī)系統(tǒng)的“透明”是看不到的意思，即對某一層的使用者來說，他看不到該層以下各層的機(jī)器屬性。

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(jī)器語言程序員不透明例如：數(shù)據(jù)總線寬度、微程序?qū)R編語言程序員、機(jī)器語言程序員透明對硬件設(shè)計者、計算機(jī)維修人員不透明3.各機(jī)器級的實現(xiàn)技術(shù)

低層機(jī)器級為高層機(jī)器級的功能實現(xiàn)提供支持，實現(xiàn)的技術(shù)就是翻譯和解釋。翻譯時先用翻譯程序把高層機(jī)器級上的程序翻譯成低層機(jī)器級上的等效程序，然后在低層機(jī)器級上實現(xiàn)程序功能。解釋使用底層機(jī)器級的一些語句或指令來仿真高層機(jī)器級上的一條語句或指令的功能，高層機(jī)器級程序中的每條語句或指令被逐條解釋來實現(xiàn)程序功能。1.1.3計算機(jī)組成與實現(xiàn)計算機(jī)組成是指計算機(jī)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功能部件的并行度設(shè)計緩沖和排隊策略

設(shè)計控制機(jī)構(gòu)確定采用何種可靠性技術(shù)計算機(jī)實現(xiàn)是指計算機(jī)組成的物理實現(xiàn)，包括：處理機(jī)、主存儲器等部件的物理結(jié)構(gòu)器件的集成度和速度專用器件的設(shè)計器件、模塊、插件、底版的劃分與連接信號傳輸技術(shù)電源、冷卻及裝配技術(shù)，相關(guān)制造工藝及技術(shù)等組成：計算機(jī)系統(tǒng)的邏輯實現(xiàn)實現(xiàn)：計算機(jī)系統(tǒng)的物理實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：是計算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件的界面；1.1.4計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類1.佛林(flynn)分類法

1966年由flynn提出按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征對計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類：

指令流：機(jī)器執(zhí)行的指令序列數(shù)據(jù)流：由指令流調(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：在系統(tǒng)最受限制的元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)。Flynn分類法按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性把計算機(jī)系統(tǒng)分為單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）系統(tǒng)、單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）系統(tǒng)、多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）系統(tǒng)和多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）系統(tǒng)等4類。Flynn分類法得到廣泛應(yīng)用，其主要缺點：（1）分類太粗：例如，在SIMD中包括有多種處理機(jī)對流水線處理機(jī)的劃分不明確，標(biāo)量流水線為SISD，向量流水線為SIMD。（2）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MISD不存在。（3）非馮式分類2.馮式分類法

1972年美籍華人馮澤云提出用最大并行度來對計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類

最大并行度：計算機(jī)系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能夠處理的最大二進(jìn)制位數(shù)。假設(shè)同時處理的字寬為n，位寬為m，則最大并行度定義為：

Pm=

M*N因此講系統(tǒng)分為：字串位串WSBS、字并位串WPBS、字串位并WSBP、字并位并WPBP

其主要缺點：僅考慮了數(shù)據(jù)的并行性，沒有考慮指令、任務(wù)、作業(yè)的并行。3.漢德勒（Handler）分類法由handler于1977年提出，又稱為ESC（Erlange（厄蘭格）

ClassificationScheme）分類法。根據(jù)并行度和流水線分類，計算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)分成三個層次，并分別考慮它們德可并行性和流水線處理程度。（1）程序級k：程序控制部件的個數(shù)（2）操作級d：算術(shù)邏輯部件或處理部件的個數(shù)（3）邏輯級w：每個算術(shù)邏輯部件包含的邏輯線路的套數(shù)。1.2計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)1.2.1計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的定量原理CPU性能

程序在機(jī)器上運(yùn)行所需的CPU時間為：

CPU時間＝CPU運(yùn)行時鐘周期數(shù)*時鐘周期

＝CPU運(yùn)行時鐘周期數(shù)/時鐘頻率若程序運(yùn)行時執(zhí)行的指令條數(shù)為IC，則每條指令的平均運(yùn)行時鐘周期數(shù)CPI為：

CPI＝CPU運(yùn)行時鐘周期數(shù)/IC

由此可得出CPU性能公式為：

CPU時間=（IC*CPI）/時鐘頻率2.

Amdahl定律

Amdahl定律告訴我們：系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時間的比例有關(guān)。Amdahl定律定義了由于采用特殊的方法所獲得的加速比的大小。加速比＝（采用改進(jìn)措施后的性能）/（沒有采用改進(jìn)措施前的性能）＝（沒有采用改進(jìn)措施前執(zhí)行某任務(wù)的時間）/（采用改進(jìn)措施后執(zhí)行某任務(wù)的時間）Amdahl定律用加速比來衡量系統(tǒng)采用的改進(jìn)措施對系統(tǒng)性能提高的程度，加速比的定義為：

Sn=To/Tn其中，To為改進(jìn)前所需的執(zhí)行時間；Tn為改進(jìn)后所需的執(zhí)行時間。1.2.2計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務(wù)

計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計者的任務(wù)包括指令系統(tǒng)的設(shè)計、功能的組織、邏輯設(shè)計和其物理實行。它涉及集成電路設(shè)計、封裝、電源、冷卻等問題。下面我們列出計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務(wù)：1.確定用戶對計算機(jī)系統(tǒng)的功能、價格和性能的要求（1）應(yīng)用領(lǐng)域（2）軟件兼容層次（3）操作系統(tǒng)需求（4）標(biāo)志2.軟硬件的平衡3.設(shè)計出符合今后發(fā)展方向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2.3計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務(wù)1.“由下往上”設(shè)計：設(shè)計過程：根據(jù)當(dāng)時的器件水平，設(shè)計微程序機(jī)器級和傳統(tǒng)機(jī)器級。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、高級語言編譯器等最后設(shè)計面向應(yīng)用的虛擬機(jī)器級應(yīng)用場合：在計算機(jī)早期設(shè)計中（60～70年代）廣為采用特點：容易使軟件和硬件脫節(jié)，整個計算機(jī)系統(tǒng)的效率降低。2.“由上往下”設(shè)計：設(shè)計過程：面向應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型面向應(yīng)用的高級語言面向這種應(yīng)用的操作系統(tǒng)面向操作系統(tǒng)和高級語言的機(jī)器語言面向機(jī)器語言的微指令系統(tǒng)和硬件實現(xiàn)應(yīng)用場合：專用計算機(jī)的設(shè)計（早期計算機(jī)的設(shè)計）特點：對于所面向的應(yīng)用領(lǐng)域，性能和性能價格比很高隨著通用計算機(jī)價格降低，目前已經(jīng)很少采用3.“由中間開始”設(shè)計:設(shè)計過程：首先定義軟硬件的分界面，包括：指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、硬件對操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)的支持等，然后各個層次分別進(jìn)行設(shè)計：軟件設(shè)計人員設(shè)計操作系統(tǒng)、高級語言、匯編語言、應(yīng)用出現(xiàn)等；硬件設(shè)計人員設(shè)計傳統(tǒng)機(jī)器、微程序、硬聯(lián)邏輯等。應(yīng)用場合：用于系列機(jī)的設(shè)計特點：軟硬件的分界面在上升；硬件價格下降，軟件價格上升；軟硬件人員結(jié)合共同設(shè)計；器件設(shè)計占領(lǐng)硬件設(shè)計1.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評價標(biāo)準(zhǔn)1.3.1性能評測的常用方法：運(yùn)算速度1.時鐘頻率（主頻）：用于同類處理機(jī)之間

如：PentiumⅡ/450比PentiumⅡ/300快50％，…2.指令執(zhí)行速度一種很經(jīng)典的表示方法MIPS(MillionInstructionsPerSecond)等

其中，F(xiàn)z為處理機(jī)的工作主頻；CPI(CyclesPerInstruction)為每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)；IPC(InstructionPerCycle)為每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)例1：計算PentiumII450處理機(jī)的運(yùn)算速度。解：由于PentiumII450處理機(jī)的IPC＝2(或CPI＝0.5),Fz＝450MHz，因此，MIPSPentiumII450＝Fz×IPC＝450×2＝900(MIPS)主要缺點：（1）不同指令的速度差別很大（2）指令使用頻度差別很大（3）有相當(dāng)多的非功能性指令3.等效指令速度：吉普森（Gibson）法其中，Wi：指令使用頻度，i：指令種類靜態(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)計在計算機(jī)發(fā)展的早期，用加法指令的運(yùn)算速度來衡量計算機(jī)的速度。通常：加、減法50％，乘法15％，除法5％，程序控制15％，其他15％例2：我國最早研制的小型計算機(jī)DJS-130，定點16位，加法每秒50萬次，但沒有硬件乘法和除法指令,用軟件實現(xiàn)乘法和除法，速度低100倍左右。求等效速度。解：定點等效速度為：即每秒2萬次，由于乘法和除法用軟件實現(xiàn)，等效速度降低了25倍。例3：

假設(shè)在程序中浮點開平方操作FPSQR的比例為2％，它的CPI為100；其他浮點操作FP的比例為23％，它的CPI＝4.0；其余75％指令的CPI＝1.33，計算該處理機(jī)的等效CPI。如果FPSQR操作的CPI也為4.0，重新計算等效CPI。解：

等效CPI1

＝100×2％+4×23％+1.33×75％＝3.92

等效CPI2

＝4×2％+4×23％+1.33×75％＝2.00等由于改進(jìn)了僅占2％的FPSQR操作的CPI，使等效速度跳高了近一倍。

指令執(zhí)行速度的幾種平均方法上述2中的指令執(zhí)行速度又稱為算術(shù)平均速度上述3中的等效指令執(zhí)行速度又稱為加權(quán)平均速度，或調(diào)和平均速度幾何平均速度：其中：ETR（executiontimeratio），n指不同的程序

幾何平均速度與機(jī)器無關(guān)，與程序的執(zhí)行時間無關(guān)。4.核心程序法

把應(yīng)用程序中用得最頻繁的那部分核心程序作為評價計算機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)程序。稱為基準(zhǔn)程序(benchmark)整數(shù)測試程序：Dhrystone用C語言編寫，100條語句。包括：各種賦值語句，各種數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)區(qū)，各種控制語句，過程調(diào)用和參數(shù)傳送，整數(shù)運(yùn)算和邏輯操作。VAX-11/780的測試結(jié)果為每秒1757個Dhrystones，即：1VAXMIPS＝1757Dhrystones/Second浮點測試程序：Linpack用FORTRAN語言編寫，主要是浮點加法和浮點乘法操作。用MFLOPS（MillionFloatingPointOperationsPerSecond）表示；GFLOPS、TFLOPSWhetstone基準(zhǔn)測試程序用FORTRAN語言編寫的綜合性測試程序，測試結(jié)果用Kwips表示。主要包括：浮點運(yùn)算、整數(shù)算術(shù)運(yùn)算、功能調(diào)用、數(shù)組變址、條件轉(zhuǎn)移、超越函數(shù)。SPEC基準(zhǔn)測試程序(SystemperformanceevaluationCooperative)

由30個左右世界知名計算機(jī)大廠商所支持的非盈利的合作組織，包括：IBM、AT&T、BULL、Compaq、CDC、DG、DEC、Fujitsu、HP、Intel、MIPS、Motolola、SGI、SUN、Unisys等；

SPEC能夠全面反映機(jī)器的性能，具有很高的參考價值；以AX-11/780的測試結(jié)果作為基數(shù)；SPEC1.01989年10月宣布，程序量超過15萬行，包含10個測試程序，4個定點程序，6個浮點程序；測試結(jié)果用SPECint’89和SPECfp’89表示。1992年，又增加10個測試程序，共有6個定點程序和14個浮點程序，測試結(jié)果用SPECint’92和SPECfp’92表示。1995年，推出SPECint’95和SPECfp’95TPC基準(zhǔn)程序TransactionProcessingCouncil（事務(wù)處理委員會）成立于1988年，已有40多個成員；用于評測計算機(jī)的事務(wù)處理、數(shù)據(jù)庫處理、企業(yè)管理與決策支持等方面的性能。1989年10月、1990年8月和1992年7月發(fā)表了TPC-A、TPC-B和TPC-C。5、峰值速度峰值指令速度MIPS、GIPS、TIPSPentiumIII500有3條指令流水線，則其峰值指令速度為：

3×500MHz＝1500(MIPS)

即每秒15億次例3：一個由8臺機(jī)器組成的Cluster系統(tǒng)，每臺機(jī)器是4個PentiumIII500組成的SMP系統(tǒng)；計算這個Cluster系統(tǒng)的指令峰值速度。解：峰值指令速度：500MHz×８×４×３＝48(GIPS)即每秒480億次。峰值指令速度MIPS、GIPS、TIPS1.3.2其他方面的性能

1.存儲能力存儲容量，速度，編址單位，編址方式，尋址方式存儲系統(tǒng)：LookaheadCacheMainMemoryOnlineStorageOff-lineStorage2.字長1～幾百位關(guān)鍵問題：程序與數(shù)據(jù)共用同一個主存儲器早期：由指令字長決定當(dāng)前：由數(shù)據(jù)字長決定，8的倍數(shù)，如：32位、64位等可變字長：任意組合3.數(shù)據(jù)類型目前常用：定點、浮點、邏輯已有類型：向量、串、棧、樹發(fā)展方向：自定義4.指令系統(tǒng)CISC：復(fù)雜指令集計算機(jī)RISC：精簡指令集計算機(jī)VLIW：超長指令字5.輸入輸出能力輸入輸出方式中斷系統(tǒng)輸入輸出接口6.兼容性共分12級：0～11，0級為完全不兼容，11級為自身7.保護(hù)和診斷能力程序與數(shù)據(jù)的保護(hù)診斷能力：檢錯、糾錯、冗余、自診斷能力可靠性：RAS技術(shù)，可靠性R、可用性A、可維護(hù)性1.3.3成本1.價格與性能的關(guān)系根據(jù)摩爾定理：性能每10年提高100倍，但價格基本不變用同樣的價格，5年之后能買到性能高10倍的機(jī)器2.硬件與軟件的價格比例硬件的比例下降，軟件的比例上升，目前軟件價格已超過硬件價格第四節(jié)計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1.4.1馮·諾依曼（VanNenmann）結(jié)構(gòu)基本思想于1936年～1946年期間形成由馮·諾依曼等人于1946年提出1.特點：存儲程序運(yùn)算器為中心集中控制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。由指令形式的低級機(jī)器語言驅(qū)動。由指令形式的低級語言驅(qū)動。

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)。運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都途徑運(yùn)算器。運(yùn)算器、存儲器、輸入輸出設(shè)備的操作以及它們之間