高等計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高等計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程介紹

ComputerArchitecture

''建筑學”、“建筑物的設計或式

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系統(tǒng)

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

序所必須了解到的計算機的屬性。

軟硬件功能分配及分界面的確定

學習目的

建立計算機系統(tǒng)的完整概念

學習計算機系統(tǒng)的分析方法和設計方法

掌握新型計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及其工

作原理

與其他課程的交叉

主要包括：計算機組成原理、計算機操

作系統(tǒng)、匯編語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、微機原

理、高級語言等。

新內(nèi)容：超標量處理機、超流水線處理

機、向量處理機、并行處理機、多處理

機等。

交叉點內(nèi)容：提高，建立完整概念

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第一章基本概念第五章標量處理機

第二章指令系統(tǒng)第六章向量處理機

第三章存儲系統(tǒng)第九章多處理機

第四章輸入輸出系統(tǒng)

第一章基本概念

第一節(jié)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第二節(jié)計算機系統(tǒng)設計技術(shù)

第三節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評價標準

1.1計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1.1計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

L層次結(jié)構(gòu)的劃分

當前，應用語言機器級、高級語言機器級、匯編語言機器級和操

作系統(tǒng)機器級都是以軟件為主實現(xiàn)的，但也可根據(jù)計算機性能/價格的

不同要求增加硬件支持。以軟件為主實現(xiàn)的機器稱為虛擬機器。

2.透明性

計算機系統(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器屬性。

3.各機器級的實現(xiàn)技術(shù)

低層機器級為高層機器級的功能實現(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器級上的車功能需翻譯成

低層機器級上的等效程序，然后在低層機器級上實現(xiàn)程序功能。解釋使

用底層機器級的一些語句或指令來仿真高層機器級上的一條語句或指令

的功能，高層機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

LL2計算機組成與實現(xiàn)

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這個詞是Amdahl等人在1964年提出的。他們

把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義為由程序設計者所看到的一個計算機系統(tǒng)的屬性，即概

念性結(jié)構(gòu)和功能特性。這實際上是計算機系統(tǒng)的外特性。這一概念至今

有各種各樣的理解，很難有一個通用的定義。

LL3計算機組成與實現(xiàn)

L計算機體系結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義是指計算機系統(tǒng)多級層次結(jié)構(gòu)中機器

語言機器級的結(jié)構(gòu)，它是軟件和硬件/固件的主要交界面，是由機器語

言程序、匯編語言源程序和高級語言遠程需翻譯生成的機器語言目標程

序能在機器上正確運行所應具有的界面結(jié)構(gòu)和功能。

2.計算機組成與實現(xiàn)

計算機組成是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，它主要研究硬件系統(tǒng)在

邏輯上是如何組織的，機器級內(nèi)部數(shù)據(jù)流和控制流的組成與邏輯設計。

計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)，主要著眼于器件技術(shù)和微組裝

技術(shù)。

LL4計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類

Lflynn分類法

Flynn分類法按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性把計算機系統(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。

2.馮式分類法

字串位串WSBS、字并位串WPBS、字串位并WSBP、字并

位并WPBP

3.Handler分類法

程序控制部件、算術(shù)邏輯部件、基本邏輯線路

1.2計算機系統(tǒng)設計技術(shù)

1.2.1計算機系統(tǒng)設計的定量原理

1.CPU性能

CPU時間=(IC*CPI)/時鐘頻率

2.Amdahl定律

Amdahl定律用加速比來衡量系統(tǒng)采用的改進措施對系統(tǒng)性能提

高的程度，加速比的定義為：

Sn=To/Tn

其中，T。為改進前所需的執(zhí)行時間；Tn為改進后所需的執(zhí)行時間。

1.2.2計算機系統(tǒng)設計者的主要任務

1,確定用戶對計算機系統(tǒng)的功能、價格和性能的要求

2,軟硬件的平衡

3,設計出符合今后發(fā)展方向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2-3計算機系統(tǒng)設計者的主要任務

1「由下往上”設計

2J由上往下”設計

3「由中間開始“設計

1.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評價標準

L3.1性能評測的常用方法：運算速度

1,時鐘頻率(主頻)：用于同類處理機之間

如：PentiumII/450比Pentium11/300快50%,...

2.指令執(zhí)行速度一種很經(jīng)典的表示方法

MIPS(MillionInstructionsPerSecond),KIPS,GIPS,TIPS

疥令條數(shù)二Fz“ex屋

MIPS=

執(zhí)行時間xlO6CPI

其中，F(xiàn)z為處理機的工作主頻；CPI(CyclesPerInstruction)

為每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)；IPC(InstructionPer

Cycle)為每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)

例1：

計算PentiumII450處理機的運算速度。

解：由于PentiumH450處理機的IPC=2(或CPI=0.5),

Fz=450MHz,因此，

MIPSPentiumll450=FzXIPC=450X2=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)有相當多的非功能性指令

3.等效指令速度:吉普森(Gibson)法

等效指令執(zhí)行瓦間T=Z(%x7；)

7=1

等效指令速度MOS=1/￡

7=1MIPS1

等效CPI=￡(CPLxW)

其中,7=1

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。通

常:力口、減法50%,乘法加%,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:

等效指令速度MIPST/（呼+里一）=0.02MIPS

0.50.5/100……

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。

4.核心程序法

把應用程序中用得最頻繁的那部分核心程序作為評價計算機性能的標準程

序。稱為基準程序(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：Unpack

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>

TFLOPS

Whetstone基準測試程序

用FORTRAN語言編寫的綜合性測試程序，測試結(jié)果用Kwips表示。

SPEC基準測試程序(SystemperformanceevaluationCooperative)

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：3X500MHz=1500(MIPS)即每秒15億次

例3：

一個由8臺機器組成的Cluster系統(tǒng)，每臺機器是4個Pentiumlll500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、TIPS

132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

2.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：復雜指令集計算機

RISC：精簡指令集計算機

VLIW：超長指令字

5,輸入輸出能力

輸入輸出方式

中