1、第 1 章 计算机系统结构的基本概念 1.1 计算机系统结构简介计算机系统结构简介第 1 章 计算机系统结构的基本概念 计算机性能计算机性能1.提高处理机运算速度：提高处理机运算速度：MIPSFz IPC 其中:Fz为处理机的工作主频 IPC(Instruction Per Cycle)为 每个时钟周期平均执行的指令条数。每个时钟周期平均执行的指令条数。提高提高IPC：依靠先进系统结构：依靠先进系统结构 过去，几个或几十个周期完成一条指令过去，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。现在，一个周期完成几条指令。提高提高Fz：缩短门电路延迟，依靠技术进步缩短门电路延迟，依靠技术
2、进步 流水线技术等，依靠先进系统结构流水线技术等，依靠先进系统结构 从指令串行执行，到从指令串行执行，到P4的的20级流水线。级流水线。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 350 300 250 200 150 100 50 0 1985 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 DEC Alpha SUN4 IBM Power1 MIPS R2000 DEC Alpha MIPS R3000 HP 900 IBM Power2 DEC Alpha 每每年年 1.58 倍倍 每每年年 1.35 倍倍 SPECint 速速度度
3、指指标标 依依 靠靠 技技 术术 进进 步步 性性 能能 每每 年年提提高高 35%先先 进进 系系 统统 结结 构构 对对 性性 能能 的的贡贡献献是是技技术术进进步步的的 5 倍倍 第 1 章 计算机系统结构的基本概念 2.计算机性能提高的几个阶段计算机性能提高的几个阶段 20世纪世纪70年代末之前，大型机和小型机计算年代末之前，大型机和小型机计算机性能机性能每年提高每年提高25%30%。20世纪世纪80年代初，出现微处理机，依靠集年代初，出现微处理机，依靠集成电路技术，性能成电路技术，性能每年提高每年提高35%20世纪世纪80年中期，出现年中期，出现RISC技术、高级语技术、高级语言和操
4、作系统等，性能言和操作系统等，性能每年提高每年提高50%1995年，年，先进系统结构先进系统结构对微处理器性能的对微处理器性能的贡献是单纯技术进步的贡献是单纯技术进步的5倍。倍。3.近几年及将来，计算机性能按摩尔定理发展。近几年及将来，计算机性能按摩尔定理发展。4.计算机系统的设计者们要不断创新计算机系统的设计者们要不断创新。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 1 1、虚拟计算机、虚拟计算机定义：定义：从不同角度所看到的计算机系统的属性是从不同角度所看到的计算机系统的属性是不同的。不同的。虚拟计算机指通过软件模拟的具有完整硬件系虚拟计算机指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的，运行在一个完全
5、隔离环境中的完整统功能的，运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。计算机系统。主要观察角度包括：主要观察角度包括：应用程序员应用程序员 系统程序员系统程序员 硬件设计人员硬件设计人员对计算机系统的认识通常只需要在某一个层次上对计算机系统的认识通常只需要在某一个层次上第 1 章 计算机系统结构的基本概念 虚拟计算机系统虚拟计算机系统 广广义义语语言言 虚虚拟拟计计算算机机 解解释释或或编编译译 作作用用对对象象 观观察察者者 第 1 章 计算机系统结构的基本概念 2 2、计算机系统的计算机系统的层次结构层次结构 计算机系统可分为计算机系统可分为7 7个层次个层次 第第3 3级至第级至第6 6级
6、由级由软件实现软件实现,称称为为虚拟机。虚拟机。从学科领域来划分：从学科领域来划分：第第0 0级和第级和第1 1级属于级属于计算机组计算机组成原理；成原理；第第2 2级属于级属于计算机系统结构；计算机系统结构；第第3 3至第至第5 5级属于级属于系统软件；系统软件；第第6 6级属于级属于应用软件；应用软件；它们之间有交叉它们之间有交叉 例如：第3级必须依赖第4级和第5级来实现。第第 6 级：应用程序级：应用程序 第第 5 级：高级语言级：高级语言 第第 4 级：汇编语言级：汇编语言 第第 3 级：操作系统级：操作系统 第第 2 级：机器语言级：机器语言 第第 1 级：微程序级：微程序 第第 0
7、 级：硬联逻辑级：硬联逻辑 应用软件应用软件 系统软件系统软件 硬件硬件 软硬件分界软硬件分界 第 1 章 计算机系统结构的基本概念 指指令令系系统统 第第2 2 级级 机机器器语语言言 中中央央处处理理机机 目目标标程程序序 机机器器语语言言程程序序员员 指指令令时时序序 第第1 1 级级 微微程程序序控控制制 微微程程序序控控制制 寄寄存存器器逻逻辑辑 逻逻辑辑设设计计员员 操操作作时时序序 第第0 0 级级 硬硬联联逻逻辑辑 硬硬联联逻逻辑辑 逻逻辑辑线线路路 硬硬件件设设计计员员 第 1 章 计算机系统结构的基本概念 应应用用语语言言 第第 6 6 级级 应应用用程程序序 应应用用程程
8、序序 信信息息处处理理系系统统 用用 户户 高高级级语语言言 第第 5 5 级级 高高级级语语言言 解解释释程程序序 编编译译程程序序 可可执执行行程程序序 高高级级语语言言程程序序员员 汇汇编编语语言言 第第 4 4 级级 汇汇编编语语言言 汇汇编编程程序序 可可执执行行程程序序 汇汇编编语语言言程程序序员员 系系统统原原语语 键键盘盘命命令令 第第 3 3 级级 操操作作系系统统 操操作作系系统统 系系统统资资源源 系系统统操操作作员员 第 1 章 计算机系统结构的基本概念 虚拟机虚拟机：由软件实现的机器。由软件实现的机器。语言实现的两种基本技术语言实现的两种基本技术 翻译翻译：先把先把N
9、+1N+1级程序全部变换成级程序全部变换成N N级程序后，级程序后，再去执行新产生的再去执行新产生的N N级程序，在执行过程中级程序，在执行过程中 N+1N+1级程序不再被访问。级程序不再被访问。解释解释：每当一条每当一条N+1N+1级指令被译码后，就直接级指令被译码后，就直接 去执行一串等效的去执行一串等效的N N级指令，然后再去取下级指令，然后再去取下 一条一条N+1N+1级的指令，依此重复进行。级的指令，依此重复进行。解释执行比翻译花的时间多，但存储空间占用较少。解释执行比翻译花的时间多，但存储空间占用较少。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 3 3、透明性概念透明性概念 定义：定义：
10、本来存在的事物或属性，从某种角度看本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在。似乎不存在。例如：例如：CPUCPU类型、型号、主存储器容量等类型、型号、主存储器容量等 对对应用程序员应用程序员 透明透明 对对系统程序员、硬件设计人员系统程序员、硬件设计人员等等 不透明不透明 例如：浮点数表示、乘法指令例如：浮点数表示、乘法指令 对对高级语言程序员、应用程序员高级语言程序员、应用程序员 透明透明 对对汇编语言程序员、机器语言程序员汇编语言程序员、机器语言程序员 不透明不透明 例如：数据总线宽度、微程序例如：数据总线宽度、微程序 对对汇编语言程序员、机器语言程序员汇编语言程序员、机器语言程序员
11、透明透明 对对硬件设计人员、计算机维修人员硬件设计人员、计算机维修人员 不透明不透明深入体会第 1 章 计算机系统结构的基本概念 计算机系统结构的定义计算机系统结构的定义经典的经典的计算机系统结构定义一计算机系统结构定义一 C.M.Amdahl于于1964年在推出年在推出IBM360系列计算机时提出：系列计算机时提出：程序员程序员所所看到的看到的计算机系统的属性计算机系统的属性,即即概念性结构概念性结构和和功功能特性。能特性。通常，低级机器的属性对于高层机器程序员基本是透明的，计算机体系结构主要指机器语言级机计算机体系结构主要指机器语言级机器的系统结构。器的系统结构。按照计算机系统的多级层次结
12、构，不同级程序员所看到的计按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。算机具有不同的属性。在计算机技术中，对这种本来是存在的事在计算机技术中，对这种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看又好象不存在。物或属性，但从某种角度看又好象不存在。程序员程序员：系统程序员系统程序员（包括：汇编语言、机器语言、编（包括：汇编语言、机器语言、编译程序、操作系统）。译程序、操作系统）。看到的看到的：编写出能在机器上正确运行的程序所必须了解编写出能在机器上正确运行的程序所必须了解到到的。的。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 概念性结构概念性结构 IBM360系列计算机的概念性结构
13、系列计算机的概念性结构主存储器主存储器主存控制器主存控制器打印机打印机磁盘机磁盘机卡片机卡片机磁带机磁带机终终 端端第 1 章 计算机系统结构的基本概念 功能特性功能特性：指令系统及其执行模式指令系统及其执行模式 数据表示：数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型；硬件能够直接认别和处理的数据类型；寻址技术：寻址技术：编址方式、寻址方式和定位方式等；编址方式、寻址方式和定位方式等；寄存器组织：寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存 器及专用寄存器的定义、数量和使用规等；器及专用寄存器的定义、数量和使用规等；指令系统：指令系统：操作类型、格式，指令间的
14、排序控制等；操作类型、格式，指令间的排序控制等；中断系统：中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；中断类型、中断级别和中断响应方式等；存储系统：存储系统：寻址空间、虚拟存储器、寻址空间、虚拟存储器、CacheCache存储等；存储等；处理机工作状态：处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和目等；定义和切换方式，如管态和目等；输入输出系统：输入输出系统：数据交换方式、交换过程的控制等；数据交换方式、交换过程的控制等；信息保护：信息保护：信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 计算机系统结构定义二计算机系统结构定义二研
15、究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定 计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功能上是同等的。能上是同等的。同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。件实现。不同的组成只是性能和价格不同不同的组成只是性能和价格不同,他们的系统结他们的系统结构是相同的。构是相同的。系列计算机概念：系列计算机概念：相同系统结构相同系统结构,不同组成和实现的不同组成和实现的一系列计算机系统。一系列计算机系统。程序员程序员所所看到的看到的计算机系统的属性计算机系统的属性,即即概念性概念性结
16、构结构和和功能特性。功能特性。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 计算机组成技术计算机组成技术1.1.课程名称课程名称 Computer Organization 计算机组成，计算机组织，计算机原理，计算机组成原理计算机组成，计算机组织，计算机原理，计算机组成原理2.2.研究方法研究方法 从内部研究计算机系统从内部研究计算机系统 计算机组成是指计算机系统结构的计算机组成是指计算机系统结构的。3.3.主要研究内容主要研究内容确定数据通路的宽度；确定数据通路的宽度；确定各种操作对功能部件的共享程度；确定各种操作对功能部件的共享程度；确定专用的功能部件；确定专用的功能部件；确定功能部件的并行度；确
17、定功能部件的并行度；设计缓冲和排队策略；设计缓冲和排队策略；设计控制机构；设计控制机构；确定采用何种可靠性技术。确定采用何种可靠性技术。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 计算机实现技术计算机实现技术计算机实现是指计算机组成的物理实现计算机实现是指计算机组成的物理实现。主要包括：主要包括：处理机、主存储器等部件的物理结构；处理机、主存储器等部件的物理结构；器件的集成度和速度；器件的集成度和速度；专用器件的设计；专用器件的设计；器件、模块、插件、底版的划分与连接；器件、模块、插件、底版的划分与连接；信号传输技术；信号传输技术；电源、冷却及装配技术，制造工艺及技术等。电源、冷却及装配技术，制造工
18、艺及技术等。随着技术、器件和应用的发展，它们三者之间的随着技术、器件和应用的发展，它们三者之间的界限越来越模糊。界限越来越模糊。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 1.2 计算机系统的评价标准计算机系统的评价标准运算速度是表示处理机性能的主要指标运算速度是表示处理机性能的主要指标。有多种表示处理机运算速度的方法。有多种表示处理机运算速度的方法。哪一种表哪一种表示方法合理？示方法合理？1.1.时钟频率（处理机主频）时钟频率（处理机主频）只能用于同一公司、同一类型、同一配置的处理机 如：Pentium4 2.0G比比Pentium4 1.6G快快25%?Pentium4 2.4G比比Pentiu
19、m4 1.6G快快50%?只表示只表示CPU的指令处理能力。的指令处理能力。实际运算速度还与实际运算速度还与Cache、内存、内存、I/O、被执行、被执行程序等均有关。程序等均有关。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 2.2.指令执行速度指令执行速度一种经典的表示运算速度的方法一种经典的表示运算速度的方法 MIPS(Million Instructions Per Second),GIPS,TIPS(million,billion,trillion)其中:FzFz为处理机的工作主频 CPI(Cycles Per Instruction)为 每条指令所需的平均时钟周期数每条指令所需的平均时钟周
20、期数 IPC(Instruction Per Cycle)为 每个时钟周期平均执行的指令条数每个时钟周期平均执行的指令条数MIPS10FzCPIIPC Fz6指令条数执行时间第 1 章 计算机系统结构的基本概念 例例1：计算 Pentium IV 2GHz 处理机的指令执行速度 解：解：由于 PentiumIV 2GHz 处理机的 IPC4（或CPI0.25）,Fz2000MHz 因此，MIPSPentiumIV2GFzIPC20004 8000MIPS8GIPS 即每秒钟每秒钟80亿次亿次(平均每秒钟执行80亿条指令)主要优点：主要优点：直观、方便。直观、方便。目前还经常使用目前还经常使用
21、主要缺点主要缺点:(1)不同指令的执行速度差别很大；不同指令的执行速度差别很大；(2)指令使用频度差别很大；指令使用频度差别很大；(3)有相当多的非功能性指令；有相当多的非功能性指令；第 1 章 计算机系统结构的基本概念 3.3.等效指令速度：等效指令速度：吉普森（吉普森（Gibson）法：）法：加减法加减法5050，乘法，乘法1515，除法除法5 5，程序控制，程序控制1515，其他，其他1515 静态指令使用频度：在程序中直接统计静态指令使用频度：在程序中直接统计 动态指令使用频度：在程序执行过程中统计动态指令使用频度：在程序执行过程中统计niii1)Weight(TimeT等效指令执行时
22、间nii1MIPSWeight1MIPS等效指令速度）（等效niii1WeightCPICPI第 1 章 计算机系统结构的基本概念 例例2 2：我国早期研制的一种小型计算机：我国早期研制的一种小型计算机DJS-130DJS-130定点定点1616位，位，加法指令每秒加法指令每秒5050万次，但没有硬件乘除法指令。用软件万次，但没有硬件乘除法指令。用软件实现乘除法，速度低实现乘除法，速度低100100倍左右。求等效指令速度倍左右。求等效指令速度。解：解：等效指令速度为：等效指令速度为：MIPS0.02)100/0.50.200.50.80(1MIPS等效指令速度即每秒即每秒2 2万次，万次，由于
23、用软件实现乘除法，等效指令速度由于用软件实现乘除法，等效指令速度降低了降低了2525倍。倍。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 例例3 3：假设在一般程序中浮点开平方操作：假设在一般程序中浮点开平方操作FPSQRFPSQR所占的比所占的比例为例为2 2，它的，它的CPICPI为为100100；其他浮点操作；其他浮点操作FPFP所占的比例为所占的比例为2323，它的，它的CPICPI4.04.0；其余；其余7575指令的指令的CPICPI1.331.33，计算，计算该处理机的等效该处理机的等效CPICPI。如果。如果FPSQRFPSQR操作的操作的CPICPI也为也为4.04.0，重，重新计算
24、等效新计算等效CPICPI。解：解：等效等效CPICPI1 1100100 2 24 4 23231.331.33 75753.923.92等效等效CPICPI2 24 4 25251.331.33 75752.002.00 改进了在用户程序中仅占改进了在用户程序中仅占2 2的开的开平方操作，整个机器的等效运算速度平方操作，整个机器的等效运算速度提高了近一倍。提高了近一倍。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 4.4.指令执行速度的指令执行速度的 4 4 种平均方法种平均方法 算术平均：算术平均：调和平均调和平均(用速率来度量用速率来度量)：加权平均加权平均加权算术平均：加权算术平均：加权调和
25、平均：加权调和平均：niin1Time1niin1Rate1iniinWeightTime11niii1RateWeight1第 1 章 计算机系统结构的基本概念 几何平均：几何平均：其中：n 指不同的程序，ETR(execution time ratio)i是第i个程序相对于参考机器正交化后的执行时间 几何平均速度与所参考的机器无关，有如下几何平均速度与所参考的机器无关，有如下性质：性质：几何平均值的比率等于比率的几何平均值几何平均值的比率等于比率的几何平均值nniiETR 1的几何平均值的几何平均值的几何平均值iiiiYXYX第 1 章 计算机系统结构的基本概念 例例 4：两两个个程程序序
26、在在三三台台机机器器上上的的执执行行时时间间 机机器器 A 机机器器 B 机机器器 C 程程序序 P1（秒秒）1 10 20 程程序序 P2（秒秒）1000 100 20 运行程序运行程序P1时，时，A的速度是的速度是B的的10倍；倍；运行程序运行程序P2时，时，B的速度是的速度是A的的10倍；倍；运行程序运行程序P1时，时，A的速度是的速度是C的的20倍；倍；运行程序运行程序P2时，时，C的速度是的速度是A的的50倍；倍；运行程序运行程序P1时，时，B的速度是的速度是C的的2倍；倍；运行程序运行程序P2时，时，C的速度是的速度是B的的5倍。倍。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 算术平均：
27、算术平均：程序P1和P2各执行1次，B的速度是A的9.1倍；程序P1和P2各执行1次，C的速度是A的25倍；程序P1和P2各执行1次，C的速度是B的2.75倍。结论：结论：执行程序P1和P2相同次数，机器机器A最慢，机器最慢，机器C最快最快 算术平均速度：算术平均速度：三台机器的速度之比为：A：B：C=1：9.1：25第 1 章 计算机系统结构的基本概念 加权算术平均加权算术平均 加权算术平均加权算术平均W1三台机器的速度：三台机器的速度：A B C加权算加权算术平均术平均W2三台机器的速度：三台机器的速度：A C B加权算术平均加权算术平均W3三台机器的速度：三台机器的速度：C B Ds，C
28、h Cs，当当R很大时，经很大时，经常使用的基本功能适宜用硬件实现常使用的基本功能适宜用硬件实现 由于：Ds Cs，当当V很大时，生产台数很多很大时，生产台数很多时适宜用硬件实现时适宜用硬件实现（）：（）D hVC hD sVRC s第 1 章 计算机系统结构的基本概念 三、三、从改进性能考虑的软硬件取舍从改进性能考虑的软硬件取舍基本方法：加快经常性事件的执行速度。加快经常性事件的执行速度。Amdahl定律：系统中某一部件由于采用更系统中某一部件由于采用更快的执行方式后，整个系统性能的提高快的执行方式后，整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行与这种执行方式的使用频率或占总执行时间
29、的比例有关时间的比例有关。在Amdahl定律中，加速比与两个因素有关：时间改进后改进部分的执行时间改进前改进部分的执行改进部分的加速比：时间改进前整个任务的执行可改进部分的执行时间可改进部分的比例：SeFe第 1 章 计算机系统结构的基本概念 例如：系统改进后执行程序，其中可改进部分花费2秒时间，而改进前该部分需花费5秒，则性能提高为5/2。用“部件加速比部件加速比”表示性能提高比，一般情况下它是大于1的。系统加速比=改进前：改进后总执行时间第 1 章 计算机系统结构的基本概念 部件改进后 =不可以改进的总时间不可以改进的总时间 +可以改进部分改进后的执行时间可以改进部分改进后的执行时间即：改
30、进后的总执行时间改进后的总执行时间（1可改进比例）可改进比例）*改进前总执行时间改进前总执行时间 +(可改进比例可改进比例*改进前总执行时间改进前总执行时间)/部件加速比部件加速比改进前总执行时间改进前总执行时间*(1-可改进比例可改进比例)+可可改进比例改进比例/部件加速比部件加速比第 1 章 计算机系统结构的基本概念 系统加速比改进前总执行时间/改进后总执行时间1/(1-可改进比例)+可改进比例/部件加速比部件加速比P13第 1 章 计算机系统结构的基本概念 Amdahl定律的三个推论：定律的三个推论：A、Amdahl定律还表达了一种性能增加的递减规则：如果仅仅对计算机中的某一部分做性能改
31、进，如果仅仅对计算机中的某一部分做性能改进，则改进越多，系统获得的效果越小则改进越多，系统获得的效果越小；B、如果只针对整个任务的一部分进行优化，那么所获得的加速比不大于获得的加速比不大于1/(1-可改进比例可改进比例)；C、Amdahl定律告诉我们如何衡量一个“好”的计算机系统：第 1 章 计算机系统结构的基本概念 改进后整个任务的执行时间为：其中：0为改进前的整个任务的执行时间。改进后整个系统的加速比达到：改进后整个系统的加速比达到：其中：Fe表示可改进部分所占的百分比，(1-Fe)表示不可改进部分所占的百分比，Se表示改进后，可改进部分的加速比。TTFFSneee01()STTFFSnn
32、eee011()第 1 章 计算机系统结构的基本概念 例例5：某：某部件的处理时间仅为整个运行时间的 40%，如果将该部件的处理速度加快到10 倍，则采用加快措施后能使整个系统的 性能提高多少？解：解：由题意可知：Fe=0.4,Se=10，根据Amdahl定律，加速比为：Sn110 40 41010 64156(.).第 1 章 计算机系统结构的基本概念 四、四、改进性能的主要途径改进性能的主要途径 (1)面向目标代码改进面向目标代码改进 方法：方法：用一条指令代替一串指令 根据计算结果改进：例如，根据计算结果改进：例如，增加硬件乘法和硬件除法指令能够,使等效指令速度提高25倍，据统计数据改进
33、指令功能：据统计数据改进指令功能：如数据传送指令、快速保存与恢复现场指令等 增加运算型指令的功能：增加运算型指令的功能：如函数运算指令等第 1 章 计算机系统结构的基本概念(2)面向高级语言和编译程序改进面向高级语言和编译程序改进：方法：方法：增强对高级语言和编译程序支持的指令的功能 例如：在do循环中，循环体只有一二条的占60%左右，增加 循环控制指令。例如：条件码对高级语言几乎无用，在并行计算机中已经取消条件码。语语言言赋赋值值IFGOTOI/ODOCALL其其他他FORTRAN46.011.510.56.54.56.015.0COBOL49.619.119.18.460.170.173.
34、4第 1 章 计算机系统结构的基本概念(3)面向操作系统改进：面向操作系统改进：系统结构设计要规整，消除例外情况。寄存器定义要统一(如 A 寄存器等)操作要均匀(如 A-B 与 B-A)所有的存储部件都要对称 进程的管理和切换 存储管理和信息保护 进程的同步与互斥，信号灯管理 处理机工作状态和访问方式的转换 这类指令的使用频度往往很低，但必须设置这类指令的使用频度往往很低，但必须设置第 1 章 计算机系统结构的基本概念 软件兼容性设计方法软件兼容性设计方法 原因：原因：软件相对于硬件的成本越来越贵，已积累了大量成熟的系统软件和应用软件。1.兼容种类兼容种类 (1)向后兼容：向后兼容：在某一时间
35、生产的机器上运行的目标软件能够直接运行于更晚生产的机器上。(2)向前兼容：向前兼容：(3)向上兼容：向上兼容：在低档机器上运行的目标软件能够直接运行于高档机器上。(4)向下兼容：向下兼容：向后兼容必须做到，向后兼容必须做到，向上兼容尽量做到。向前兼容和向下兼容，可以不考虑。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 方法一：系列机方法方法一：系列机方法 系列机定义系列机定义:具有相同的系统结构，但组成和具有相同的系统结构，但组成和实现技术不同的一系列计算机系统实现技术不同的一系列计算机系统 实现方法：实现方法：在系统结构基本不变的基础上，在系统结构基本不变的基础上，根据不同的性能和不同的器件，研制出
36、多种性根据不同的性能和不同的器件，研制出多种性能和价格不同的计算机系统。能和价格不同的计算机系统。一种系统结构可以有多种组成，一种组成也一种系统结构可以有多种组成，一种组成也可以有多种物理实现可以有多种物理实现 如如IBM370系列机系列机:115,125,135,145,158,168等第 1 章 计算机系统结构的基本概念 相同的指令系统，采用顺序执行、重迭、流水和并行处理方式 相同的32位字长，数据通路宽度为8位、16位、32位、64位。如如PC系列机有：系列机有：不同主频不同主频：4.7MHz，500MHz，1GHz，2.4GHz,3GHz,不同扩展不同扩展：Pentium、Pentiu
37、m Pro、Pentium MMX、Pentium SSE、Pentium SSE2 不同不同Cache：Pentium、Celeron、Xeon 不同字长不同字长：8位、16位、32位、64位第 1 章 计算机系统结构的基本概念 采用系列机方法的主要优点：采用系列机方法的主要优点：(1)系列机之间软件兼容，可移植性好系列机之间软件兼容，可移植性好 (2)插件、接口等相互兼容插件、接口等相互兼容 (3)便于实现机间通信便于实现机间通信 (4)便于维修、培训便于维修、培训 (5)有利于提高产量、降低成本有利于提高产量、降低成本 采用系列机方法的主要缺点：采用系列机方法的主要缺点：限制了计算机系统
38、结构的发展限制了计算机系统结构的发展 如PC系列机，其系统结构非常落后，使用也最普及第 1 章 计算机系统结构的基本概念 方法二：模拟与仿真方法二：模拟与仿真 Simulation Emulation定义：定义：在一台现有的计算机上实现另一台计算机在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。的指令系统。全部用软件实现的叫模拟，模拟，用软件、硬件、固件混合实现的叫仿真仿真模拟的实现方法模拟的实现方法 在A计算机上通过解释或编译实现B计算机的指令系统。A机器称为宿主机宿主机，B机器称为虚拟机虚拟机。仿真的实现方法仿真的实现方法 直接用A机器的一段微程序解释执行B机器的指令。A机器称为宿主机宿主
39、机，B机称为目标机目标机。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 优缺点比较优缺点比较 模拟方法速度低，仿真方法速度高 仿真需要较多的硬件（包括控制存储器）系统结构差别大的机器难于用仿真方法实现 除了指令系统之外，还有存储系统、I/O系统、中断系统、控制台的操作等模拟方法用于计算机系统的设计过程模拟方法用于计算机系统的设计过程 在一台已有的机器上用模拟方法实现正在设计中的机器的指令系统等。具体过程如下：第 1 章 计算机系统结构的基本概念 方法三：统一高级语言方法三：统一高级语言 实现方法：实现方法：采用同一种不依赖于任何具体机器的高级语言编写系统软件和应用软件。困难：困难：至今还没有这样一种高
40、级语言，短期至今还没有这样一种高级语言，短期内很难实现内很难实现。C、Ada、Java、三种方法比较：三种方法比较：采用统一高级语言最好，是采用统一高级语言最好，是努力的目标努力的目标;系列机是暂时性方法，也是目前系列机是暂时性方法，也是目前最好的方法最好的方法 仿真的速度低，芯片设计的负担重，目前用于同一系列机内的兼容，1/101/2的芯片面积用于仿真第 1 章 计算机系统结构的基本概念 方法四：目标代码的并行编译技术方法四：目标代码的并行编译技术新的研究课题新的研究课题:一种机器的目标代码重新编译到另一种机器的目标代码重新编译到另一种机器的并行目标代码一种机器的并行目标代码 两种方法：两种
41、方法：(1)动态代码转换动态代码转换 例例1：IBM公司研制 DAISY(Dynamically Architected Instruction Set from Yorktown)处理处理机机 例例2：Transmeta公司研制Crusoe处理机处理机 已经大量应用于笔记本计算机，其功耗很低。(2)静态重编译静态重编译：正在研究过程中，难度很大：正在研究过程中，难度很大第 1 章 计算机系统结构的基本概念 动态代码转换技术动态代码转换技术采用动态二进制转换技术动态二进制转换技术实现与X86等处理机兼容，把X86等通用处理机的程序直接映射到VLIW处理机中执行。IBM公司推出了开放源代码DAI
42、SY，它不仅可以实现IBM的VLIW处理器与X86处理机之间的二进制兼容，还可以实现PowerPC、S/390、IBM的Java虚拟机与VLIW处理器之间的二进制兼容Transmeta公司推出了“Code Morphing Software”，这种软件可以保证Transmeta公司的VLIW处理机Crusoe能够与X86处理机之间实现二进制代码兼容第 1 章 计算机系统结构的基本概念 计算机系统设计过程计算机系统设计过程方法方法1：由上向下（：由上向下（Top-Down）设计过程：设计过程：由上向下 面向应用的数学模型 面向应用的高级语言 面向这种应用的操作系统 面向操作系统和高级语言的机器语
43、言 面向机器语言的微指令系统和硬件实现应用场合：应用场合：专用计算机的设计专用计算机的设计特点：特点：对于所面向的应用领域，性能和性能价格比很高。随着通用计算机价格降低，目前已经很少采用第 1 章 计算机系统结构的基本概念 方法方法2：由下向上（：由下向上（Bottom-Up)设计过程：设计过程：根据当时的器件水平，设计微程序机器级和传统机器级根据不同的应用领域设计多种操作系统、汇编语言、高级语言编译器等最后设计面向应用的用户级。应用场合：通用计算机的一种设计方法，应用场合：通用计算机的一种设计方法，在计算机早期设计中（6070年代）广为采用。特点：特点：容易使软件和硬件脱节，整个计算机系统的
44、效率降低。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 方法方法3：中间开始（：中间开始（Middle-Out)用于系列计算机的设计过程用于系列计算机的设计过程中中 应应用用虚虚拟拟机机 高高级级语语言言虚虚拟拟机机 汇汇编编语语言言虚虚拟拟机机 向向上上 操操作作系系统统虚虚拟拟机机 传传统统机机器器级级 微微程程序序级级 向向下下 硬硬联联逻逻辑辑级级 从从中中间间开开始始 第 1 章 计算机系统结构的基本概念 方法方法3：中间开始：中间开始（Middle-Out)设计过程：设计过程：首先定义软硬件的分界面首先定义软硬件的分界面(指令系统、存储系统、输入输出系统、中断系统、硬件对操作系统和编译系统
45、的支持等)然后各个层次分别进行设计然后各个层次分别进行设计(软件设计人员设计操作系统、高级语言、汇编语言、应用程序等，硬件设计人员设计传统机器、微程序、硬联逻辑等)应用场合应用场合：用于系列机的设计 特点：特点：软硬件人员结合、同时设计，软硬件功能分配合理。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 计算机系统的发展计算机系统的发展1 冯冯诺依曼结构诺依曼结构2 器件发展的影响器件发展的影响3 应用发展的影响应用发展的影响4 改进算法的影响改进算法的影响第 1 章 计算机系统结构的基本概念 冯冯诺依曼结构诺依曼结构 Van Nenmann基本思想于1936年1946年期间形成，由冯由冯诺依曼等人于诺
46、依曼等人于1946年提出年提出输入设备输出设备运算器ALU控制器存储器第 1 章 计算机系统结构的基本概念 1.特点特点:存储程序、运算器为中心、集中控制存储程序、运算器为中心、集中控制存储器是字长固定的、顺序线性编址的一维结构，每个地址是唯一定义的。4096个字、40位。由指令形式的低级机器语言驱动。指令顺序执行，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送都途经运算器。运算器、存储器、输入输出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集中控制。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 2.现代处理机对冯现代处理机对冯诺依曼结构的改
47、进诺依曼结构的改进 不变的：不变的：存储程序存储程序 改变的：改变的：存储器为中心存储器为中心,总线结构总线结构,分散控制分散控制从基于串行算法变为适应并行算法，出现了向量计算机，并行计算机、多处理机等。流水线处理机，超标量处理机，超流水线处理机，超标量超流水线处理机。数据库计算机和知识库计算机。专用计算机，如FFT变换机、过程控制计算机。为获得高可靠性而研制容错计算机。功能分散化、专业化，出现了各种分布计算机、外围处理机、通信处理机等。第 1 章 计算机系统结构的基本概念 存储器为中心、分散控制存储器为中心、分散控制 系统总线系统总线 IO 总线总线 中央处理机中央处理机（CPU）主存储器主
48、存储器（MM）输入设备输入设备输出输出设备输出输出设备输出设备输出设备第 1 章 计算机系统结构的基本概念 总线结构，分散控制总线结构，分散控制总线：总线：连接计算机各功能部件的连线和管理信息传输规连接计算机各功能部件的连线和管理信息传输规则的逻辑电路称为总线则的逻辑电路称为总线。特点：特点：在任何时刻，只能有一个部件向总线上发送信息，在任何时刻，只能有一个部件向总线上发送信息，可以有多个部件同时接收信息。可以有多个部件同时接收信息。组成：组成：数据总线、地址总线、控制总线。数据总线、地址总线、控制总线。单总线结构单总线结构第 1 章 计算机系统结构的基本概念 双总线结构双总线结构第 1 章
49、计算机系统结构的基本概念 三总线结构三总线结构第 1 章 计算机系统结构的基本概念 3.非冯计算机的发展非冯计算机的发展什么是非冯计算机？非指令驱动，什么是非冯计算机？非指令驱动，（1）从传统的指令驱动型改变为数据驱动型，出现了数据流机计算机。（2）从传统的指令驱动型改变为需求驱动型，出现各种图归约计算机。（3）处理非数值化信息的智能计算机，自然语言、声音、图形和图象处理,虚拟现实处理等（4）第五代计算机，由推理机和知识库机等组成。历经10年，召开过多次专题国际会议。神经网络计算机，仿生计算机，第 1 章 计算机系统结构的基本概念 2 器件发展的影响器件发展的影响1.第第1代至第代至第4代计算
50、机以器件来划分代计算机以器件来划分 第一代：第一代：电子管电子管(Valve)第二代：第二代：晶体管晶体管(Transistor)第三代：第三代：集成电路集成电路(LSI)第四代：第四代：大规模集成电路大规模集成电路(VLSI)第五代：智能计算机智能计算机？第五代计算机以什么作为标志来划分？第五代计算机以什么作为标志来划分？第五代计算机什么时候诞生第五代计算机什么时候诞生？第 1 章 计算机系统结构的基本概念 2.器件发展的特点器件发展的特点(1)集成度迅速提高集成度迅速提高 目前水平：每个芯片有1010个晶体管 单芯片内可以做大于1Gb存储器，单芯片内可以集成2个CPU全部Cache 每45
