计算机系统结构(第三版)张晨曦课件

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1、第一台通用电子计算机诞生于1946年计算机技术的飞速发展得益于两个方面Ø计算机制造技术的发展Ø计算机系统结构的创新经历了4个发展过程1.1引言Ø功耗问题（已经很大）。Ø可以进一步有效开发的指令级并行性已经很少。Ø存储器访问速度的提高缓慢。计算机系统＝硬件/固件＋软件计算机语言从低级向高级发展高一级语言的语句相对于低一级语言来说功能更强，更便于应用，但又都以低级语言为基础。从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构。Ø每一层以一种语言为特征1.2计算机系统结构的概念Ø虚拟机：由软件实现的机器Ø语言实现的两

2、种基本技术q翻译：先把N+1级程序全部转换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。q解释：每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行。解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的存储空间较少。计算机系统结构的经典定义程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。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。透明性在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称

3、为透明性。Amdahl提出的系统结构传统机器语言级程序员所看到的计算机属性。广义的系统结构定义：指令集结构、组成、硬件（计算机设计的3个方面）对于通用寄存器型机器来说，这些属性主要是指：Ø指令系统包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构等。Ø数据表示硬件能直接识别和处理的数据类型。Ø寻址规则包括最小寻址单元、寻址方式及其表示。Ø寄存器定义（包括各种寄存器的定义、数量和使用方式）Ø中断系统（中断的类型和中断响应硬件的功能等）Ø机器工作状态的定义和切换（如管态和目态等）Ø存储系统（主存容量、程序员可用的最大存

4、储容量等）Ø信息保护（包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持）ØI/O结构包括I/O连结方式、处理机/存储器与I/O设备之间数据传送的方式和格式以及I/O操作的状态等计算机系统结构概念的实质：确定计算机系统中软、硬件的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现Ø包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。Ø着眼于：物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的联系。计算机实现：计算机组成的物理实现Ø包括处理机、主存等部件的物理结

5、构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。Ø着眼于：器件技术（起主导作用）、微组装技术。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种物理实现。系列机由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。例如，IBM公司的IBM370系列，Intel公司的x86系列等。冯氏分类法Ø用系统的最大并行度对计算机进行分类。Ø最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。用平面直角坐标系中的一个点代表一个计算机系统，其横坐标表示字宽（

6、n位），纵坐标表示一次能同时处理的字数（m字）。m×n就表示了其最大并行度。Flynn分类法Ø按照指令流和数据流的多倍性进行分类。Ø指令流：计算机执行的指令序列。Ø数据流：由指令流调用的数据序列。Ø多倍性：在系统受限的部件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大数目。ØFlynn分类法把计算机系统的结构分为4类：q单指令流单数据流(SISD)q单指令流多数据流(SIMD)q多指令流单数据流(MISD)q多指令流多数据流(MIMD)Ø4类计算机的基本结构IS：指令流，DS：数据流，CS：控制流，CU：控制部件，PU：

7、处理部件，MM和SM：存储器。4个定量原理：以经常性事件为重点Ø对经常发生的情况采用优化方法的原则进行选择，以得到更多的总体上的改进。Ø优化是指分配更多的资源、达到更高的性能或者分配更多的电能等。1.3定量分析技术Amdahl定律加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。系统性能加速比：Ø加速比依赖于两个因素q可改进比例：在改进前的系统中，可改进部分的执行时间在总的执行时间中所占的比例。它总是小于等于1。例如：一个需运行60秒的程序中有20秒的运算可以加速，那么这个

8、比例就是20/60。q部件加速比：可改进部分改进以后性能提高的倍数。它是改进前所需的执行时间与改进后执行时间的比。一般情况下部件加速比是大于1的。例如：若系统改进后，可改进部分的执行时间是2秒，而改进前其执行时间为5秒，则部件加速比为5/2。Ø改进后程序的总执行时间系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比例1.1将计算机系统中某一功能的处理速度