第1章 计算机系统结构的基本概念

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1、高等计算机系统结构ComputerArchitecture课程教学目的“计算机系统结构”是计算机科学领域中的一个重要分支。它强调从总体结构、系统分析这一角度来研究计算机系统。通过本书的学习，读者能把在“计算机组成原理”、“数据结构”、“操作系统”、“汇编语言程序设计”等课程中所学的软件与硬件知识有机地结合起来，从而建立有关计算机系统的完整概念。——教材前言教材张晨曦等.高等教育出版社，2008.6计算机系统结构JohnL.Hennessy,DavidA.Patterson.中文版：计算机系统结构－－量化研究方法（第三版）郑纬民汤志忠汪东升译，电子工业出版社英文版：Com

2、puterArchitecture:AQuantitativeApproach,ThirdEdition机械工业出版社郑纬民汤志忠.清华大学出版社,1998.9计算机系统结构（第二版）网站张晨曦的精品课程网站http://sse.tongji.edu.cn/arch/http://www.GotoSchool.netCS252HomePagehttp://www-inst.eecs.berkeley.edu/~cs252/北大微处理器研发中心http://jbsim.cs.pku.edu.cn/WWWComputerArchitecturePagehttp://www.

3、cs.wisc.edu/~arch/www/第1章计算机系统结构的基本概念计算机系统结构的概念和发展定量分析和性能评测计算机系统结构的并行性1.1引言计算机技术的高速发展得益于：制造技术和设计创新基于微处理器的系统在整个计算机设计领域占统治地位工作站和个人计算机已经成为计算机工业的主要产品小型机被用微处理器构建的服务器所取代大型机也几乎已经被通用微处理器构成的多处理器代替系统结构的重大转折：从单纯依靠指令级并行转向开发线程级并行和数据级并行1.2.1计算机系统的层次结构用户级高级语言级汇编语言级系统软件级机器级控制级数字逻辑级应用软件系统软件软硬件界面物理机虚拟机硬件固

4、件硬件直接执行Level0(门电路、电子线路)Level1(微程序或硬布线)Level2(指令集结构ISA)Level3(操作系统、库代码)Level4(汇编语言代码)Level5(C++，Java，等)Level6(可执行程序)虚拟虚拟（virtual）：利用其他部件实现的本来不存在的事物或属性例如，虚拟机（VM）：由软件实现的机器再如，虚拟主存、虚拟磁盘、虚拟现实……从不同角度所看到的计算机系统的属性不同广义语言虚拟计算机VM解释或编译作用对象观察者1.2.2计算机系统结构的定义Amdahl（阿姆达尔）于1964年在推出IBM360系列计算机时提出了系统结构的概念：

5、程序员所看到的计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性Thestructureofacomputerthatamachinelanguageprogrammermustunderstandtowriteacorrect(timingindependent)programforthatmachine[Amdahl,BlaauwandBrookes,1964]透明透明（transparent）：本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在例如，浮点数表示、乘法指令：对高级语言程序员、应用程序员是透明的，对汇编语言程序员、机器语言程序员则是不透明的再如，数据总线宽度、微程序：

6、对汇编语言程序员、机器语言程序员是透明的，对硬件设计者、计算机维修人员则是不透明的软硬件界面assemblercomplierOperatingSystemlibraryISAS/WH/WApplicationH/W：Hardware硬件S/W：Software软件ISA：InstructionSetArchitecture指令集结构1.2.3计算机组成和计算机实现计算机系统结构(Computerarchitecture）计算机系统的软件与硬件的界面－－指令系统程序员所看到的计算机属性－－外特性计算机组成(Computerorganization）＝组织计算机系统结构的

7、逻辑实现计算机实现(Computerimplementation）计算机组成的物理实现计算机系统的结构，组成，实现是三个完全不同的概念，相互间有着十分密切的依赖关系和相互的影响。广义的计算机系统结构即包括经典的指令集结构，也包括计算机组成和实现技术的研究结构、组成和实现一种系统结构可以有多种组成一种组成可以有多种物理实现是否设置乘方/开方指令逻辑设计1(硬联电路)实现方案1(V1,$1,T1)逻辑设计3(微程序)逻辑设计2(ROM查表)实现方案2(V2,$2,T2)实现方案3(V3,$3,T3)计算机系统结构计算机组成计算机实现是否1.2