计算机系统结构概论

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1、计算机系统结构主讲教师：高丽婷gaoliting@163.com13933777500数字逻辑计算机组成原理计算机体系结构通信与接口计算机网络操作系统高级语言程序设计数据结构数据库原理及应用软件工程第一章计算机体系结构的基本概念计算机的分代第一代：以电子管为主要逻辑器件（1945-1954）第二代：以晶体管为主要逻辑器件（1955-1964）第三代：以中、小规模集成电路为主要逻辑器件（1965-1974）第四代：大规模集成电路，VLSI工艺，高速器件（1975-）计算机换代标志：器件系统结构计算机系统结

2、构的变化单CPU、程序计数器、累加器、定点运算、采用机器语言或汇编语言变址寄存器、浮点运算、多路存储器、I/O处理机、高级语言、监控程序流水线、高速缓存、先行处理机、采用微程序控制、多道程序、分时操作系统共享存储器、分布存储器、并行处理、多处理操作系统、专用语言等大规模并行处理、采用可扩展的容许时延的系统结构1.1计算机系统的多级层次结构计算机系统是＝软件＋硬件/固件复杂性当考察它时，通常需要选择某种合适的角度；同一台计算机在不同人眼里可以是不一样的。例如：系统设计者和高级语言使用者。考查计算机通常从计

3、算机语言的使用者角度进行一般：一个计算机系统所支持的计算机语言由低级到高级有多个层面，高一级语言的语句相对于低级语言功能更强，更便于应用，但又都以低级语言为基础。因此: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：计算机系统层次结构计算机系统人应用语言级为人民服务级高级语言级读书、学习级汇编语言级语言、思维级操作系统级生理功能级传统机器级人体器官级微程序机器级细胞组织级电子线路级分子级计算机体系结构计算机体系结构的定义：分经典和广义两种经典定义（Amdahl于1964年提出）：程序员所

4、看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。由于：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。因此：同一个计算机系统在不同层面上有不同的体系结构。但一般：Amdahl提出的体系结构——传统机器级的体系结构，即一般所说的机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。体系结构概念包含内容：对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指：(1)数据表示(硬件能直接辩认和处理的数据类型)(2)寻址规则(包括最小寻址单元、寻址方式及其表示)(3)寄存器定义(包括各种寄存器的定义、数量和使用方式

5、)(4)指令集(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)(5)中断系统(中断的类型和中断响应硬件的功能等)(6)机器工作状态的定义和切换(如管态和目态等)(7)存储系统(主存容量、程序员可用的最大存储容量等)(8)信息保护(包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持)(9)I/O结构(包括I/O联结方式、处理机/存储器与I/O设备间数据传送的方式和格式以及I/O操作的状态等)经典计算机体系结构概念的实质：计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。1

6、.2计算机系统结构、组成和实现技术计算机组成：计算机体系结构的逻辑实现。计算机实现：计算机组成的物理实现。计算机组成包括的内容可以有：处理机、主存等部件的逻辑结构，机器级内数据流和控制流的组成、各部件的功能以及之间的联系等。计算机实现包括的内容可以有：处理机、主存等部件的物理结构，包括器件的集成度和速度的确定，器件、模块、插件、底板的划分与连接，组装装配技术及信号连接、电源、冷却方法等。体系结构与组成、实现之间的关系为：体系结构是组成的抽象，组成是实现的抽象一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种

7、物理实现。广义的计算机体系结构概念包括体系结构的外部特性和内部特性：计算机体系结构外部特性---计算机体系结构的经典定义计算机体系结构内部特性---计算机组成与实现中一些比较抽象的内容广义体系结构概念：体系结构经典定义+计算机组成和实现中的部分比较抽象的概念。计算机系统的性能评价最常用的评价尺度是以时间为基础的：◆响应时间：从事件开始到结束之间的时间，也称为执行时间(计算机完成某一任务所花费的全部时间)◆流量：在单位时间内所能完成的工作量。相同点：以时间为基础不同点：响应时间针对单任务，而流量针对多任务

8、1.3计算机系统的软硬取舍及性能评测CPU的性能1.将程序执行的时间进行分解(1)计算机工作的时钟频率计算机系统中与实现技术和工艺有关的因素。单位是MHz或GHz。(2)总时钟周期数CPU时间=CPIIC时钟周期IC：程序执行过程中所处理的指令数，受计算机指令集结构和编译技术影响。CPI：平均每条指令的时钟周期数，受计算机指令集结构和计算机组成影响。对许多CPU来说，不同的指令运行时所用的周期数是不同的，如果我们假设：计算机系统有n种指