第1章 计算机体系结构基础

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1、第1章计算机系统结构的基本概念张云春云南大学软件学院yunchunzhang@hotmail.com(Source:张晨曦《计算机体系结构》)11.1引言1.2计算机系统结构的概念1.3定量分析技术1.4计算机系统结构的发展1.5计算机系统结构中并行性的发展2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计算机制造技术的发展计算机系统结构的创新经历了4个发展过程31.1引言时间原因每年的性能增长1946年起的25年两种因素都起着主要的作用25%20世纪70年代末－80年代初大规模集成电路和微处理器出现,以集成电路为代表的制造技术的发展约35%2

2、0世纪80年代中开始RISC结构的出现，系统结构不断更新和变革，制造技术不断发展50%以上维持了约16年2002年以来功耗问题（已经很大）;可以进一步有效开发的指令级并行性已经很少;存储器访问速度的提高缓慢约20%41.1引言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。计算机系统结构在计算机的发展中有着极其重要的作用。51.1引言计算机系统＝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。每一层以一种语言为特

3、征61.2计算机系统结构的概念1.2.1计算机系统的层次结构软件硬件或固件微指令由硬件直接执行由微指令程序解释机器指令一般用机器语言程序解释作业控制语句汇编语言程序经汇编程序翻译成机器语言程序高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言（或是某种中间语言程序，或是机器语言程序）应用语言程序经应用程序包翻译成高级语言程序71.2计算机系统结构的概念虚拟机：由软件实现的机器语言实现的两种基本技术翻译：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。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

4、条N+1级的指令，依此重复进行。区别：是否生成目标代码。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。81.2计算机系统结构的概念计算机系统结构的经典定义程序员的角度所看到的计算机系统的属性，即概念性结构与功能特性。（C.M.Amdahl,1964）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为透明性。91.2.2计算机系统结构的定义艺术和结构有何不同？101.2计算机系统结构的概念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

5、）对于通用寄存器型机器来说，这些属性主要是指：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。数据表示硬件能直接识别和处理的数据类型。寻址规则包括最小寻址单元、寻址方式及其表示。111.2计算机系统结构的概念寄存器定义（包括各种寄存器的定义、数量和使用方式）中断系统（中断的类型和中断响应硬件的功能等）机器工作状态的定义和切换（如管态和目态等）存储系统（主存容量、程序员可用的最大存储容量等）信息保护（包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持）I/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121.2计算

6、机系统结构的概念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131.2.3计算机组成和计算机实现计算机系统结构：计算机系统的软、硬件的界面即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。1.2计算机系统结构的概念计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现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。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包括处理机、主存等部件的物理结构，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

7、，电源、冷却及整机装配技术等。着眼于：器件技术（起主导作用）、微组装技术。141.2计算机系统结构的概念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。151.2计算机系统结构的概念常见的计算机系统结构分类法有两种：冯氏分类法用系统的最大并行度对计算机进行分类。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（n位），