计算机体系结构-完整讲义知识讲解.ppt

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1、30八月20211第1章计算机系统设计基础第2章数据表示与指令系统性能分析第3章流水技术和向量处理第4章阵列计算机第5章多处理机系统第6章数据流计算机30八月20212第1章计算机系统设计基础1.1计算机系统的基本概念1.2计算机系统的设计技术1.3计算机系统的性能评价1.4计算机系统结构的发展30八月202141.1计算机系统的基本概念机器：能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的执行体计算机语言：是用以描述控制流程的、有一定规则的字符集合语言不是专属软件范畴，可以介属于计算机系统的各个层次，具有不同作用从使用语言的角度上，将计算机系统看成按功能划分的多级层

2、次结构机器、汇编、高级、应用语言低级高级后者比前者功能更强、使用更方便；而前者是后者发展的基础，在单条指令的执行速度相比较，前者更快。1.1.1计算机系统的多级层次结构30八月20216计算机系统的多级层次结构图微程序/硬联直接由硬件执行解释部分解释（操作系统）翻译（汇编程序）翻译（编译程序）翻译（应用程序包）应用语言级L5虚拟机高级语言机器L4虚拟机汇编语言机器L3虚拟机应用软件固件系统软件传统机器级操作系统机器软硬件交界面L2虚拟机物理机器硬件软件30八月20217多级层次结构（机器—语言）M5:应用语言机器------应用语言（L5）M4:高级语言机器--

3、----高级语言（L4）M3:汇编语言机器------汇编语言（L3）M2:操作系统机器------作业控制语言（L2）M1:传统机器------------机器语言（L1）M0:微程序机器---------微程序语言（L0）30八月20218从设计人员看到的层次应用程序级用户高级语言级高级语言程序员汇编语言级汇编语言程序员操作系统级操作员机器语言级机器语言程序员微程序控制级逻辑程序员硬联逻辑级硬件设计员翻译(Translation)：先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成低一级机器级上可运行的等效程序（中间程序），然后再在低一级机器级上去实现的技术。例

4、：英语翻译计算机系统中的翻译功能常由应用程序包、编译程序、汇编程序等软件完成。解释（Interpretation）：在低一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高一级机器上的一条语句或指令的功能，通过对高一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术解释过程中不生成中间程序（节省了存储空间）或者：一条N+1级指令--〉一串N级指令例：解释一件事翻译和解释是语言实现的两种基本技术。解释比翻译费时，但节省存储空间翻译为整体行为，可以优化，效率高，与平台有关解释为局部行为，不优化，效率低，与平台无关翻译+解释：Java30八月202112控制流程的三种实现方法全

5、硬件、软硬件结合、全软件逻辑上等价，物理意义上不等价硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多发展趋势硬件实现的比例越来越高硬件所占的成本越来越低30八月202113计算机系统的软硬件成本变化成本年代软件硬件70年代从概念和功能上将计算机系统看成多级层次结构的优点：1.理解软件、硬件、固件的地位和作用2.理解各种语言的实质和实现途径3.探索虚拟机新的实现方法和新的系统设计由硬件固件实现——高级语言机器多处理机系统——由真正微处理机实现4.理解计算机体系结构的定义5.在一台真正的宿主机上通过模拟或仿真另一台不同

6、的假想机器——自虚拟技术30八月2021151.1.2系统结构、组成与实现定义与理解三者的相互关系30八月202116计算机系统结构的定义SystemArchitecture是对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下的功能进行分配1964年，IBM/360系列机的总设计工程师G.M.Amdahl、G.A.Blauw、F.P.Brooks等人提出。也称体系结构。是从程序员的角度所看到的系统的属性，是概念上的结构和功能上的行为它不同于数据流程和控制的组织，不同于逻辑设计以及物理实现方法30八月202117定义的理解从两个角度理解一是计算机系统

7、结构既然是“从程序员的角度所看到的系统的属性”，那么每一级“机器”都有一个系统结构，而且它们相互不同二是将计算机的系统结构定义在传统机器界面（M1）程序员所看到的计算机的基本属性30八月202118计算机系统结构的基本属性一般应包括以下几个方面指令系统、数据表示、操作数的寻址方式寄存器的构成定义、中断机构和例外条件存储体系和管理、I/O结构机器工作状态定义和切换、信息保护在所有系统结构的特性中，指令系统的外特性是最关键的30八月202119计算机组成ComputerOrganization研究硬件系统各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特

8、性，目标是用最合理地方式