1、第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論計算機系統結構計算機系統結構第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論一、課程目標一、課程目標1 1、計算機系統結構的研究、計算機系統結構的研究 掌握計算機系統結構基本概念、組成及相關設計原理；掌握計算機系統結構基本概念、組成及相關設計原理； 掌握計算機系統結構各組成部分的相關技術、分析及設計掌握計算機系統結構各組成部分的相關技術、分析及設計方法；方法； 了解計算機系統設計的基本方法。了解計算機系統設計的基本方法。2 2、計算機并行處理技術的研究、計算機并行處理技術的研究 流水線技術分析及設計；流水線技術分析及設計； 互連網絡技術研

2、究；互連網絡技術研究； 并行處理機技術研究；并行處理機技術研究； 多處理機技術研究。多處理機技術研究。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論二、課程主線二、課程主線 在掌握系統結構組成基礎上，研究各組成部分軟、硬件功在掌握系統結構組成基礎上，研究各組成部分軟、硬件功能分配，軟硬件界面的確定，及分配給軟、硬件的功能的實現。能分配，軟硬件界面的確定，及分配給軟、硬件的功能的實現。 熟悉并行處理機和多處理機所采用的技術。熟悉并行處理機和多處理機所采用的技術。三、參考教材三、參考教材1、 計算機系統結構計算機系統結構，李學干等，清華大學出版社，李學干等，清華大學出版社2、計算機系統結構計

3、算機系統結構，張晨曦等，高等教育出版社，張晨曦等，高等教育出版社3、計算機系統結構計算機系統結構，鄭緯民等，清華大學出版社，鄭緯民等，清華大學出版社4、計算機系統結構計算機系統結構，陸鑫達等，高等教育出版社，陸鑫達等，高等教育出版社第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論1.1 計算機系統的多級層次結構計算機系統的多級層次結構1.2 計算機系統結構、組成與實現計算機系統結構、組成與實現1.3 計算機系統的軟硬取舍、性能計算機系統的軟硬取舍、性能 評測及定量設計原理評測及定量設計原理1.4 軟件、應用、器件對系統結構的影響軟件、應用

4、、器件對系統結構的影響1.5 系統結構中的并行性發展和計算機系系統結構中的并行性發展和計算機系 統的分類統的分類第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論本章要點本章要點 計算機層次結構計算機層次結構 計算機系統結構、組成和實現三者的計算機系統結構、組成和實現三者的概念及聯系概念及聯系 持續性能的三種表示方法持續性能的三種表示方法 阿姆達爾阿姆達爾(Amdahl)(Amdahl)定律定律 Flynn(Flynn(弗林弗林) )分類法分類法 軟件可移植性的途徑、方法、使用場軟件可移植性的途徑、方法、使用場合、存在問題及對策合、存在問題及對策第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結

5、構概論1.0 1.0 概述概述1 1、計算機換代與系統結構、計算機換代與系統結構（1 1）計算機器件的發展）計算機器件的發展 速度、性能、可靠性、集成度等均大幅度提高，成本降低速度、性能、可靠性、集成度等均大幅度提高，成本降低成為換代標記。成為換代標記。（2 2）系統結構的改進）系統結構的改進 系統性能的提高，很多時候與系統結構密不可分，故系統系統性能的提高，很多時候與系統結構密不可分，故系統結構的發展也成為換代標記之一。結構的發展也成為換代標記之一。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論2 2、系統評價問題、系統評價問題 評價內容：評價內容： 性能、性能性能、性能/ /價格價格

6、 評價時間：評價時間： 設計過程中、設計完成后設計過程中、設計完成后 評價方法：評價方法： 分析、模擬和測量方法分析、模擬和測量方法 評價原則：評價原則： 定性原則、定量原則定性原則、定量原則 定性原則：定性原則：根據系統的設計方法、采用技術進行數學的分根據系統的設計方法、采用技術進行數學的分析、評價。析、評價。 定量原則：定量原則：通過測試程序及大量模擬數據進行分析、評價通過測試程序及大量模擬數據進行分析、評價 定量原則比定性原則精確，定性原則比定量原則更具有指定量原則比定性原則精確，定性原則比定量原則更具有指導性。導性。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論3 3、系統結構課

7、程主題、系統結構課程主題 從系統設計者角度，分析和評價系統性能從系統設計者角度，分析和評價系統性能/ /價格價格 掌握影響系統性能掌握影響系統性能/ /價格的關鍵價格的關鍵系統結構系統結構 在分析和評價的基礎上，進行系統結構的設計在分析和評價的基礎上，進行系統結構的設計 掌握系統結構的內容及影響性能的因素掌握系統結構的內容及影響性能的因素 系統結構基本內容的設計系統結構基本內容的設計 性能性能/ /價格優化價格優化系統結構性能改進及并行處理系統結構性能改進及并行處理 系統結構的分析、設計和優化是本課程的重點。系統結構的分析、設計和優化是本課程的重點。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統

8、結構概論應應 用用 語語 言言 級級M5高高 級級 語語 言言 級級M4匯匯 編編 語語 言言 級級M3操操 作作 系系 統統 級級M2傳傳 統統 機機 器器 級級M1微程序機器級微程序機器級M0 應用軟件應用軟件 系統軟件系統軟件 翻譯翻譯( (編譯程序編譯程序) ) 翻譯翻譯( (匯編匯編程序程序) ) 軟硬件界面軟硬件界面 物理機物理機 用微指令程序用微指令程序解解釋機器語言釋機器語言用機器語言解釋作用機器語言解釋作業控制語言業控制語言虛擬機虛擬機硬件硬件固件固件翻譯翻譯( (應用程序包應用程序包) )計算機系統的層次結構計算機系統的層次結構(從不同的層次看計算機系統）從不同的層次看計算

9、機系統）1.1 計算機系統的多級層次結構計算機系統的多級層次結構 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論(1)(1)固件：具有軟件功能的硬件。固件：具有軟件功能的硬件。(2)(2)翻譯：是先用轉換程序將高一級機器級上的程序整個地轉翻譯：是先用轉換程序將高一級機器級上的程序整個地轉換成低一級機器級上可運行的等效程序，然后再在低一級機器換成低一級機器級上可運行的等效程序，然后再在低一級機器級上去實現的技術。級上去實現的技術。(3)(3)解釋：是在低一級機器級上用它的一串語句或指令來仿真解釋：是在低一級機器級上用它的一串語句或指令來仿真高一級機器級上的一條語句或指令的功能，通過對高一級

10、機器高一級機器級上的一條語句或指令的功能，通過對高一級機器語言程序中的每條語句或指令逐條解釋來實現的技術。語言程序中的每條語句或指令逐條解釋來實現的技術。(4) (4) 分層的好處：分層的好處： A A、有利于明確計算機各部分的地位和作用；、有利于明確計算機各部分的地位和作用； B B、有利于采用系統的方法，研究系統的整體性能及最佳組合、有利于采用系統的方法，研究系統的整體性能及最佳組合 C C、有利于促進軟件移植、計算機系統性能評價、計算機設計、有利于促進軟件移植、計算機系統性能評價、計算機設計自動化技術的發展自動化技術的發展第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論1.2 計算機

11、系統結構、組成與實現計算機系統結構、組成與實現1.2.11.2.1計算機系統結構、組成、實現的定義和內涵計算機系統結構、組成、實現的定義和內涵1 1. .計算機系統結構計算機系統結構（1 1）定義）定義 概念性結構概念性結構 系統的軟、硬件功能界面系統的軟、硬件功能界面 功能特性功能特性 界面上的功能如何分配界面上的功能如何分配（2 2）含義）含義 系統結構實際上是研究計算機系統中軟、硬件之間的界系統結構實際上是研究計算機系統中軟、硬件之間的界面定義，以及其上下的功能分配。面定義，以及其上下的功能分配。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論透明性透明性 客觀存在的事物和屬性從某個

12、角度看不到的現客觀存在的事物和屬性從某個角度看不到的現象，被稱為是象，被稱為是“透明性透明性” 。 例如，高級程序員看不到各種不同類型機例如，高級程序員看不到各種不同類型機器的差異性就是一個明顯的例證。器的差異性就是一個明顯的例證。如編譯程序如編譯程序對用戶是透明的，對用戶是透明的，CacheCache對程序員是透明的。對程序員是透明的。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論 指令系統指令系統 數據表示數據表示 操作數的尋址方式操作數的尋址方式 寄存器的構成定義寄存器的構成定義 中斷機構和例外條件中斷機構和例外條件 存儲系統存儲系統 輸入輸出結構輸入輸出結構 機器工作狀態的定義和

13、切換機器工作狀態的定義和切換 信息保護信息保護 （3 3）計算機系統結構的屬性）計算機系統結構的屬性第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論2 2、 計算機組成：計算機組成：計算機系統結構的計算機系統結構的邏輯實現邏輯實現。 內容：內容：Y 數據通路的寬度數據通路的寬度 Y 專用部件的設置專用部件的設置 Y 各功能部件的共享程度各功能部件的共享程度Y 功能部件的并行度功能部件的并行度Y 控制機構的組成方式控制機構的組成方式 Y 緩沖和排隊技術緩沖和排隊技術 Y 可靠性技術的采用和方式的選擇可靠性技術的采用和方式的選擇 Y 預估、預判、優化處理預估、預判、優化處理 研究：實際器件技術

14、和微組裝技術研究：實際器件技術和微組裝技術（是數字電路等課程主要研究的內容）（是數字電路等課程主要研究的內容） （是（是組成原理組成原理課程主要研究的課程主要研究的內容）內容）第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論舉例：舉例：我們要制造飛機。首先要確定載客人數、我們要制造飛機。首先要確定載客人數、速度、高度等技術指標，這就屬于速度、高度等技術指標，這就屬于系統結構系統結構；然；然后根據技術指標研究、設計座艙怎么安排才可以后根據技術指標研究、設計座艙怎么安排才可以滿足載客數量，飛機外形怎么設計才符合空氣動滿足載客數量，飛機外形怎么設計才符合空氣動力學，供油、發動機、控制系統等等怎樣

15、設計、力學，供油、發動機、控制系統等等怎樣設計、組成，從而形成設計圖紙上的飛機，這屬于組成，從而形成設計圖紙上的飛機，這屬于組成組成；最后，經過論證確定設計沒有問題，把圖紙交付最后，經過論證確定設計沒有問題，把圖紙交付工廠，由工人開始生產，這就是工廠，由工人開始生產，這就是實現實現了。了。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論(1)(1)相同結構的計算機因速度不同可采用不同的組成。相同結構的計算機因速度不同可采用不同的組成。如指令可順利執行，也可重疊執行，乘法指令可由乘如指令可順利執行，也可重疊執行，乘法指令可由乘法器實現，也可由加法器法器實現，也可由加法器- -移位器實現。移位

16、器實現。（2 2）一種組成可有多種不同的實現）一種組成可有多種不同的實現如器件可用單片大規模集成電路，也可用多片小規模如器件可用單片大規模集成電路，也可用多片小規模集成電路。集成電路。1.2.2 1.2.2 系統結構、組成與實現的相互關系系統結構、組成與實現的相互關系第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論（3 3）結構不同，組成也不同）結構不同，組成也不同如例：如例：A A：=B+C=B+C D D：=E=E* *F F采用面向寄存器系統結構和采用面向主存三地址尋址方式結采用面向寄存器系統結構和采用面向主存三地址尋址方式結構在組成上就不一樣。構在組成上就不一樣。（4 4）計算機組

17、成也會影響系統結構，如微程序控制）計算機組成也會影響系統結構，如微程序控制 三者關系對系統結構設計的要求：三者關系對系統結構設計的要求： 系統結構設計不要對組成、實現技術的采用與發展系統結構設計不要對組成、實現技術的采用與發展有過多或不合理的限制；有過多或不合理的限制； 計算機組成與實現是可以折衷權衡的；計算機組成與實現是可以折衷權衡的； 三者的內容不同時期會有所變化。三者的內容不同時期會有所變化。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論一一.判斷正誤判斷正誤1.系統是否設置浮點運算指令，對計算機系統結構是透明的系統是否設置浮點運算指令，對計算機系統結構是透明的 （）（）2.存儲器

18、采用單體單字，還是多體交叉并行存取，對系統結存儲器采用單體單字，還是多體交叉并行存取，對系統結構設計是透明的。（）構設計是透明的。（）二、選擇二、選擇1.對計算機系統結構透明的是（）對計算機系統結構透明的是（）A.是否使用通道型是否使用通道型i/O處理機處理機 B虛擬存儲器虛擬存儲器.C字符型運算指令字符型運算指令. D VLSI技術技術2.計算機組成設計不考慮（）計算機組成設計不考慮（）A 緩沖技術緩沖技術 B功能部件的集成度功能部件的集成度 C專用部件設置專用部件設置 D主存用主存用MOS還是還是TTL第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論1.3 計算機系統的軟硬取舍、性能評

19、測計算機系統的軟硬取舍、性能評測及定量設計原理及定量設計原理圖圖 計算機系統的軟、計算機系統的軟、 硬件功能分配比例硬件功能分配比例 1.3.1 軟硬取舍的基本原則軟硬取舍的基本原則 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論1 1在現有硬件和器件的條件下，系統有較高的性價在現有硬件和器件的條件下，系統有較高的性價比。比。 2 2要考慮到準備采用和可能采用的組成技術，使它要考慮到準備采用和可能采用的組成技術，使它盡可能不要過多或不合理地限制各種組成、實現技盡可能不要過多或不合理地限制各種組成、實現技術地應用。術地應用。3 3不能僅從不能僅從“硬硬”地角度去考慮如何便于應用組成地角度去

20、考慮如何便于應用組成技術地成果和發揮器件技術地進展，還應從技術地成果和發揮器件技術地進展，還應從“軟軟”地角度把為編譯和操作系統的實現以及為高級語言地角度把為編譯和操作系統的實現以及為高級語言程序地設計提供更好地硬件支持放在首位。程序地設計提供更好地硬件支持放在首位。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論一一. .計算機的性能評價計算機的性能評價 計算機的性能以及對系統評價的目標都指系統速度的性能。計算機的性能以及對系統評價的目標都指系統速度的性能。1.3.2 1.3.2 計算機系統的性能評測與定量設計原理計算機系統的性能評測與定量設計原理 時時 間間解題時間解題時間CPUCPU

21、時間時間用戶用戶CPUCPU時間時間系統系統CPUCPU時間時間( (訪磁盤時間訪磁盤時間) )( (訪主存時間）訪主存時間）(I/O(I/O時間及其他時間時間及其他時間) )第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論1.CPU時間時間 CPU時間：時間：CPU執行程序所用的時間。執行程序所用的時間。Tcpu=Ic CPI TcCPU執行某一執行某一程序中所包含程序中所包含的指令總數的指令總數時鐘時鐘周期周期執行每條指令所執行每條指令所需的平均時鐘周需的平均時鐘周期數期數第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論CPI=INni=1(CPIiIi)ini=1i：第i類指令I

22、i：第i類指令的數目CPIi：執行每條i類指令所需的周期數=（CPIi ）ni=1IiIN第第i類指令在總程類指令在總程序中占的比例序中占的比例第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論指令類型指令類型指令所占比例指令所占比例CPI算邏指令算邏指令LOAD指令指令SRORE指令指令轉移指令轉移指令43%21%12%24%1222第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論2.2.其他性能指標其他性能指標 計算機系統真正的衡量標準：計算機系統真正的衡量標準：CPUCPU真正執行程序真正執行程序的時間。但這種標準在實際中較難把握，一是因為不的時間。但這種標準在實際中較難把握，一是

23、因為不同的程序執行的時間不等；二是因為一個實際程序中同的程序執行的時間不等；二是因為一個實際程序中包含大量非包含大量非CPUCPU執行的時間，如執行的時間，如I/OI/O操作等。操作等。因此，出現了以下幾種替代標準：因此，出現了以下幾種替代標準： 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論 特點特點: : 1 1）MIPSMIPS和指令集緊密相關，因此不同機器之間的和指令集緊密相關，因此不同機器之間的MIPSMIPS沒有沒有可比性，如可比性，如SUNSUN工作站中的工作站中的MIPSMIPS和和PCPC中的中的MIPSMIPS之間幾乎無可比之間幾乎無可比性。性。 2 2）在同一臺機器

24、上）在同一臺機器上, ,不同程序可能產生多種不同程序可能產生多種MIPSMIPS，因此，大，因此，大多以平均多以平均MIPSMIPS作為典型值。作為典型值。 3 3）MIPSMIPS可能與性能相反，如采用軟件實現可能與性能相反，如采用軟件實現FloatFloat運算，雖然運算，雖然MIPSMIPS很高，但運算卻遠不及硬件實現快，所以用很高，但運算卻遠不及硬件實現快，所以用MIPSMIPS衡量衡量標量標量機機的性能較為合適。的性能較為合適。v指標指標1：MIPS（million instructions per second) 對于某一給定的程序，對于某一給定的程序，MIPS定義為：定義為：66

25、1010CPIMIPS時鐘頻率執行時間指令條數第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論1 1）MFlopsMFlops取決于機器和程序兩個方面，不能反映整取決于機器和程序兩個方面，不能反映整體情況，而只能反映浮點運算的情況。對浮點運算體情況，而只能反映浮點運算的情況。對浮點運算而言，而言，MFLOPSMFLOPS比比MIPSMIPS更精確；更精確；MFLOPSMFLOPS比較適宜于評估向量計算機；比較適宜于評估向量計算機；2 2）同一機器的浮點運算情況具有一定的同類可比性，）同一機器的浮點運算情況具有一定的同類可比性，而非同類浮點操作仍無可比性。而非同類浮點操作仍無可比性。610執

26、行時間程序的浮點操作次數MFlops特點特點: :v 指標指標2： MFlops(Million Floating point Operation Per Second) MFLOPS MFLOPS與與MIPS關系：關系：1MFLOPS3MIPS。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論3、性能評價結果的統計、性能評價結果的統計1 1）算術性能平均值）算術性能平均值niTnniinmiRA11111基準測基準測試程序試程序處理機處理機X XY YZ ZB B1 120(1.00)20(1.00) 10(0.50)10(0.50) 40(2.00)40(2.00)B B2 240(1

27、.00)40(1.00) 80(2.00)80(2.00) 20(0.50)20(0.50)A Am m (1.00)(1.00)(1.25)(1.25)(1.25)(1.25)基準測基準測試程序試程序處理機處理機X XY YZ ZB B1 120(2.00)20(2.00) 10(1.00)10(1.00) 40(4.00)40(4.00)B B2 240(0.50)40(0.50) 80(1.00)80(1.00) 20(0.25)20(0.25)A Am m (1.25)(1.25)(1.00)(1.00)(2.13)(2.13) 特性：特性：在對各種機器性能比較進行性能規格化過程中，選

28、在對各種機器性能比較進行性能規格化過程中，選擇不同的參考機，擇不同的參考機，A Am m結論不同。結論不同。計算機性能常用峰值性能和持續性能來評價。計算機性能常用峰值性能和持續性能來評價。持續性能持續性能算術性能平均值算術性能平均值幾何性能平均值幾何性能平均值調和性能平均值調和性能平均值第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論2 2）幾何性能平均值）幾何性能平均值nniTnniimiRG)()(111基準測基準測試程序試程序處理機處理機X XY YZ ZB B1 120(1.00)20(1.00) 10(0.50)10(0.50) 40(2.00)40(2.00)B B2 240(

29、1.00)40(1.00) 80(2.00)80(2.00) 20(0.50)20(0.50)G Gm m (1.00)(1.00)(1.00)(1.00)(1.00)(1.00)基準測基準測試程序試程序處理機處理機X XY YZ ZB B1 120(2.00)20(2.00) 10(1.00)10(1.00) 40(4.00)40(4.00)B B2 240(0.50)40(0.50) 80(1.00)80(1.00) 20(0.25)20(0.25)G Gm m (1.00)(1.00)(1.00)(1.00)(1.00)(1.00) 特性：特性：在對各種機器性能比較進行性能規格化過程中，

30、在對各種機器性能比較進行性能規格化過程中，不論取哪一臺作參考機，不論取哪一臺作參考機，G Gm m均能保持比較結果的一致性。均能保持比較結果的一致性。 依據：依據：G Gm m(X(Xi i)/G)/Gm m(Y(Yi i)=G)=Gm m(X(Xi i/Y/Yi i) )第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論3 3）調和性能平均值）調和性能平均值nniiniiRTTnTnnmH.1111 特性：特性：最接近最接近CPUCPU的實際性能。的實際性能。 依據：依據：H Hm m與所有測試程序時間總和成反比，衡量與所有測試程序時間總和成反比，衡量計算機性能較為準確。計算機性能較為準確

31、。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論這是軟件和硬件設計中均經常采用的一種技術。如這是軟件和硬件設計中均經常采用的一種技術。如cache,cache,常常用程序硬件化等。用程序硬件化等。ReasonReason：經常性事件的快速處理可以明顯地提高整個系統的：經常性事件的快速處理可以明顯地提高整個系統的性能。性能。二二 計算機系統的定量設計原理計算機系統的定量設計原理 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論加速比加速比 加速比加速比= =采用改進措施后的性能采用改進措施后的性能采用改進措施前的性能采用改進措施前的性能加速比加速比= =采用改進措施前執行某任務所用時間

32、采用改進措施前執行某任務所用時間采用改進措施后執行某任務所用時間采用改進措施后執行某任務所用時間核心：定義了系統或部件的加速比。核心：定義了系統或部件的加速比。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論AmdahlAmdahl定律可表示為：定律可表示為： SpSp：加速比；：加速比；TeTe：采用改進措施前執行某任務系統所用的時間；：采用改進措施前執行某任務系統所用的時間；T0T0：采用改進措施后所需的時間；：采用改進措施后所需的時間；f fe e：被改進部分的執行時間占的百分比大?。唬罕桓倪M部分的執行時間占的百分比大小；r re e: : 性能提高的倍數。性能提高的倍數。第第1 1

33、章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論則則第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論 例：若考慮將系統中某一功能的處理速度加快例：若考慮將系統中某一功能的處理速度加快10倍，倍，但該功能的處理使用時間僅為整個系統運行時間的但該功能的處理使用時間僅為整個系統運行時間的40%，則，則采用此增強功能方法后，能使整個系統的性能提高多少？采用此增強功能方法后，能使整個系統的性能提高多少？由題可知：由題可知：fe=0.4，re=10，則可得：，則可得：Sp=1.56 若以若以Sp作縱坐標，作縱坐標， fe作橫坐標，可畫出作橫坐標，可畫出Sp=f(fe)的函數。的函數。0.0 0.5 1.0

34、fe10105Sp加速比加速比SpSp與可增強性能部分與可增強性能部分f fe e的關系的關系 由圖中曲線可知，為使系由圖中曲線可知，為使系統能獲得較高性能加速比，統能獲得較高性能加速比，則功能性能可增強部分必須則功能性能可增強部分必須占有較大的比例；否則，增占有較大的比例；否則，增強該功能就沒有多大意義。強該功能就沒有多大意義。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論（三）程序訪問局部性原理（三）程序訪問局部性原理 程序往往重復使用它剛剛使用過的數據和指令。分程序往往重復使用它剛剛使用過的數據和指令。分為時間上的局部性和空間上的局部性原理。為時間上的局部性和空間上的局部性原理。存

35、儲器體系結構的設計是以此原理為基礎的。存儲器體系結構的設計是以此原理為基礎的。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論1 1、由上向下方法、由上向下方法 適合于專用機的設計，從應用到實現級，周期幾年。適合于專用機的設計，從應用到實現級，周期幾年。2 2、由下向上方法、由下向上方法 適合于通用機的設計，從最新硬件到應用級，周期較長。適合于通用機的設計，從最新硬件到應用級，周期較長。 缺點：缺點：當應用對象或范圍變化時，效率急劇下降。當應用對象或范圍變化時，效率急劇下降。 原因：原因：軟、硬件脫節，不能利用最新的軟件技術。軟、硬件脫節，不能利用最新的軟件技術。 前提：前提：硬件不能改變

36、。硬件不能改變。 缺點：缺點：易形成軟、硬脫節，軟件不能獲得最新硬件的支持易形成軟、硬脫節，軟件不能獲得最新硬件的支持，結果軟件繁雜、效率低。，結果軟件繁雜、效率低。1.3.3 1.3.3 系統結構設計的方法：系統結構設計的方法： ：第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論3 3、從中間開始方法、從中間開始方法 從軟、硬件交界面開始設計。從軟、硬件交界面開始設計。 要求：要求：首先進行軟、硬件功能分配，同時考慮硬件能為軟首先進行軟、硬件功能分配，同時考慮硬件能為軟件提供什么支持。件提供什么支持。 優點：優點：避免了軟、硬件脫節，設計周期短，有利于優化設避免了軟、硬件脫節，設計周期短

37、，有利于優化設計。計。 缺點：缺點：對設計人員要求較高，要求具有有效的軟件設計環對設計人員要求較高，要求具有有效的軟件設計環境和開發工具，便于分析、評價和設計。境和開發工具，便于分析、評價和設計。 此方法引發了計算機系統結構的研究，并很快占有主導地此方法引發了計算機系統結構的研究，并很快占有主導地位。位。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論1.4 軟件、應用和器件對計算機系統結構發軟件、應用和器件對計算機系統結構發展的影響展的影響 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論( (一一) )軟件對系統結構的影響軟件對系統結構的影響主要體現在軟件可移植性問題。主要體現在軟

38、件可移植性問題。 軟件的可移植性：指一個軟件不經修改或少量軟件的可移植性：指一個軟件不經修改或少量修改便可移植到另一臺機器上運行。修改便可移植到另一臺機器上運行。實現軟件可移植的幾種基本技術：實現軟件可移植的幾種基本技術：1.1.統一標準的高級語言統一標準的高級語言 設計出一種對各種應用領域都比較高效的通用高級設計出一種對各種應用領域都比較高效的通用高級語言。語言。 存在一定的困難，從長遠看是必須解決的重要方向存在一定的困難，從長遠看是必須解決的重要方向問題。問題。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論2.2.系列系列機機 指同一廠家生產的具有相同的系統結構，但采取了不同的指同一

39、廠家生產的具有相同的系統結構，但采取了不同的組成與實現的技術方案，形成了不同型號的多種機型組成與實現的技術方案，形成了不同型號的多種機型 。 影響影響1 1：系列機思想使得新的組成與實現技術很快得到應用，系列機思想使得新的組成與實現技術很快得到應用，大量兼容產品出現，推動了系統結構發展。大量兼容產品出現，推動了系統結構發展。 軟件兼容軟件兼容：由于系列內各檔機器從程序設計者看都具有相：由于系列內各檔機器從程序設計者看都具有相同的機器屬性。因此，按這個屬性編制的機器語言程序以及同的機器屬性。因此，按這個屬性編制的機器語言程序以及編譯程序都能不加修改的通用于各檔機器，我們稱其為編譯程序都能不加修改

40、的通用于各檔機器，我們稱其為“軟軟件兼容件兼容”。 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論 軟件兼容種類：軟件兼容種類：向上向上/下、向前下、向前/后兼容。后兼容。 軟件必須做到軟件必須做到向后兼容向后兼容，力爭做到，力爭做到向上兼容向上兼容。 影響影響2 2：為保持軟件兼容性，系列機要求系統結構基本不變，為保持軟件兼容性，系列機要求系統結構基本不變，又限制了系統結構的發展。又限制了系統結構的發展。 時間時間 機器檔次機器檔次 高高 低低 向上兼容向上兼容 向下兼容向下兼容 向前兼容向前兼容 向后兼容向后兼容 當前機器當前機器 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論

41、3. 3. 模擬和仿真模擬和仿真模擬：模擬：指用機器語言程序解釋另一臺機器的機器指令實現軟指用機器語言程序解釋另一臺機器的機器指令實現軟件移植的方法件移植的方法 。A A計算機系統計算機系統( (宿主機宿主機) )B B系統系統( (虛擬機虛擬機) )編譯編譯A A計算機指令計算機指令硬件執行硬件執行應用程序應用程序B B機入口指令機入口指令模擬模擬圖圖 A A機上模擬執行機上模擬執行B B應用系統的示意應用系統的示意 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論仿真：仿真：用微程序解釋另一臺計算機的機器指令實現軟件移植。用微程序解釋另一臺計算機的機器指令實現軟件移植。適用于：移植運行

42、時間短，使用次數少，而且在時間關系上適用于：移植運行時間短，使用次數少，而且在時間關系上沒有約束和限制的軟件。沒有約束和限制的軟件。 缺點：缺點：模擬方法速度較慢。模擬方法速度較慢。當機器指令系統差異較大時，程當機器指令系統差異較大時，程序速度會嚴重下降。序速度會嚴重下降。A A計算機系統計算機系統( (宿主機宿主機) )B B系統系統( (虛擬機虛擬機) )編譯編譯A A計算機指令計算機指令硬件執行硬件執行應用程序應用程序B B機入口指令機入口指令仿真仿真圖圖 A A機上仿真執行機上仿真執行B B應用系統的示意應用系統的示意 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論優點：可以提高

43、被移植軟件的運行速度。優點：可以提高被移植軟件的運行速度。缺點：靈活性差，當機器結構差異較大時，很難仿真。缺點：靈活性差，當機器結構差異較大時，很難仿真。區別：模擬是用區別：模擬是用機器語言程序機器語言程序解釋，其解釋程序存于主存中解釋，其解釋程序存于主存中 ；仿真用；仿真用微程序微程序解釋，其解釋程序放在控制存貯器中。解釋，其解釋程序放在控制存貯器中。對策對策: :兩者結合使用兩者結合使用, ,讓頻繁使用且容易仿真的機器指令采用讓頻繁使用且容易仿真的機器指令采用 仿真仿真, ,以提高速度以提高速度; ;讓很少使用讓很少使用, ,對速度要求不高的對速度要求不高的, ,難難 以仿真的指令采用模擬

44、實現以仿真的指令采用模擬實現. . 軟件是促使計算機系統結構發展最重要的因素。軟件是促使計算機系統結構發展最重要的因素。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論（二）應用需求對系統結構的影響（二）應用需求對系統結構的影響 應用要求：應用要求：高速度、大容量、低價格高速度、大容量、低價格 演變過程：演變過程：簡單通用機、專用機、多功能通用機簡單通用機、專用機、多功能通用機 巨、大型機趨勢：巨、大型機趨勢： 研究新的系統結構、組成技術，研究新的系統結構、組成技術， 推廣、并向通用結構發展；推廣、并向通用結構發展； 中、小、微型機趨勢：中、小、微型機趨勢： 保持價格基本不變，提高性能；保

45、持價格基本不變，提高性能； 保持性能基本不變，降低價格。保持性能基本不變，降低價格。應用是促使計算機系統結構發展最根本的動力。應用是促使計算機系統結構發展最根本的動力。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論（三）器件對系統結構的影響（三）器件對系統結構的影響1.1.器件功能和使用方法的改變影響系統結構和組成技術器件功能和使用方法的改變影響系統結構和組成技術 非用戶片非用戶片 現場片現場片 用戶片用戶片2.2.器件的發展改變了邏輯設計的傳統方法；器件的發展改變了邏輯設計的傳統方法；3.3.器件的發展使系統結構的器件的發展使系統結構的“下移下移”速度加快；器件的發展速度加快；器件的發

46、展還促進了算法、語言和軟件的發展。還促進了算法、語言和軟件的發展。 器件是促使計算機系統結構發展最活躍的因素。器件是促使計算機系統結構發展最活躍的因素。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論1.5 系統中的并行性及其分類系統中的并行性及其分類 1.5.1并行性概念并行性概念1.并行性的含義及理解并行性的含義及理解 1)并行性并行性: :解題中具有可以同時進行運算或操解題中具有可以同時進行運算或操作的特性。目的是為了能并行處理，提高解題效作的特性。目的是為了能并行處理，提高解題效率。率。 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論 2)含義含義: :只要在同一時刻或是在同

47、一時間間只要在同一時刻或是在同一時間間隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不同的隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不同的工作，在時間上能相互重疊，都稱為并行性。工作，在時間上能相互重疊，都稱為并行性。 包括包括同時性與并發性同時性與并發性。 3)同時性：兩個或多個事情在同一時刻發同時性：兩個或多個事情在同一時刻發生。生。 4)并發性：兩個或多個事情在同一時間間并發性：兩個或多個事情在同一時間間隔內發生。隔內發生。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論2.并行性等級并行性等級 1)從執行程序角度分從執行程序角度分 a)指令內部指令內部一條指令內部各個微操作之間一條指令內部各個微操作之間的

48、并行執行。的并行執行。 b)指令之間指令之間多條指令的并行執行。多條指令的并行執行。 c)任務或進程之間任務或進程之間多個任務或程序段的并多個任務或程序段的并行執行。行執行。 d)作業或進程之間作業或進程之間多個作業或多道程序的多個作業或多道程序的并行。并行。硬件比例增大硬件比例增大第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論 2)從數據處理角度從數據處理角度 a)位串字串位串字串單字單位單字單位串行單處理機串行單處理機 b)位并字串位并字串單字全位單字全位并行處理機并行處理機 c)位片串字并位片串字并多字同位多字同位( (位片位片) )多多 機串行機串行 d)全并行全并行多字多位多字

49、多位多機并行多機并行 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論 3)從信息加工角度從信息加工角度 a)存貯器操作并行存貯器操作并行同一個存貯周期訪問同一個存貯周期訪問 多字多字并行存貯器、相聯處理機。并行存貯器、相聯處理機。 b)處理器操作步驟并行處理器操作步驟并行操作步驟在時間操作步驟在時間上重疊流水進行上重疊流水進行流水線處理機。流水線處理機。 c)處理器操作并行處理器操作并行對同一條指令的多個對同一條指令的多個數據組同時操作數據組同時操作陣列處理機。陣列處理機。 d)指令、任務、作業并行指令、任務、作業并行多處理機同時多處理機同時對多條指令及相關多數據組的操作對多條指令及相關

50、多數據組的操作多處多處理機。理機。 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論 3.并行性開發途徑并行性開發途徑 1)時間重疊時間重疊 a)方法：在并行性中引入時間因素，讓多個方法：在并行性中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上錯開，輪流重復的使用同一套處理過程在時間上錯開，輪流重復的使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉而提高速硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉而提高速度，例如流水線處理機度，例如流水線處理機 。 b)優點：不必增加額外硬件設備就可以提高計優點：不必增加額外硬件設備就可以提高計算機系統的性價比。算機系統的性價比。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構

51、概論取指取指分析分析執行執行(a) (a) 指令流水線指令流水線kkkk+1k+1k+1k+2k+2k+2t2 2t3 3t4 4t5 5tt取指取指分析分析執行執行 部件部件(b) (b) 指令在流水線各部件中流過的時間關系指令在流水線各部件中流過的時間關系第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論 2)資源重復資源重復 a)方法：在并行性概念中引入空間因素。通方法：在并行性概念中引入空間因素。通 過重復設置硬件資源來提高可靠性或性能。如過重復設置硬件資源來提高可靠性或性能。如雙工系統雙工系統。 b)優點：系統的速度性能得到很大提高。優點：系統的速度性能得到很大提高。 控制器控制器

52、CU處理單元處理單元PEPE0 0PEPE1 1 PEPEN-1N-1資源重復資源重復第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論 3) 3)資源共享資源共享 a)a)方法：方法：利用軟件的辦法讓多個用戶按利用軟件的辦法讓多個用戶按一定時間順序輪流使用同一套資源，以提高一定時間順序輪流使用同一套資源，以提高其利用率，這樣可以提高整個系統的性能。其利用率，這樣可以提高整個系統的性能。例如，多道程序分時系統就是利用共享例如，多道程序分時系統就是利用共享CPUCPU、主存資源，以降低系統價格，提高設備的利主存資源，以降低系統價格，提高設備的利用率。多處理機，分布處理系統，計算機網用率。多處理

53、機，分布處理系統，計算機網絡絡 b)b)優點優點：節省資源，效率高，介于上述：節省資源，效率高，介于上述兩種之間。兩種之間。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論1.5.2 1.5.2 計算機系統的分類計算機系統的分類 (一一) 弗林弗林(FLYNN)分類法分類法 (1966年年Michael J.Flynn) 按按指令流指令流和和數據流數據流的的多倍性多倍性狀況對計算機系統分類。狀況對計算機系統分類。(Multiplicity)：在系統性能瓶頸部件上處于：在系統性能瓶頸部件上處于 同一執行階段的指令或數據同一執行階段的指令或數據 的最大可能個數。的最大可能個數。第第1 1章章

54、計算機系統結構概論計算機系統結構概論 1)1)單指令流單數據流單指令流單數據流SISDSISD 一次僅對一條指令譯碼，僅對一個操作部一次僅對一條指令譯碼，僅對一個操作部件分配數據。單處理器計算機件分配數據。單處理器計算機. . 2)2)單指令流多數據流單指令流多數據流SIMDSIMD 一條指令，多個操作過程。陣列機和相聯處一條指令，多個操作過程。陣列機和相聯處理機。理機。 3)3)多指令流單數據流多指令流單數據流MISDMISD 多條指令對同一個數據流及其中間結構進多條指令對同一個數據流及其中間結構進行不同的處理。這類系統少見。行不同的處理。這類系統少見。 4)4)多指令流多數據流多指令流多數

55、據流MDMDMDMD 全面并行的多機系統。全面并行的多機系統。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論單指令流、單數據流單指令流、單數據流(SISD-Single Instruction Single (SISD-Single Instruction Single Data)Data)結構結構 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論單指令流、多數據流單指令流、多數據流(SIMD-Single Instruction (SIMD-Single Instruction Multiple Data)Multiple Data)結構結構 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算

56、機系統結構概論多指令流、單數據流多指令流、單數據流(MISD)(MISD)結構結構 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論多指令流、多數據流多指令流、多數據流(MIMD)(MIMD)結構結構 第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論所存在的問題：所存在的問題：此分類法反映出大多數計算機的并行工作方式和結構特點，此分類法反映出大多數計算機的并行工作方式和結構特點，使用較廣。使用較廣。 1 1、對、對MISD MISD 類型的合理性計算機學術界上有爭論。類型的合理性計算機學術界上有爭論。 2 2、只能對控制流機進行分類。對于數據流機就無法使用這、只能對控制流機進行分類。對于數據流機就無法使用這種分類方法。對于廣泛流行的標量及向量流水計算機應屬于種分類方法。對于廣泛流行的標量及向量流水計算機應屬于哪一類體系結構，似乎難以確定。因此，哪一類體系結構，似乎難以確定。因此，一般將標量流水機一般將標量流水機視為視為SISDSISD，向量流水計算機視為，向量流水計算機視為SIMDSIMD。第第1 1章章 計算機系統結構概論計算機系統結構概論 ( (二二) ) 庫克分類法庫克分類法 根據根據