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2020年5月16日星期六计算机系统结构第一章基本概念1计算机系统结构ComputerArchitecture包仲贤兰州理工大学计算机与通信学院中国宫廷式欧洲哥特式阿拉伯风格印度泰姬陵1.课程名称ComputerArchitecture计算机系统结构计算机体系结构2.研究内容从外部来研究计算机系统使用者所看到的物理计算机的抽象编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的计算机属性3.学习目的建立计算机系统的完整概念学习计算机系统的分析方法和设计方法了解计算机系统的最新研究成果5.与其他学科的交叉学科交叉：计算机组成、操作系统、汇编语言、数据结构、微计算机技术、计算机网络、……新内容：超标量处理机、超流水线处理机、VLIW处理机、向量处理机、并行处理机、多处理机、互连网络、……计算机系统结构正处于变革时期软件-系统结构-实现技术,两头发展快中间慢非冯计算机正兴起系统结构的发展时期已经到来6.课程安排课内：48学时，课内外比例：课内1：课外1除完成作业之外，还要多看参考书了解国内外最新研究成果7.教材和参考书教材：张晨曦计算机体系结构(第二版)，高等教育出版社参考书：（1）郑伟民汤志忠计算机系统结构(第二版)，清华大学出版社（3）李学干计算机系统的体系结构清华大学出版社(2)DavidA.PattersonandJohnL.Hennessy,ComputerArchitecture:AQuantitativeApproach3Ed.SanFrancisco:MorganKaufmannPublishers中文：计算机系统结构：一种定量的方法1.1引言1.2计算机体系结构的概念1.3计算机体系结构的发展1.4影响计算机体系结构的成本和价格因素1.5定量分析技术基础1.6计算机体系结构中并行性的发展第一章计算机体系结构的基本概念1.1引言1.计算机性能的高速增长受益于：电路技术的发展体系结构技术的发展2.体系结构的重要性3.基于微处理器的系统1.2.1计算机系统中的层次概念1.计算机系统＝软件＋硬件/固件2.计算机语言由低级向高级发展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。3.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。1.2计算机体系结构的概念软件硬件或固件第6级：应用语言虚拟机第5级：高级语言虚拟机第4级：汇编语言虚拟机第3级：操作系统虚拟机第2级：机器语言(传统机器级)第1级：微程序机器级(1)虚拟机：由软件实现的机器。(2)语言实现的两种基本技术◆翻译：先把N+1级程序全部变换成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，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行。解释执行比翻译花的时间多，但存储空间占用较少。1.2计算机体系结构的概念1.2.2计算机体系结构1.计算机体系结构的定义：程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。2.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。3.透明性在计算机技术中，对这种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看又好象不存在。1.2计算机体系结构的概念4.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。5.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）(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连接方式、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。1.2.3计算机组成和计算机实现技术1.计算机组成：计算机体系结构的逻辑实现。2.计算机实现：计算机组成的物理实现。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。3.系列机(1)系列机在一个厂家内生产的具有相同的体系结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。(2)IBMPC系列机（处理器、处理器字宽、主要I/O总线、存储空间、主要操作系统和计算机结构）如：IBM370系列有370/115、125、135、145、158、168等一系列从低速到高速的各种型号。8088/80286CPU(a)PC、XT和PCAT存储器I/O设备PC/AT总线80386/80486CPU(b)80386/80486PC存储器I/O设备ISA总线总线控制器处理器总线/VL总线VL设备PentiumCPU存储器PCI设备PCI总线总线控制器1处理器总线(c)PentiumPCI/O设备ISA总线总线控制器2PentiumII/ⅢCPU存储器PCI设备PCI总线总线控制器1处理器总线(d)PentiumII/ⅢPCI/O设备ISA总线总线控制器2AGP总线AGP显示卡Pentium4CPU存储器PCI设备PCI/PCI-E总线总线控制器1处理器总线(e)Pentium4PCUSB设备USB总线总线控制器2PCI-E设备计算机PC和PCXTPCAT80386PC80486PCPentiumPCPentiumIIPCPentiumIIIPCPentium4PC时间19811982198519891993199719992000处理器8088802868038680486PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4字宽16位16位32位32位32位32位32位32位主要I/O总线PC总线AT（ISA）ISA/EISAISA+VLISA+PCIISA+PCI+AGPPCI+AGP+USBPCI-X+AGP+USB存储空间20位24位32位32位32位32位32位32位主要操作系统DOSDOS、XENIXDOS、Windows3.0DOS、Windows3.1DOS、Windows3.1Windows95Windows98、2000WindowsMe、XP表1.1PC系列机典型特性比较4.软件兼容:同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于有不同的运行时间。时间机器档次高低向上兼容向下兼容向前兼容向后兼容当前机器◆向上(下)兼容：按某档机器编制的程序，不加修改的就能运行于比它高(低)档的机器。◆向前(后)兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之前(后)投入市场的机器。向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。5.兼容机不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机。计算机系统的发展冯·诺依曼结构器件发展的影响应用发展的影响改进算法的影响冯·诺依曼结构VanNenmann基本思想于1936年～1946年期间形成，由冯·诺依曼等人于1946年提出输入设备输出设备运算器ALU控制器存储器1.特点:存储程序、运算器为中心、集中控制存储器是字长固定的、顺序线性编址的一维结构，每个地址是唯一定义的。4096个字、40位。由指令形式的低级机器语言驱动。指令顺序执行，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送都途经运算器。运算器、存储器、输入输出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集中控制。2.现代处理机对冯·诺依曼结构的改进不变的：存储程序改变的：存储器为中心,总线结构,分散控制分布处理从基于串行算法变为适应并行算法，出现了向量计算机，并行计算机、多处理机等流水线处理机，超标量处理机，超流水线处理机，超标量超流水线处理机数据库计算机和知识库计算机专用计算机，如过程控制计算机为获得高可靠性而研制容错计算机功能分散化、专业化，出现了各种分布计算机、外围处理机、通信处理机等存储器为中心、分散控制系统总线IO总线……中央处理机（CPU）主存储器（MM）输入设备输出输出设备输出设备总线结构，分散控制总线：连接计算机各功能部件的连线和管理信息传输规则的逻辑电路称为总线。特点：在任何时刻，只能有一个部件向总线上发送信息，可以有多个部件同时接收信息。组成：数据总线、地址总线、控制总线。单总线结构CPU主存输入设备输出设备总线双总线结构CPU主存扩展总线控制线路I/O设备I/O设备处理机总线32MHz32或64位ISA/EISA8.33MHz8、16、32位.....三总线结构CPU主存PCI桥I/O设备I/O设备处理机总线100MHz32或64位ISA/EISA8.33MHz8、16、32位.....PCIBUS33MHz4B扩展总线控制线路I/O设备I/O设备接快速设备接慢速设备分布的I/O处理能力以运算器为中心带来了慢速输入／输出操作占用快速运算器的问题。为了解决这一问题，人们提出了各种输入/输出方式。程序控制输入输出方式DMAI/O处理机程序等待程序中断成组传递周期挪用通道外围处理机3.非冯计算机的发展什么是非冯计算机？非指令驱动，…从传统的指令驱动型改变为数据驱动型，出现了数据流机计算机。从传统的指令驱动型改变为需求驱动型，出现各种图归约计算机。处理非数值化信息的智能计算机，自然语言、声音、图形和图象处理,虚拟现实处理等第五代计算机，由推理机和知识库机等组成。历经10年，召开过多次专题国际会议。神经网络计算机，仿生计算机，…器件发展的影响1.第1代至第4代计算机以器件来划分第一代：电子管(Valve)第二代：晶体管(Transistor)第三代：集成电路(LSI)第四代：大规模集成电路(VLSI)第五代：智能计算机？（高性能微处理器高密度电路）第五代计算机以什么作为标志来划分？第五代计算机什么时候诞生？2.器件发展的特点(1)集成度迅速提高目前水平：每个芯片有1010个晶体管单芯片内可以做大于1Gb存储器，单芯片内可以集成多个CPU＋全部Cache每4~5年提高一个数量级还远没有达到集成度的极限问题？如何利用器件集成度的提高，不断改进计算机系统的性能：例如，有更多指令并行执行，采用更深的流水线，集成更多的Cache等(2)提高速度空间不大目前CPU主频已经到达6GHz，时钟周期0.16ns，门延迟小于0.01ns极限速度30万公里/秒/2＝1.5mm/0.01ns信号在导体中传递速度小于光速的50％。Pentium芯片面积500mm2，即23mm23mm器件速度提高的余地已经很小，将来提高处理机速度更多依靠系统结构的发展可从系统结构的两个方面提高处理机速度：提高IPC，从目前的2左右提高到8以上，采用更深度的流水线和并行处理技术(3)价格直线下降CPU芯片的价格每年要下降80%(4)可靠性越来越高芯片可靠性达到108小时，连续使用1万年以上失效率使用期时间t3.器件种类通用片：逻辑关系确定大批量生产，如：CPU、存储器、寄存器…现场片：可以一次或多次改写逻辑关系如：PLD、PAL、PROM、EPROM、FPGA…用户片：各种专用芯片需要单独设计和生产。半用户片：门阵列片等标准的门电路，前几到工序已经完成；根据用户需要确定最终连线。4.器件发展对计算机组成技术的影响器件速度与处理机工作主频1955年第一台大型机IBM704机，主频12us，1976年巨型向量计算机CRAY，主频12.5ns，目前，Pentium4的主频已经达到3GHz器件速度与指令执行时间46年来器件速度提高104，指令速度快108以上系统结构和组成技术的作用器件速度提高减慢,处理机主频提高速度减缓指令执行速度的提高基本保持不变(