计箕机系统结构 主讲:华中科技大学计算机学院林安
2001.9.1 计算机系统结构 1
教学计划 教材 总学时:40 《计算机系统结构》(第二版) 第1章:4 郑纬民等 第2章:4 清华大学出版社 第3章:10 第4章:4 参考书: 第5章:6 《计算机系统结构 第6章:2 复习与考试指导》 第7章:6 郑纬民等 第8章:2 高等教育出版社 第9、10章:2 20019.1 计算机系统结构
2001.9.1 计算机系统结构 2 教学计划 • 教材： • 《计算机系统结构》（第二版） • 郑纬民等 • 清华大学出版社 • 参考书： • 《计算机系统结构 • 复习与考试指导》 • 郑纬民等 • 高等教育出版社 • 总学时：40 –第1章：4 –第2章：4 –第3章：10 –第4章：4 –第5章：6 –第6章：2 –第7章：6 –第8章：2 –第9、10章：2
第一章基本概念(P1) 本章介绍计算机系统结构的一些基本知识。包括定性知识和 定量知识两大组内容。为了便于学习,本章各节重新编号,与教 材编号不同。 定性知识:本课程经常使用的一些名词概念,以及对计算机 的定性认识、分析方法 定量知识:对计算机性能进行定量评价的几个重要公式。 20019.1 计算机系统结构
2001.9.1 计算机系统结构 3 第一章 基本概念（P1） • 本章介绍计算机系统结构的一些基本知识。包括定性知识和 定量知识两大组内容。为了便于学习，本章各节重新编号，与教 材编号不同。 • 定性知识：本课程经常使用的一些名词概念，以及对计算机 的定性认识、分析方法。 • 定量知识：对计算机性能进行定量评价的几个重要公式
1.1定性知识 几个基本概念 1.1.1什么是计算机系统结构?(P4) 英文名称: Computer Architectrue 计算机系统结构(也叫“计算机体系结构”)课程:传授计算 机整机(硬软件统一条件下)设计的重大技术知识。 Architectrue的英文原义是“建筑学”。 “计算机系统结构”作为事物名称:使用者必须了解的机器外部 特性知识(广义定义)。在本课程中“使用者”目前特指最低级语言 的程序员,“外部特性”特指整个硬件的外部特性(狭义定义) 透明性概念:使用者可以不了解的知识。 20019.1 计算机系统结构
2001.9.1 计算机系统结构 4 1.1 定性知识───几个基本概念 • 1.1.1 什么是计算机系统结构？（P4） • 英文名称：Computer Architectrue • 计算机系统结构（也叫“计算机体系结构”）课程：传授计算 机整机（硬软件统一条件下）设计的重大技术知识。 • Architectrue的英文原义是“建筑学”。 • “计算机系统结构”作为事物名称：使用者必须了解的机器外部 特性知识（广义定义）。在本课程中“使用者”目前特指最低级语言 的程序员， “外部特性”特指整个硬件的外部特性（狭义定义）。 • 透明性概念：使用者可以不了解的知识
“计算机系统结构”狭义定义包含的内容(P4) 数据表示(硬件能够直接识别和处理的数据类型和格式等) 2.寻址方式(包括最小寻址单位、寻址方式的种类、表示和地址计算 等) 寄存器组织(包括各种寄存器的配置数目和功能定义) 4.指令系统(包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序方式和控 制机构等) 5.存储系统(包括编址方式、存储容量、最大编址空间等) 6.中断机构(中断源的分类管理和中断服务功能设计) 7.机器工作状态(如管态、目态等)的定义和切换; 200输入/输出子系统结构与官算机系统结构 5
2001.9.1 计算机系统结构 5 “计算机系统结构”狭义定义包含的内容（P4） • 1.数据表示（硬件能够直接识别和处理的数据类型和格式等）； • 2.寻址方式（包括最小寻址单位、寻址方式的种类、表示和地址计算 等）； • 3.寄存器组织（包括各种寄存器的配置数目和功能定义）； • 4.指令系统（包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序方式和控 制机构等）； • 5.存储系统（包括编址方式、存储容量、最大编址空间等）； • 6.中断机构（中断源的分类管理和中断服务功能设计）； • 7.机器工作状态（如管态、目态等）的定义和切换； • 8.输入/输出子系统结构与管理； • 9.信息保护手段及其实现
1.1.2计算机系统的多级层次模型(P3) 第5级专用应用语言机器-特定应用用户(使用特定应用语言) 经应用程序翻译成高级语言) 第4级圃用高级语言机器一高级语言程序员(使用通用高级语言) 经编译程序翻译成汇编语言) 第3级[汇编语言机器}汇编语言程序员(使用汇编语言) 经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语) 第级操作系统语言机器·操作系统用户(使用操作系统原语) 经原语解释子程序翻译成机器语言) 第l级传统机器语言机器-传统机器程序员(使用二进制机器语言 由微程序解释成微指令序列) 第0级微指令语言机 微指令程序员(使用微指令语言) (由硬件译码器解释成控制信号序列) 图1.1计算机系统的多级层次模型 20019.1 计算机系统结构
2001.9.1 计算机系统结构 6 第5级 专用应用语言机器 特定应用用户 （使用特定应用语言） （经应用程序翻译成高级语言） 第4级 通用高级语言机器 高级语言程序员（使用通用高级语言） （经编译程序翻译成汇编语言） 第3级 汇编语言机器 汇编语言程序员 （使用汇编语言） （经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语） 第2级 操作系统语言机器 操作系统用户 （使用操作系统原语） （经原语解释子程序翻译成机器语言） 第1级 传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言） （由微程序解释成微指令序列） 第0级 微指令语言机器 微指令程序员 （使用微指令语言） （由硬件译码器解释成控制信号序列） 图1.1 计算机系统的多级层次模型 1.1.2 计算机系统的多级层次模型（P3）
1.1.3其他重要名词概念(自学) [计算机组成]计算机系统结构的逻辑实现。(P5) ·[计算机实现]计算机组成的物理实现。 (P5) [计算机系统设计的3种主要方法]:“由下往上”、“由上往 由中间开始”。(P14) [系列机](P23) ·[兼容性](P24) [模拟](P24) [仿真](P24) ·[虚拟机](P24 [宿主机](P24) 0°行性]求解一个问题的岩搡牲时间安排上的可重叠性。7
2001.9.1 计算机系统结构 7 1.1.3 其他重要名词概念（自学） • [计算机组成]计算机系统结构的逻辑实现。（P5） • [计算机实现]计算机组成的物理实现。 （P5） • [计算机系统设计的3种主要方法]： “由下往上” 、 “由上往 下” 、 “由中间开始”。（P14） • [系列机] （P23） • [兼容性] （P24） • [模拟] （P24） • [仿真] （P24） • [虚拟机] （P24） • [宿主机] （P24） • [并行性] 求解一个问题的若干操作在时间安排上的可重叠性
1.1.4冯.诺依曼( Von neumann)型机器的特点(P22) 传统计算机又称为冯.诺依曼型机器,它由运算器、控制器 存储器、输入设备和输出设备5部分组成,并具有如下特点 1.以运算器为数据流动中枢,以控制器为控制命令中枢; 2.存储程序并且执行,程序象数据一样可以修改; 3.存储器按地址访问,线性顺序编址 4程序顺序执行; 5.指令由操作码与操作数两部分组成; 6.数据用二进制编码 20019.1 计算机系统结构 7.机器由硬件与软件组成,硬件功能不能改变
2001.9.1 计算机系统结构 8 1.1.4 冯.诺依曼（Von Neumann）型机器的特点（P22） • 传统计算机又称为冯.诺依曼型机器，它由运算器、控制器、 存储器、输入设备和输出设备5部分组成，并具有如下特点： • 1.以运算器为数据流动中枢，以控制器为控制命令中枢； • 2.存储程序并且执行，程序象数据一样可以修改； • 3.存储器按地址访问，线性顺序编址； • 4.程序顺序执行； • 5.指令由操作码与操作数两部分组成； • 6.数据用二进制编码； • 7.机器由硬件与软件组成，硬件功能不能改变
1.1.5现代计算机系统的分类(Flyn分类法,P6) ·按照指令流和数据流的多倍性状况把计算机分为: 1.单指令流单数据流(SISD-- Single Instruction Stream Single data Stream) 2.单指令流多数据流(SIMD- Single Instruction Stream Multiple data stream) 3.多指令流单数据流(MISD- Multiple Instruction Stream Single data stream) 4.多指令流多数据流(MIMD-- Multiple Instruction Stream Multiple data Stream) 一例题P32,题7题9,题Q 200 算机系统结构
2001.9.1 计算机系统结构 9 1.1.5 现代计算机系统的分类（Flynn分类法，P6） • 按照指令流和数据流的多倍性状况把计算机分为： • 1.单指令流单数据流（SISD---Single Instruction Stream Single Data Stream） • 2.单指令流多数据流（SIMD---Single Instruction Stream Multiple Data Stream） • 3.多指令流单数据流（MISD---Multiple Instruction Stream Single Data Stream） • 4.多指令流多数据流（MIMD---Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream） • 例题：P32，题7，题8 ，题9
1.2定量知识 3个性能公式 2.1 Amdahl定律(加快经常性事件原理,P9) (1-F)+ 其中:Sn 全局加速比 原执行时间(old) 新执行时间(new) A二改进部分的局部加速比 被改进部分原执行时间占原来总时间的百分比。 20019.1 计算机系统结构
2001.9.1 计算机系统结构 10 1.2 定量知识───3个性能公式 • 1.2.1 Amdahl定律（加快经常性事件原理，P9） e e e n o n S F F T T S (1 ) 1 其中：Sn ── 全局加速比； To ── 原执行时间（old）； Tn ── 新执行时间（new）； Se ── 被改进部分的局部加速比； Fe ── 被改进部分原执行时间占原来总时间的百分比