Computer Architecture(计算机体系结构计算机体系结构)主主讲人：人：金星金星:65149264:65149264:1806208882718062088827:jinxingmail.hzau.edu:jinxingmail.hzau.edu绪论：初识计算机系统结构目前世界上最快的计算机l神威太湖之光。lCPU采用国产众核芯片。l峰值性能达每秒12.5亿亿次。l问题一：性能如何取得？l问题二：百度和淘宝是否用它？课程简介课程简介l本本课程在程在计算机算机专业课程体系中的地位程体系中的地位l与其他与其他课程的交叉程的交叉l主要包括：主要包括：编译原理、原理、计算机算机组成原理、成原理、计算机操作系算机操作系统、数据、数据结构、微机原理、构、微机原理、高高级语言等言等l新内容：超新内容：超标量量处理机、超流水理机、超流水线处理理机、向量机、向量处理机、并行理机、并行处理机、多理机、多处理理机等机等l交叉点内容：提高，建立完整概念交叉点内容：提高，建立完整概念系统结构与组成原理、微机原理的区别系统结构与组成原理、微机原理的区别l系系统结构构l软硬件功能分配以及硬件功能分配以及计算机硬件算机硬件设计原理原理l微机原理微机原理l研究微研究微处理器芯片、接口技理器芯片、接口技术和和应用用编程方法程方法l组成原理成原理l研究研究计算机基本部件的构成和算机基本部件的构成和组成方式，基本运算成方式，基本运算的操作原理和的操作原理和单元的元的设计思想、操作方式及其思想、操作方式及其实现学习目的l建立建立计算机系算机系统的完整概念的完整概念l学学习计算机系算机系统的分析和的分析和设计策略策略l掌握新型掌握新型计算机系算机系统的基本的基本结构及其工作原理构及其工作原理l参考参考书籍籍l计算机系算机系统结构教程构教程张晨曦晨曦等等l计算机系算机系统结构构郑纬民民汤志忠志忠l计算机体系算机体系结构：量化研究方法构：量化研究方法Hennessy&Peterson今天计算机系统结构的研究内容l进一步提高单个微处理器的性能进一步提高单个微处理器的性能l基于微处理器的多处理器体系结构。基于微处理器的多处理器体系结构。l全面提高计算机的系统性能：全面提高计算机的系统性能：l可用性，可维护性，可缩放性。可用性，可维护性，可缩放性。l新型器件的处理器新型器件的处理器l光计算机光计算机l分子计算机分子计算机lDNA计算机计算机第一讲第一讲 计算机体系结构的计算机体系结构的基本概念基本概念一、多级层次结构一、多级层次结构1.计计算机系算机系统统中的中的层层次次(hierarchy)概念概念从从使使用用语语言言的的角角度度，按按功功能能划划分分将将计计算算机机系系统统为为六个机器六个机器级级第第5级级:应用语言虚拟应用语言虚拟机机第第4级级:高级语言虚拟机高级语言虚拟机第第3级级:汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机第第2级级:操作系统虚拟机操作系统虚拟机第第1级级:传统机器传统机器第第0级级:微程序机器微程序机器特定应用用户特定应用用户高级语言程序员高级语言程序员汇编语言程序员汇编语言程序员操作系统用户操作系统用户机器语言程序员机器语言程序员微指令程序员微指令程序员硬联逻辑级硬联逻辑级硬件设计员硬件设计员翻译翻译解释解释翻译翻译翻译翻译解释解释解释解释1 系统结构定义一系统结构定义一l计算机系统中软硬件界面计算机系统中软硬件界面软件软件硬件硬件/固件固件计算机系算机系统由由软件、硬件和固件件、硬件和固件组成，它成，它们在功在功能上是同等的。能上是同等的。同一种功能可以用硬件同一种功能可以用硬件实现，也可以用，也可以用软件或固件或固件件实现。不同的不同的组成只是性能和价格不同。成只是性能和价格不同。第第5级级:应用语言虚拟机应用语言虚拟机第第4级级:高级语言虚拟机高级语言虚拟机第第3级级:汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机第第2级级:操作系统虚拟机操作系统虚拟机第第1级级:传统机器传统机器第第0级级:微程序机器微程序机器特定应用用户特定应用用户高级语言程序员高级语言程序员汇编语言程序员汇编语言程序员操作系统用户操作系统用户机器语言程序员机器语言程序员微指令程序员微指令程序员硬联逻辑级硬联逻辑级硬件设计员硬件设计员翻译翻译解释解释翻译翻译翻译翻译解释解释解释解释透明性透明性l概念概念: :本来存在的事物或属性，从某种角度本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在。看似乎不存在。例如：浮点数表示、乘法指令例如：浮点数表示、乘法指令 对高高级语言程序言程序员、应用程序用程序员 透明透明 对汇编语言程序言程序员、机器、机器语言程序言程序员 不透明不透明例如：数据例如：数据总线宽度、微程序度、微程序 对汇编语言程序言程序员、机器、机器语言程序言程序员 透明透明 对硬件硬件设计者、者、计算机算机维修人修人员 不透明不透明1964年年Amdahl提出的体系结构是指一般所说提出的体系结构是指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机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性的属性本书中的定义：机器语言程序设计者、汇编语本书中的定义：机器语言程序设计者、汇编语言程序设计者、编译程序的设计者看到的计算言程序设计者、编译程序的设计者看到的计算机系统所具有的属性，即他们看到的计算机系机系统所具有的属性，即他们看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。统的概念性结构和功能特性。系统结构定义二举例：IBM370系列概念性的结构概念性的结构docin/p-211686948.html体系结构的研究范围体系结构的研究范围l功能特性功能特性指令系指令系统、数据表示、数据表示、寻址址方式、寄存器集、中断机构、存方式、寄存器集、中断机构、存贮器系器系统、结构、构、处理机工作状理机工作状态、信息保、信息保护l界面界面设计确定硬件功能。确定硬件功能。l性能成本性能成本评价价运算速度、存运算速度、存储容量、容量、I/OI/O带宽l新型系新型系统结构构设计并行性、数据流、并行性、数据流、推理机、神推理机、神经网网络计算机的组成与实现1）l计算机组成计算机组成l计算机系统结构的逻辑实现计算机系统结构的逻辑实现主要内容主要内容数据通路数据通路宽度的确定、各种操作度的确定、各种操作对功能部功能部件的共享程度的确定、件的共享程度的确定、专用功能部件的确用功能部件的确定、功能部件的并行性确定、定、功能部件的并行性确定、缓冲器和排冲器和排队的确定、控制机构的的确定、控制机构的设计、可靠性技、可靠性技术的确定等。的确定等。 计算机的组成与实现计算机的组成与实现2）l计算机实现计算机实现 l计算机组成的物理实现计算机组成的物理实现 主要内容主要内容它包括它包括处理机、主存等部件的物理理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，信号构，器件的集成度和速度，信号传输，器件、模器件、模块、插件、底板的划分与、插件、底板的划分与连接，接，专用器件的用器件的设计，电源、冷却、源、冷却、装配等技装配等技术以及有关的制造技以及有关的制造技术和工和工艺等。等。 计算机组成与实现总结概述）l计算机系统结构计算机系统结构l确定硬件的功能了解用户需求的总工程师）确定硬件的功能了解用户需求的总工程师）l数据表示需要怎样的精度？数据表示需要怎样的精度？l计算机组成计算机组成l对系统结构的逻辑实现系统工程师）对系统结构的逻辑实现系统工程师）l用专门的乘法器还是加法器和移位器实现？用专门的乘法器还是加法器和移位器实现？l计算机的实现计算机的实现l计算机组成的物理实现硬件工程师）计算机组成的物理实现硬件工程师）l用什么类型的器件？用什么类型的器件？系统结构、组成和实现的关系l具体内容随不同的机器而变化，例如具体内容随不同的机器而变化，例如Cachel系统结构相同的计算机其组成可能不同，系系统结构相同的计算机其组成可能不同，系统结构不要限制组成技术统结构不要限制组成技术l例如：例如：IBM36051，与，与IBM360/91具有相同具有相同的系统结构的系统结构,但组成和实现却相差很大。两者但组成和实现却相差很大。两者的性能相差的性能相差500倍。倍。l组成相同的计算机，可以采用多种不同的计算组成相同的计算机，可以采用多种不同的计算机实现机实现l不同的系统结构会使采用的组成技术有所差异。不同的系统结构会使采用的组成技术有所差异。因系统结构不同而使组成技术有所差异的实例因系统结构不同而使组成技术有所差异的实例计算计算A:=BC面向寄存器型的计算机面向寄存器型的计算机面向存储器型的计算机面向存储器型的计算机LOADR1,BADDB,C,AADDR1,CSTORER1,A系系统统结结构构的的定定义义三三l总结：总结：l计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，但随着技术、器件和应用的发三个不同的概念，但随着技术、器件和应用的发展，三者之间的界限越来越模糊。展，三者之间的界限越来越模糊。广广义的定的定义：计算机系算机系统结构包括狭构包括狭义的的计算机系算机系统结构以及构以及计算机算机组成、成、计算机算机实现广义：计算机系统结构二级学科l下下设三三级学科学科:l520.3010计算机系算机系统设计l520.3020并行并行处理理l520.3030分布式分布式处理系理系统l520.3040计算机网算机网络l520.3050计算机运行算机运行测试与性能与性能评价价l520.3099计算机系算机系统结构其他学科构其他学科当前当前软件成本由于其复件成本由于其复杂性和性和长度的增加度的增加而不断增而不断增长，硬件成本，硬件成本则由于科技的由于科技的发展展尤其是的尤其是的发展而快速下降。展而快速下降。计算机系算机系统的成本主要包括以下两部分：的成本主要包括以下两部分：（一次性开（一次性开发成本；成本；（每个部件的生（每个部件的生产成本。成本。对于于软件来件来说，其成本主要是指开，其成本主要是指开发成本，成本，软件的生件的生产成本即复制成本即复制费是很低的。是很低的。对于硬件，其成本既包括一次性开于硬件，其成本既包括一次性开发成本，成本，又包括生又包括生产成本，硬件的生成本，硬件的生产成本是成本是远远高于高于软件的。件的。二、软硬件取舍二、软硬件取舍用软件或硬件实现功能的优点和缺点用软件或硬件实现功能的优点和缺点:从从速速度度、所所需需要要的的存存储储空空间间、硬硬件件成成本本、硬硬件件利利用用率率、系系统统的的灵灵活活性性与与适适应应性性这这些些方方面来比较面来比较开展不可编程目前计算机最少硬件软件硬件软硬件比例七十年代七十年代硬件硬件软件软件本钱本钱年代年代硬件硬件软件软件速度速度快快慢慢需存储空间需存储空间小小大大硬件利用率硬件利用率低低高高硬件成本硬件成本大大小小系统的灵活性系统的灵活性差差好好适应性适应性差差好好2. 软硬件取舍的三个基本原则(1)系系统统性价比高性价比高在在某某功功能能的的使使用用率率比比较较高高并并且且该该机机型型的的产产量量较较大的情况下，可考大的情况下，可考虑虑用硬件用硬件实现实现.(2)在硬件上，考在硬件上，考虑虑可能采用的可能采用的组组成与成与实现实现技技术术(3)在在软软件件上上，考考虑虑如如何何方方便便编编译译和和操操作作系系统统的的实现实现即即缩缩小高小高级语级语言与机器言与机器语语言的言的语义语义差距差距系统结构对语义的影响系统结构对语义的影响高级语言：高级语言：A:=BC汇编语言：汇编语言：面向寄存器型的计算机面向寄存器型的计算机面向存储器型的计面向存储器型的计算机算机LOADR1,BADDB,C,AADDR1,CSTORER1,A语义差距小，减轻编译的负担，软件运行快，语义差距小，减轻编译的负担，软件运行快，也就是解题速度快也就是解题速度快三三、计计算算机机系系统统的的设设计计思思路路l由上往下由上往下l由下往上由下往上l由中间到两边由中间到两边1 由由上上往往下下第第5级级:应用语言虚拟机应用语言虚拟机第第4级级:高级语言虚拟机高级语言虚拟机第第3级级:汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机第第2级级:操作系统虚拟机操作系统虚拟机第第1级级:传统机器传统机器第第0级级:微程序机器微程序机器硬联逻辑级硬联逻辑级由由上上往往下下l基本思想基本思想:从从应用出用出发，软件决定硬件件决定硬件l优点点:面向面向应用，适用于用，适用于专用机，用机，每一每一层对上一上一层优化，化，软件的运行效率高件的运行效率高l缺陷缺陷:不适用于通用机，不适用于通用机，导致硬件致硬件设计不不灵活，适灵活，适应性差性差第第5级级:应用语言虚拟机应用语言虚拟机第第4级级:高级语言虚拟机高级语言虚拟机第第3级级:汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机第第2级级:操作系统虚拟机操作系统虚拟机第第1级级:传统机器传统机器第第0级级:微程序机器微程序机器硬联逻辑级硬联逻辑级2 由由下下往往上上l基本思想基本思想:硬件决定硬件决定软件件l缺陷缺陷:在固定硬件的在固定硬件的备件下，件下，软件件设计被被动且受限制，没考且受限制，没考虑软件件优化，化，导致致软硬件脱硬件脱节。第第5级级:应用语言虚拟机应用语言虚拟机第第4级级:高级语言虚拟机高级语言虚拟机第第3级级:汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机第第2级级:操作系统虚拟机操作系统虚拟机第第1级级:传统机器传统机器第第0级级:微程序机器微程序机器硬联逻辑级硬联逻辑级3 由由中中间间到到两两边边由由中中间间到到两两边边l基本思想基本思想:先决定软硬件界面即系统结构，先决定软硬件界面即系统结构，再由结构设计出软件与硬件再由结构设计出软件与硬件l优点优点:兼顾软件与硬件，软件与硬件可以兼顾软件与硬件，软件与硬件可以并行设计，设计过程中相互交流并行设计，设计过程中相互交流一、存储程序体系结构一、存储程序体系结构(1)机器以运算器机器以运算器为为中心。中心。(2)采用存采用存储储程序原理程序原理(3)存存储储器是按地址器是按地址访问访问的、的、线线性性编编址的空址的空间间。(4)控制流由指令流控制流由指令流产产生。生。(5)指令由操作指令由操作码码和地址和地址码组码组成。成。(6)数据以二数据以二进进制制编码编码表示，采用二表示，采用二进进制运算。制运算。输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备主存主存控制器控制器早期早期冯诺依曼型机器依曼型机器的的组成框成框图存储程序体系结构的改进存储程序体系结构的改进改改进进后的后的冯冯诺诺依曼依曼计计算机使其从原来算机使其从原来的以运算器的以运算器为为中心演中心演变为变为以存以存储储器器为为中心。中心。从体从体统结统结构上构上讲讲，主要是通，主要是通过过各种并行各种并行处处理手段提高理手段提高计计算机系算机系统统性能。性能。二、软件对系统结构的影响l软件的兼容性或可移植性件的兼容性或可移植性l软件可不件可不经修改或只需少量修改便可由一台修改或只需少量修改便可由一台机器搬到另一台机器上运行，即机器搬到另一台机器上运行，即软件可件可应用于用于不同的系不同的系统环境。境。如何解决如何解决软件的件的可移植性呢可移植性呢?可可能能的的解解决决方方案案： 方案一：所有的计算机都能使用某一种通用方案一：所有的计算机都能使用某一种通用的高级语言；的高级语言；方案二：统一机器语言方案二：统一机器语言方案三：为新设计的计算机配上相应的软件方案三：为新设计的计算机配上相应的软件或硬件后，能够使用原来的软件；或硬件后，能够使用原来的软件；因此：根据不同要求，可采用三种方法解决因此：根据不同要求，可采用三种方法解决兼容性问题！兼容性问题！1统统一一高高级级语语言言(1)基本思想：设计一种完全通用的高级语言基本思想：设计一种完全通用的高级语言(2)适用范围：结构相同或完全不同的机器适用范围：结构相同或完全不同的机器(3)存在问题：存在问题：l目前不能出现统一的高级语言的原因目前不能出现统一的高级语言的原因lA、不同的用途要求语言要有不同的语法结、不同的用途要求语言要有不同的语法结构和语义结构；构和语义结构；lB、人们对语法的基本结构看法不一；、人们对语法的基本结构看法不一；lC、同一种高级语言在各个不同厂家的机器、同一种高级语言在各个不同厂家的机器上也不能完全通用。上也不能完全通用。lD、习惯势力的影响，人们总喜欢使用自己、习惯势力的影响，人们总喜欢使用自己熟悉的语言。熟悉的语言。2 系列机系列机(1)基本思想：统一机器语言基本思想：统一机器语言先确定好一种系统结构先确定好一种系统结构(指令系统、数指令系统、数据表示、概念性结构据表示、概念性结构)，再按从中间到两边的，再按从中间到两边的思想进行软件与硬件的设计。思想进行软件与硬件的设计。(2)系列机：系列机：一个厂家内生产的具有相同的系统结构，一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同的组成和实现的一系列不同型号但具有不同的组成和实现的一系列不同型号的机器。的机器。例如例如INTEL的的80X86微机系列及其微机系列及其兼容机兼容机系列机在使用者看来具有相同的属性，系列机在使用者看来具有相同的属性，差别仅在于程序的执行时间。差别仅在于程序的执行时间。(3) 几个概念：几个概念：向上下兼容：按某档机器编写的程序，不向上下兼容：按某档机器编写的程序，不经修改就能运行于比它高低档的机器；经修改就能运行于比它高低档的机器；向前后兼容：按某个时期投向市场的某种向前后兼容：按某个时期投向市场的某种型号的机器编写的软件，不经修改就能运行于型号的机器编写的软件，不经修改就能运行于在它之前后投入市场的机器。在它之前后投入市场的机器。兼容机：不同厂商生产的具有相同系统结构的兼容机：不同厂商生产的具有相同系统结构的计算机。计算机。(4)适用范围：同一系列结构相同的机器适用范围：同一系列结构相同的机器(4)存在问题：限制了系统结构的发展存在问题：限制了系统结构的发展3模拟与仿真模拟与仿真具有不同体系具有不同体系结构的构的计算机之算机之间的的软件兼容性件兼容性(1)模模拟(Simulation)基本思想：用一种机器宿主机的机器基本思想：用一种机器宿主机的机器语言解言解释另一种机器虚另一种机器虚拟机机器指令机机器指令(2)仿真仿真(Emulation)基本思想：用一种机器宿主机的微程序解基本思想：用一种机器宿主机的微程序解释另一种机器目另一种机器目标机指令系机指令系统两两种种方方法法优优缺缺点点比比较较模拟用软件实现，仿真用软件、固件与硬件模拟用软件实现，仿真用软件、固件与硬件实现实现模拟方法速度低，仿真方法速度高模拟方法速度低，仿真方法速度高 模拟方法适用范围：结构可以不同，但相差模拟方法适用范围：结构可以不同，但相差太大时，效率和速度就会下降太大时，效率和速度就会下降仿真方法适用范围：只能在差别不大的系统仿真方法适用范围：只能在差别不大的系统之间之间二、应用与系统结构的实现二、应用与系统结构的实现l应用领域：应用领域：l科学计算科学计算l信息处理信息处理l知识和智能处理知识和智能处理体系结构的发展历程体系结构的发展历程l在在8080年代以前，主要以科学年代以前，主要以科学计算算为主主l到了到了8080年代，商年代，商业应用用l到了到了19941994年以后，年以后，WebWeb计算算Web ComputingWeb Computing）l巨、大型机是系统结构的领头军，为满足巨、大型机是系统结构的领头军，为满足高速、高性能的需求不断研制出新的结构高速、高性能的需求不断研制出新的结构和组成和组成l低档机上引用或照搬高档机的结构和组成低档机上引用或照搬高档机的结构和组成l计算机的发展趋势计算机的发展趋势l一是维持价格提高性能，向高档机靠拢一是维持价格提高性能，向高档机靠拢l二是维持性能降低价格，发展低档机二是维持性能降低价格，发展低档机三、器件与系统结构的实现l器件器件类型：型：l电子管、晶体管、集成子管、晶体管、集成电路、大路、大规模集成模集成电路、超大路、超大规模集成模集成电路路l器件的使用器件的使用l通用片、通用片、现场片、用片、用户片片l器件的影响器件的影响l改改变了了逻辑设计的的传统方法方法l加速了加速了结构的构的“下移下移”l促促进了算法、了算法、语言和言和软件的件的发展展小小结结l软件是促使计算机系统结构发展的最重软件是促使计算机系统结构发展的最重要的因素要的因素l应用需求是促使计算机系统结构发展的应用需求是促使计算机系统结构发展的最根本的动力最根本的动力l器件是促使计算机系统结构发展最活跃器件是促使计算机系统结构发展最活跃的因素的因素指令系指令系统的确定的确定指令的指令的实现，如取指令、指，如取指令、指令操作令操作码译码、计算机操作算机操作数地址、取操作数、运算、数地址、取操作数、运算、送送结果等的操作如何安排和果等的操作如何安排和排序排序 实现这些指令功能些指令功能的具体的具体电路、器件路、器件的的设计及装配技及装配技术一一 计算机体系结构、组成和实现计算机体系结构、组成和实现