计算机系统结构 课程介绍 · Computer Architecture计算机系统結袍计]机体系結构 “建筑学”、“建筑物的设计或式样”,通常是指一个系统的外貌 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的属性 软硬件功能分配及分界面的确定 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 掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理 学科方向:是全国重点学科 级学科一个:计算机科学与技术 级学科三个:计算机系统结构、计算机软件、计算机应用技术 ·与其他学科的交叉 主要包括:计算机组成原理、计算机操作系统、汇编语言、数据结构、 微机原理、高级语言等 新内容:超标量处理机、超流水线计算机、向量处理机、并行处理机、 多处理机等 交叉点:提高、建立完整概念 课程安排 课内:64学时,实验:16学时,课外:课内外比例1:2 除完成作业和实验外,还要多看参考书 实验DLX处理机 实验原理、实验内容及实验要求:教材第十二章 计算机系统结构正处于变革时期 软件、系统结构、组成技术,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 ·教材:计算机系统结构,清华大学出版社,第二版 主要参考书: 1. Patterson D A, Hennessy J L, Computer Architecture: A Quantitative Approach 2 Ed. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 1995. 2.李学干,苏东庄,计算机系统结构,西安电子科技大学出版社,1991年。 3.李勇,刘恩林,计算机体系结构,国防科技大学出版社,198年, 4. Kai hwang,高等计算机系统结构并行性可扩展性可编程性, 清华大学出版社
1 计算机系统结构 课程介绍 • Computer Architecture 计算机系统结构 计算机体系结构 “建筑学”、“建筑物的设计或式样”，通常是指一个系统的外貌。 • 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的属性 软硬件功能分配及分界面的确定 • 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 掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理 • 学科方向：是全国重点学科 一级学科一个：计算机科学与技术 二级学科三个：计算机系统结构、计算机软件、计算机应用技术 • 与其他学科的交叉 主要包括：计算机组成原理、计算机操作系统、汇编语言、数据结构、 微机原理、高级语言等 新内容：超标量处理机、超流水线计算机、向量处理机、并行处理机、 多处理机等 交叉点：提高、建立完整概念 • 课程安排 课内：64 学时, 实验：16 学时, 课外：课内外比例 1：2 除完成作业和实验外，还要多看参考书 • 实验 DLX处理机 实验原理、实验内容及实验要求：教材第十二章 • 计算机系统结构正处于变革时期 软件、系统结构、组成技术，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 • 教材：计算机系统结构，清华大学出版社，第二版 主要参考书： 1．Patterson D A, Hennessy J L, Computer Architecture: A Quantitative Approach 2 Ed. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, 1995. 2．李学干，苏东庄，计算机系统结构，西安电子科技大学出版社，1991 年。 3．李勇，刘恩林，计算机体系结构，国防科技大学出版社，1988 年。 4．Kai Hwang，高等计算机系统结构 并行性 可扩展性 可编程性， 清华大学出版社
第一章基本概念 1.1计算机系统结构的定义 1.2计算机系统的评价标准 1.3计算机系统的设计方法 1.4计算机系统结构的发展 .5计算机系统的分类 1.1计算机系统结构的定义 1.1.1两种定义 1、定义一: Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出 程序员所看到的计算机系统的属性,即概念性结构和功能特性 ν程序员:汇编语言、机器语言、编译程序、操作系统 ν看到的:编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的 概念结构: 主存储器 主存控制器 CP U IO P IOP 打印机 磁盘机 卡片机 磁带机 功能特性:指令系统及其执行模式 数据表示:硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式; 寻址方式:最小寻址单位、寻址方式的种类和地址运算等 ·寄存器组织:操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义 数量和使用规则等; 指令系统:机器指令的操作类型、格式,指令间的排序和控制机制等; 中断系统:中断类型、中断级别和中断响应方式等
2 第一章 基本概念 1．1 计算机系统结构的定义 1．2 计算机系统的评价标准 1．3 计算机系统的设计方法 1．4 计算机系统结构的发展 1．5 计算机系统的分类 1．1 计算机系统结构的定义 1．1．1 两种定义 1、定义一：Amdahl 于 1964 年在推出 IBM360 系列计算机时提出： 程序员所看到的计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性 程序员：汇编语言、机器语言、编译程序、操作系统 看到的：编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的 概念结构： 主存储器 主存控制器 ＣＰＵ ＩＯＰ ＩＯＰ 打印机 磁盘机 卡片机 磁带机 终 端 功能特性：指令系统及其执行模式 • 数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式； • 寻址方式：最小寻址单位、寻址方式的种类和地址运算等； • 寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、 数量和使用规则等； • 指令系统：机器指令的操作类型、格式，指令间的排序和控制机制等； • 中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；
存储系统:最小编址单位、编址方式、主存容量、最大寻址空间等 处理机工作状态:定义和切换方式,如管态和目态等 输入输出系统:连接方式、数据交换方式、数据交换过程的控制等 ·信息保护,包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等 2、透明性概念 本来存在的事物或属性,从某种角度看似乎不存在 例如:浮点数表示、乘法指令 对高级语言程序员、应用程序员 透明 对汇编语言程序员、机器语言程序员不透明 例如:数据总线宽度、微程序 对汇编语言程序员、机器语言程序员透明 对硬件设计者、计算机维修人员 不透明 3、定义二 计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定 计算机系统由软件、硬件和固器组成,它们在功能上是同等的 同一种功能可以用硬件实现,也可以用软件或固件实现 不同的组成只是性能和价格不同。 1.1.2计算机系统的组成 计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现,主要包括 确定数据通路的宽度 确定各种操作对功能部件的共享程度 ●确定专用的功能部件 ·确定功能部件的并行度 设计缓冲和排队策略 设计控制机构 确定采用何种可靠性技术 1.3计算机系统的实现 计算机实现是指计算机组成的物理实现,包括 处理机、主存储器等部件的物理结构 器件的集成度和速度 专用器件的设计 ·器件、模块、插件、底版的划分与连接 信号传输技术 ●电源、冷却及装配技术,相关制造工艺及技术等 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、 器件和应用的发展,三者之间的界限越来越模糊
3 • 存储系统：最小编址单位、编址方式、主存容量、最大寻址空间等； • 处理机工作状态：定义和切换方式，如管态和目态等； • 输入输出系统：连接方式、数据交换方式、数据交换过程的控制等； • 信息保护，包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。 2、透明性概念 本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在 例如：浮点数表示、乘法指令 对高级语言程序员、应用程序员 透明 对汇编语言程序员、机器语言程序员 不透明 例如：数据总线宽度、微程序 对汇编语言程序员、机器语言程序员 透明 对硬件设计者、计算机维修人员 不透明 3、定义二： 计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定 • 计算机系统由软件、硬件和固器组成，它们在功能上是同等的。 • 同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。 • 不同的组成只是性能和价格不同。 1．1．2 计算机系统的组成 计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现，主要包括： • 确定数据通路的宽度 • 确定各种操作对功能部件的共享程度 • 确定专用的功能部件 • 确定功能部件的并行度 • 设计缓冲和排队策略 • 设计控制机构 • 确定采用何种可靠性技术 1．1．3 计算机系统的实现 计算机实现是指计算机组成的物理实现，包括： • 处理机、主存储器等部件的物理结构 • 器件的集成度和速度 • 专用器件的设计 • 器件、模块、插件、底版的划分与连接 • 信号传输技术 • 电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技术等 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、 器件和应用的发展，三者之间的界限越来越模糊
1.1.4计算机系统的层次结构 1、虚拟机概念 ●从不同角度所看到的计算机系统的属性是不同的 高级语言程序员、汇编语言程序员、系统管理员、硬件设计者 大部分人对计算机的认识只需要在某一个层次上 广义语言 虚拟计算机 解释或编译 作用对象 观察者 2、层次结构 第0级由硬件实现,第1级由微程序实现,第2级至第6级由软件实现 由软件实现的机器称为:虚拟机 第2级是传统指令系统(机器语言)机器 第3级是操作系统机器。操作系统是运行在第2级上的解释程序。 第4级是汇编语言机器。 第5级是高级语言机器。 第6级是应用语言机器 ·从学科领域来划分:第0和第1级属于计算机组织与结构,第3至第5级 是系统软件,第6级是应用软件。 ·它们之间仍有交叉。第0级要求一定的数字逻辑基础;第2级涉及汇编语 言程序设计的内容;第3级与计算机系统结构密切相关。在特殊的计算机 系统中,有些级别可能不存在
4 1．1．4 计算机系统的层次结构 1、虚拟机概念 • 从不同角度所看到的计算机系统的属性是不同的 高级语言程序员、汇编语言程序员、系统管理员、硬件设计者 大部分人对计算机的认识只需要在某一个层次上 广义语言 虚拟计算机 解释或编译 作用对象 观察者 2、层次结构 第 0 级由硬件实现，第 1 级由微程序实现，第 2 级至第 6 级由软件实现 由软件实现的机器称为：虚拟机 第 2 级是传统指令系统（机器语言）机器。 第 3 级是操作系统机器。操作系统是运行在第２级上的解释程序。 第 4 级是汇编语言机器。 第 5 级是高级语言机器。 第 6 级是应用语言机器。 • 从学科领域来划分：第 0 和第 1 级属于计算机组织与结构，第 3 至第 5 级 是系统软件，第 6 级是应用软件。 • 它们之间仍有交叉。第 0 级要求一定的数字逻辑基础；第 2 级涉及汇编语 言程序设计的内容；第 3 级与计算机系统结构密切相关。在特殊的计算机 系统中，有些级别可能不存在
应用语言 第6级 应用程序 应用程序 息处理系统 用 高级语言 第5级 高级语言 1解释程序 可执行程序 高级语言程序员 「汇编语言 第4级 汇编语言 汇编程序 可执行程序 汇编语言程序员 系统原语 键盘命令 第3级 操作系统 操作系统 系统资源 系统操作员 指令系统 第2级 机器语言 中央处理机[目标程序]—机器语言程序员 指令时序 第1级 微程序控制 微程序控制「寄存器逻辑-逻辑设计员 「[操作时序 第0级 硬联逻辑 硬联逻辑 逻辑线路 硬件设计员
5 应用语言 第 6 级 应用程序 应用程序 信息处理系统 用 户 高级语言 第 5 级 高级语言 解释程序 编译程序 可执行程序 高级语言程序员 汇编语言 第 4 级 汇编语言 汇编程序 可执行程序 汇编语言程序员 系统原语 键盘命令 第 3 级 操作系统 操作系统 系统资源 系统操作员 指令系统 第 2 级 机器语言 中央处理机 目标程序 机器语言程序员 指令时序 第 1 级 微程序控制 微程序控制 寄存器逻辑 逻辑设计员 操作时序 第 0 级 硬联逻辑 硬联逻辑 逻辑线路 硬件设计员