计算机系统结构课件-第1章.pptVIP

计算机系统结构 第一章 基本概念 第二章 指令系统 第三章 存储系统 第四章 输入输出系统 第五章 标量处理机 第六章 向量处理机 第七章 互连网络 第八章 并行处理机 第九章 多处理机 第一章 基本概念 1.1 计算机系统结构 1.2 计算机系统设计技术 1.3 系统结构的评价标准 1.4 计算机系统结构的发展 为什么要研究系统结构? 1. 提高处理机运算速度：MIPS＝Fz ? IPC 其中: Fz为处理机的工作主频 IPC(Instruction Per Cycle)为 每个时钟周期平均执行的指令条数 提高IPC：依靠先进系统结构 过去，几个或几十个周期完成一条指令 现在，一个周期完成几条指令 提高Fz：缩短门电路延迟，依靠技术进步 流水线技术等，依靠先进系统结构 从指令串行执行，到P4的20级流水线 1.1 计算机系统结构 计算机的更新换代 第一代 电子管计算机 第二代 晶体管计算机 第三代 中小规模集成电路 第四代 大或超大规模集成电路 第五代 VLSI(超大规模集成电路) 计算机性能的大幅度提高或更新换代，一方面依靠器件的不断更新，同时也依赖系统结构的不断改进。 2. 计算机性能提高的几个阶段 20世纪70年代末之前，大型机和小型机计算机性能每年提高25%~30%。 20世纪80年代初，出现微处理机，依靠集成电路技术，性能每年提高35% 20世纪80年中期，出现RISC技术、高级语言和操作系统等，性能每年提高50% 1995年，先进系统结构对微处理器性能的贡献是单纯技术进步的5倍。 3. 近几年及将来，计算机性能按摩尔定理发展。 4. 计算机系统的设计者们要不断创新。 1.1.1计算机系统的层次结构 从使用语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构 第0级由硬件实现 第1级由微程序实现 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 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 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 从学科领域来划分 第0和第1级属于计算机组成与系统结构 第3至第5级是系统软件 第6级是应用软件 1.1.2计算机系统结构的定义 定义： 汇编语言程序员所看到的计算机属性，即硬件子系统的概念结构及其功能特性。 研究任务： 主要研究软件、硬件功能分配和对软硬件界面的确定。 实质： 外特性——实际上定义了系统的软、硬件功能界面； 系统结构内特性——计算机系统的设计人员看到的基本属性，是外特性的逻辑实现。 选择题： 对计算机系统结构，下列不透明的是（ ）。 A、浮点数表示 B、Cache C、数据通道宽度 D、VLSI 计算机系统结构设计者所关心的是（ ）所看到的的计算机结构。 硬件设计人员 B、逻辑设计人员 C、机器语言或汇编语言程序员 D、高级语言程序员 判断题： 虚拟存储器对于系统程序员是不透明的，对于应用程序员是透明的。（ ） 简答题（论述题）： 试举例说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现之间的联系和区别。 透明性 一种本来存在的事物或属性，但从某种角度来看似乎不存在的概念，称为透明性。 在一个计算机系统中，低层机器的属性往往对高层机器的程序员是透明的。计算机组成设计的内容，对传统机器程序员来讲一般是透明的。 1.1.3计算机组成与实现 定义： 研究硬件系统各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。目标是最合理地方式将各种设备和部件连接为计算机，以达到最优的性价比，从而实现所确定的系统结构。计算机组成是系统结构的逻辑实现。 计算机实现 计算机实现： 研究各部件的物理结构、机器的制造技术和工艺等，是计算机组成的物理实现。它着眼于器件技术和微组装技术。 主存的物理实现，如存储器采用什么样器件，逻辑电路设计和微组装技术均属计算机实现 系统结构、组成和实现三者的关系 关系： 关系举例： 注意： 系统结构设计不要对组成、实现技术的采用与发展有过多或不合理的限制； 计算机组成与实现是可以折衷权衡的； 三者的内容不同时期会有所变化。 系统结构的设计与硬件的设计不可混淆。 系统结构、组成和实现三者的关系 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，计算机实现是计算机组成的物理实现，三者各自包含不同的内容，但又有着紧密的联系。 一种系统结构可以有多种组成，同样，一种组成可以有多种物理实现 IBM系列机有370/115、125、135、145、15