第1章-计算机系统结构(第五版)李学干

图 1 - 3 IBM 370 (a) 统一的字长与定点数和浮点数表示； (b) 不同的数据通路宽度
IBM 370 系列的各档机器都采用通道方式进行输入/输出， 但在计算机组成上，低档机器可以采用结合型通道，让通道 的功能借用中央处理机的某些部件完成。
1.3 计算机系统的软、硬件取舍和性能评测 及定量设计原理 1.3.1
目前，就软件设计费用来说要远比软件的重复生产费用 高，Ds≈104×Ms也是完全可能的。将此关系式代入上式，得
6 10 4 C 100 10 R V V
由于C值一般总比100小，因此V值越大，这个不等式才越能
原则2 要考虑准备采用和可能采用的组成技术，使之尽可能不 要过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用。 原则3 不能仅从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技
件)实现，M2 到M5 大多用软件实现。所谓固件(Firmware)，
是一种具有软件功能的硬件，例如将软件固化在只读存储器 这种大规模集成电路的硬器件上就是一种固件。
1.2 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现
1.2.1 从计算机系统的层次结构角度来看，系统结构(System Architecture)是对计算机系统中各级界面的定义及其上下的功 能分配。计算机系统的每一级都有自己的系统结构。
1.1 计算机系统的层次结构 1.2 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现 1.3 计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定量设计原理 1.4 软件、应用、器件的发展对系统结构的影响
1.5 系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类
1.6 本章小结
1.1
从使用语言的角度，一台由软、硬件组成的通用计算机 系统可以被看成是按功能划分的多层机器级组成的层次结构。
n 1 1 1 1 1 1 A m n n T T T i 1T 1 2 i n
式中，Ti是第i个程序的执行时间，Ri是第i个程序的执行
1n Am Ti n i1
调和性能平均值Hm
H n m
n n n n 1 T T T 1 2 n T i i 1 i 1 R i
i 1
计算CPU的程序执行时间TCPU有3个因素，即程序执行的 总指令条数IC(Instruction Counter)、平均每条指令的时钟周 期数CPI(Cycles Per Instruction)、主时钟频率fc。这样
1 T IC CPI CPU fc
假设系统共有n种指令，第i种指令的时钟周期数为
1.2.2
从计算机系统结构的内涵可以看出，机器级内部的数据
流和控制流的组成、逻辑设计和器件设计等都不属于计算机 系统结构，就是说，对程序设计者角度看的概念性结构 都如图 1 - 2 所示。
图 1 - 2 IBM 370系列的概念性结构
程序设计者编程时所看到的数据形式(即数据表示)都是 相同的 32 位字长，定点数都是半字长 16 位或全字长 32 位， 浮点数都是单字长 32 位、双字长 64 位或四字长 128 位，如图1 - 3(a)所示。
Hm的值与运行全部程序所需的时间成反比，用它来衡量
计算机的时间(速度) 几何性能平均值Gm
n n 1 n n G R m i T i 1 i 1 i
X G m(X i) i G m G ( Y ) Y i m i
层次结构由高到低依次为应用语言机器级、高级语言机器级、
汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级和 微程序机器级，如图1 - 1所示。对于具体的计算机系统，层
次数可以不同。
图 1-1 计算机系统的多级层次结构
对使用某一级语言编程的程序员来讲，只要熟悉和遵守 该级语言的使用规定，所编程序总是能在此机器上运行并得 到结果，而不用考虑这个机器级是如何实现的。 就目前的状况来看，M0 用硬件实现，M1 用微程序(固
件下，系统要有高的性能价格比，主要从实现费用、速度和其他性能要 假定某计算机系统生产了V台。每台计算机用硬件实现的费用为 Dh/V+Mh，若改用软件实现则为C×Ds/V+R×Ms
D D h s M C R M h s V V
时，用硬件实现才是适宜的。将上述Dh与Ds、Mh与Ms
100 D D s s 100 M C R M s s V V
术的成果和便于发挥器件技术的进展，还应从“软”的角度
把如何为编译和操作系统的实现以及如何为高级语言程序的
1.3.2
1.
多数情况下，在设计通用计算机系统时，进行软、硬件 功能分配总是考虑在满足系统性能的前提下，如何使性能价
格比达到最高。
持续性能的表示有算术性能平均值、调和性能平均值和 算术性能平均值Am是n道程序运算速度或运算时间的算术
(1) 加权算术平均值：
1 A m iR i i T i 1 i 1 i
n n
(2) 加权调和平均值：
i H T m i i i 1 i 1 R i
n 1 n
1
(3) 加权几何平均值：
i n 1 2 G R R R R m i 1 2 n
CPIi，第i种指令在程序中出现的次数为Ii，则
n 1 T ( CPI I ) i i CPU f i 1 c
这样
CPI
CPI I i i
软、硬件的功能分配是计算机系统结构的主要任务，而
软件和硬件在逻辑功能上又是等效的。
在满足应用的前提下，软、硬件功能分配的比例主要看 能否充分利用硬件、器件技术的进展，使系统有高的性能价
格比。
图 1 - 4 计算机系统的软、硬件功能分配比例
原则1
应考虑在现有硬件、器件(主要是逻辑器件和存储器件)条