计算机组成原理第一章概论共50页

从语言及应用方面而言 :
由汇编到高级语言从单用户到多用户，到并行处理 的语言、编译，操作系统，直到如今计算机网络、异构 系统处理等等
五代：

第一代：1945~1954年，电子管和继电器； 第二代：1955~1964年，晶体管和磁芯存储器； 第三代：1965~1974年，中小规模集成电路； 第四代：1975~1990年，LSI/VLSI和半导体 存储器； 第五代：1990年至今，巨大规模集成电路。
程序的顺序指令和程序的循环等。
1.3.2 计算机系统结构设计
硬件功能分配的基本原则：

计算机系统的功能要求、性能要求、成本要求 基于计算机系统结构层次结构，有以下三种设计方法：
系统结构设计的方法：

•自下而上的方法
•自上而下的方法 •由中间开始的方法 最好
系统结构设计的步骤

设计步骤可以分为： • 需求分析 • 需求说明 • 概念性设计
Amdahl定律可表示为：
Sp：加速比； Te：采用改进措施前执行某任务系统所用的时间； T0：采用改进措施后所需的时间； fe： 被改进部分的执行时间占的百分比大小；
re: 性能提高的倍数。
则
分析上式可以看出 : 当fe很小甚至→0时，则Sp→1 当re很大甚至→∞时，则
例1：计算机执行某测试程序，其中含有大量浮点数据的 处理操作，为提高性能可以采用两种方案，一是采用硬件 实现求浮点数平方根(FPSQR)的操作，可以使该操作的速 度提高10倍；另一种方案是提高所有浮点数据操作(FP)的 速度，使其加快2倍。同时已知FPSQR操作时间占整个测试 程序执行时间的20%，而FP操作占整个执行时间的50%，现 比较两种方案。 按两种情况求出其加速比 Sp(FPSQR)= 1 (1-0.5)+ 0.5 2 1 =1.22
=（40.25）+(1.330.75)=2
采取以下两种方案进行改进:
方案1： 改进所有浮点操作指令使FP的平均CPI值提高一倍， 即: CPIFP(改)=2 整个程序在改进后的值为： CPI (改)=(2×0.25)+(1.33×0.75)=1.5
或
=CPI(原)-0.25×(CPIFP(原)-CPIFP(改)) =2.0-0.25×(4-2)=1.5
系统软件 汇 编 语 言 级
操作系统级 软硬件界面
3级
2级 1级
硬件 物理机 固件
传统机器级 微程序机器级
解释
0级 图中0级～2级为物理机 3～6级为虚拟机 3级是操作系统中对各种资源的管理与控制程序 6级是应用语言级 5级是高级语言的运行程序 4级是汇编语言的运行程序
电子线 路
1.2 计算机系统结构
参考教材
《计算机系统结构》 陆鑫达 高教出版社 《计算机系统结构》 孙强南 科学出版社 《计算机系统结构》 苏东庄 西安电子科技大学 《RISC单发射与多发射体系结构》 李三立 清华出版社 《计算机系统结构》 郑纬民等 清华出版社 《Advanced Computer Architecture 》 Kai Hwang 清华出版社
如PDP-11、IBM-360/370、PC 8086、 Z-80等微处理机
单指令流、多数据流(SIMD-Single Instruction Multiple Data)结构
如ILLAC Ⅳ(64个单元) 阵列机
多指令流、单数据流(MISD)结构
如RISC机、 向量机
多指令流、多数据流(MIMD)结构
1.2.3 系统结构的分类

计算机按系统的结构分类通常有三种方法：
(一) 弗林(FLYNN)分类法 (1966年Michael J.Flynn)
按指令流和数据流的多倍性状况对计算机系统分类。
指令流(Instruction Stream)：机器执行的指令序列。 数据流(Data Stream)：由指令流调用的数据序列。
Sp
10
5
由图中曲线可知，为使系 统能获得较高性能加速比， 则功能性能可增强部分必须 占有较大的比例；否则，增 强该功能就没有多大意义。
1 0 0.0 0.5 1.0 fe
加速比Sp与可增强性能部分fe的关系
（三）程序访问局部性原理
程序访问局部性原理: 程序往往重复使用它刚刚使用过的数据和指令。 时间局部性 ： 近期被访问的代码，很可能不久又将再次被访问。 空间局部性 ： 是指地址上相邻近的代码可能会被连续的访问。 原因：
(二)冯氏分类法（1972年，美籍华人冯泽云教授提出） 最大并行度
二进制位数 。 n: 一个字中同时处理二进制的位数； 是指计算机单位时间内能够处理的最大的
m: 一个位片或功能部件中能同时处理的字数。 •(1) 字串位串， WSBS n=1,m=1
•(2) 字并位串， WPBS n>1,m=1 •(3) 字串位并， WSBP n=1,m>1
1.2.2 计算机系统结构、组成与实现

三者区别：
1.计算机系统结构 -机器语言级的程序员所了解的 计算机的属性即外特性 2.计算机组成 -计算机系统结构的逻辑实现
3.计算机的实现 -指其计算机组成的物理实现
计算机系统结构
数据表示
寄存器定义
指令系统 中断系统 存储系统 输入输出结构
• 具体设计
• 优化和评价
最终目的：获得尽可能高的性能价格比。
1.4 计算机的性能评价

计算机的性能以及对系统评价的目标都 指系统速度的性能。
计算机的速度性能通常是用响应时间来衡量 响应时间是指用户的一个任务从送入计算机处理 到得到结果所需的时间
1.4.1 CPU性能
CPU性能：CPU执行程序所用的时间。
Tcpu=INCPI Tc
CPU执行某一 程序中所包含 的指令总数
时钟 周期 执行每条指令所 需的平均时钟周 期数
∑
n (CPI× Ii) i
I：第i类指令 Ii：第i类指令的数目 CPIi：执行每条i类指 令所需的周期数
i=1
CPI=
执行整个程序所需的CPU时钟周期数 执行整个程序所需的CPU时钟周期数 程序中指令的总数
CPI=1×0.43+2×0.21+2×0.12+2×0.24 =0.43+0.42+0.24+0.48=1.57
例2：如果FP操作比例为25%，FP的平均CPI FP=4，其他指 令的平均CPI(它) 为1.33，FPSQR操作比例为2%，而FPSQR 的CPISQR=20，改进的方案有二：一是提高FP操作的速度， 使其增加一倍即CPIFP改=2，一是提高FPSQR的速度10倍，即 CPISQR改=10，试比较两个方案，求解：其中设定IN与TC都是 不变的，在此基础上求出改进前后所具有的CPI值，进行比 较: n Ii CPI（原）= ∑ （CPIi× I ） N i=1
方 案 2 ： 只 改 进 FPSQR 指 令 ， 使 其 CPI 值 提 高 10 倍 ， 即 CPISQR(改)=2 整个程序改进后的值应为： CPI(改)=CPI(原)-0.02×(CPIFPSQR(原)-CPIFPSQR(改))
IBM 3081/3084、Univac 1100/80，Cray-2等均属这一 类型
Flynn计算机分类举例
类型 SISD
计算机的型号 IBM 370，VAX 11/780，MC 680X0，INTEL 80X86
SIMD ILLIAC-IV，ICL-DAP， CRAY-1，YH-1（银河1）， CYBER-205，CM-2 MIMD IBM 370/168，Cmmp,CRAY XMP,YH-2(银河2)
1.3 计算机系统设计
1.3.1 计算机系统的设计原则
(一) 加速那些使用频率高的部件 (二) Amdahl定律 Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种改进的执 行方式后，整个系统的性能提高了，其衡量指标为加速比。
加速比
加速比= 没有采用改进措施的性能 没有采用改进措施前执行某任务所用时间 加速比= 采用改进措施前执行某任务所用时间 采用改进措施后的性能
1.1.1 现代计算机的构成

现代计算机系统结构组成的基本模式
计算问题 操作系统
算法与数 据结构 程序设计
硬 件结构
高级语言
联 接 ( 编 译,加 载 )
应用软件
性能评价
1.1.2 计算机系统的层次结构

层次结构 应用软件 应用语言级 高级语言级
6级
翻译(应用程序包)
虚拟机
5级
4级
翻译(编译程序) 翻译(编译程序) 翻译(汇编程序)
缺点：
对于广泛流行的标量及向量流水计算机应属以应属SISD 类型，但从一条指令的操作全过程来理解，应 将每一个向量元素看作一个分离的数据流，则 就存在多个数据流，可归为SIMD计算机。
其他分类：

按用途：
专用机与通用机

按规模：
巨型机、大型机、中型机、小型机、工作 站、微型机、单板机、单片机等等
机器工作状态
信息保护
计算机组成
数据通路的宽度 专用部件的设置
各功能部件
控制机构的组成方式
缓冲技术 可靠性技术的采用和方式的选择 预估、预判、优化处理

计算机系统的结构，组成，实现是 三个完全不同的概念，相互间有着十分 密切的依赖关系和相互的影响。
例1、指令系统 例2、主存系统
1.2.1 计算机系统结构的基本概念
1964年，IBM公司的系统设计师阿姆达尔 (G.M.Amdahl)在介绍IBM 360机型时提出了系统结构的 概念。 系统结构：从程序设计者的角度所看到的系统的属 性，即概念性结构和功能特性。
计算机系统结构：指机器语言程序的设计者或是编译 程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构与功能特性。