第1章 计算机设计基本原理

1.4 性能、成本与价格
成本的分布与价格的变化 在任何一种产品的生产过程中，各种成 本均占一定的比例。下面仅以工程工作 站为例，说明计算机成本与价格的分布 与变化。
成本的分布
（1）元器件成本：是产品中最基本的成 本，是所有器件成本的总和，最初为100%。 （2）直接成本：是与产品生产相关的成本， 包括劳动力成本、元器件采购与报废成本、 产品质量成本(包括人员培训、生产管理)等， 一般占元器件成本的(25～40)%。
第1章
计算机设计基本原理
福州大学软件学院 授课教师：江兰帆 联系方式：jiang_lanfan@
1.1 概述
自从上世纪40年代上第一台数字计算机诞 生以来，其结构、规模、类型、性能、应用领
域发生了翻天覆地的变化，其中决定因素是器
件和系统结构的发展与变化。人们把计算机的
发展过程归结为四个历史时期，也称为四代。
1.2.2 计算机系统结构的定义与内涵
计算机系统结构（Computer architecture） 这一概念，是在1962年Buchholz描述IBM 7030 的扩展性（Stretch）时首先提出来的；主要是指 计算机的外貌，也称为外特性。1964年，IBM 370的主设计师Amdahl给出了它的定义： 计算机系统结构就是程序员所看到的计算机的 基本属性，即概念性结构与功能特性。
浮点数据表示、多寻 第二代 晶体管、磁芯、 址方式、中断技术、 1955—1964年 印刷电路 I/O处理机 第三代 1965—1974年 第四代 1975—1990年 第五代 1991—现在 SSI、MSI、多 层印刷电路 微程序控制器、流水 线技术、Cache、 先行处理、系列机
LSI、VLSI、半 向量处理、并行计算、 导体存储器 分布式存储器 高性能微处理器、 超标量、超级流水线 高密度器件 SMP、MP、MPP
新的浪潮—微处理器将无处不在
为什么会发生上述变化?
性能的显著提高

超大规 模集成 电路
技术工艺的进步：CMOS VLSI在成本和
性能上超越了较老的工艺技术(TTL, ECL)

计算机体系结构的进步，改进了低端系统
的性能- RISC、Superscalar、RAID等等
计算机系统结构的变化
单CPU、程序计数器、累加器、定点 运算、采用机器语言或汇编语言
Logic
DRAM Disk
每三年两倍
每三年四倍 每三年四倍
每三年两倍
每十年两倍 每十年两倍
微处理器-DRAM的延迟差距
1.3 实现技术的发展趋势
晶体管性能与连线的规模
晶体管特征尺寸不断减小
晶体管的密度与特征尺寸大小的平方成反比
晶体管性能随着特征尺寸的减小线性增加
1.4 性能、成本与价格
在设计制造计算机时，既要考虑功能， 又要考虑成本与价格。在大多数情况下， 追求的目标是性能好，价格低，即所谓 的高性能价格比。
术的实现有着最为深远的影响
集成电路技术
半导体DRAM
磁盘技术
网络实现技术
15年差异
因特网访问方式的改进
1.3 实现技术的发展趋势
性能的发展趋势：带宽优于时延

带宽/吞吐量：给定时间内所完成的 工作总量。 时延/响应时间：从事件开始到完成 所需要的时间。

技术工艺发展趋势
容量 速度(反应时间)
VM5
VM4 VM3 VM2 RM1
应用语言机器M5
高级语言机器M4 汇编语言机器M3 操作系统机器M2 传统机器M1
面向应用环境，通过相应程序包翻译
成高级语言，逐层向下实现 经编译程序翻译成汇编语言或中 间语言或机器语言，再向下执行 经汇编程序翻译成机器语言，然 后在RM上实现 主要用C编写，但最终还要由机器
计算机系统结构指的是什么? 是一台 计算机的外表? 还是是指一台计算机 内部的一块块板卡安放结构? －－都不是，那么它是什么?
1.2.1 计算机系统的层次结构
随着软件技术的发 展，人们使用不同 的高级语言编程， 站在不同的层面上 使用计算机。于是， 产生了计算机系统 的多层次结构，如 图所示。
计算机系统的多级层次结构
1.4 性能、成本与价格
系统性能的下移与价格的变化 计算机经历了五个发展时期。但是，系统结 构的成就不只是表现在计算机的规模上，而且 表现在系统性能的“下移”上，即巨型机、大
型机的功能移向中、小型机；中、小型机的功
能移向微型机。同时，随着时间的推移，价格 在不断地下降。
计算机性能下移与价格示意图
变址寄存器、浮点运算、多路存储器、 I/O处理机、高级语言、监控程序 流水线、高速缓存、先行处理机、采用微 程序控制、多道程序、分时操作系统 共享存储器、分布存储器、并行处理、 多处理操作系统、专用语言等 容大 许规 时模 延并 的行 系处 统理 结、 构采 用 可 扩 展 的
1.2 计算机系统结构的定义
1.2.2 计算机系统结构的定义与内涵
本书中，系统结构一词包含：

指令集系统结构（ISA）


计算机组成
硬件实现
指令集系统结构（ISA）
指令集系统结构（ISA）


ISA分类：register-memory；load-store
存储器寻址 寻址方式 操作数的类型和大小 操作指令


基准测试程序
（3）小测试程序 通常测试程序代码在100行以下， 运 行 结 果 可 以 预 知 ， 例 如 Sieve of Erastosthenes 、 Puzzle 、 Quicksort
等程序。
基准测试程序
（4）合成测试程序 类似于核心程序，它是考虑到各种操作和程序 的比例而专门编写的，比较流行的有 Whetstone和Dhrystone。其中Whetstone是 由整型运算和浮点运算混合组成，包括超越函 数、条件转移和函数调用等；Dhrystone主要 是有关的整型运算，包括字符串及数组处理等。
算机外特性，是在传统的硬件层面上看到的特性。
这种外特性主要有：
① 指令系统 ② 数据表示 ③ 寻址规则
⑥ 工作状态的定义与切换 ④ 寄存器结构 ⑤ 中断系统 ⑦ 存储系统
⑧ 信息保护方式 ⑨ I/O结构等。
1.2.2 计算机系统结构的定义与内涵
以上是针对经典的计算机系统结构的概 念而言的。随着计算机技术的发展，计 算机系统结构的概念和它所包含的内容 也正处在不断的发展与变化之中，它涉 及到广义计算机系统结构的概念，包括 计算机新的组成与实现技术。
ISA、组成与实现之间的关系

不同的ISA会使组成技术产生差异。 计算机组成也会影响ISA，组成的设计，其 上取决于系统结构，其下又受限于所可以 用的实现技术。 计算机实现，特别是器件技术的进展构成 了ISA和组成的基础，对系统结构有很大影 响。

1.3 实现技术的发展趋势
以下技术的飞速发展对现代计算机技
成本的分布
（3）毛利润：也称为间接成本，一般无法在一 件产品上支付，而要分摊到每一件产品上,包括 公司的研发费用、市场化费用、销售费、生产 设备维护费、房租、贷款利息以及各种税费等。 间接成本一般占平均销售价的(45～65)%。
(4) 标价：是商店的零售价格，包括零售店的利 润，也称为平均折扣。平均折扣一般占标价的 (25～40)%。
（1）采用实际应用程序 根据不同的被测系统，可选用不同的实际 测试程序。例如C语言编译程序、TeX文本处理 程序、CAD工具软件Spice等。
基准测试程序
（2）采用核心程序 从实际运行的程序中抽出少量关键 性的循环程序段，以此测试和评估 计算机系统的性能，例如livermore 24 Loops、Linpack等。
硬件实现
在研究计算机组成时，又涉及到各种功能部 件的组成逻辑、时序电路以及时钟信号的设 计与选用。
例如，在设计运算器时，既涉及到时序电路， 又涉及到算法；在设计存储器时既涉及到采 用什么样的器件，又涉及到它的容量、外围 电路和速度等。这些，统称为计算机组成的 物理实现。
举例：我们要制造飞机。首先要确定载客人 数、速度、高度等技术指标，这就属于系统 结构；然后根据技术指标研究、设计座舱怎 么安排才可以满足载客数量，飞机外形怎么 设计才符合空气动力学，供油、发动机、控 制系统等等怎样设计、组成，从而形成设计 图纸上的飞机，这属于组成；最后，经过论 证确定设计没有问题，把图纸交付工厂，由 工人开始生产，这就是实现了。
ISA、组成与实现之间的关系
具有相同指令系统结构的计算机，可以 因速度等因素的要求不同而采用不同的 组成。 例如：对于乘法指令，我们可以使用专 用的乘法器来实现，也可以使用加法器 重复相加、右移来实现。
ISA、组成与实现之间的关系
相同的计算机组成可以采用多种不同的 实现方法。
例如：主存器件既可以选用双极型的， 也可以选用MOS型的；可以使用单片大 规模集成电路，也可以用多片小规模集 成电路进行组搭。显然，这取决于所要 求的性价比和当时的器件技术。
1.2.2 计算机系统结构的定义与内涵
对于不同层次上的程序员来说，由于使
用的程序设计语言不同，可能看到的概
念性结构与功能特性会有所不同。
1.2.2 计算机系统结构的定义与内涵
由此可见，在层次结构的各级机器上都有相应的 系统结构。Amdahl提出的系统结构是指传统机器 语言级的系统结构，即机器语言程序员所看到的计
1.1 概述
计算机科学家恩斯洛(P.H.Enslow)曾对 1965～1975年间计算机的发展进行了研究。 结果表明，计算机系统的性能提高了100倍，
其中10倍归功于器件的发展，而另外10倍归
于系统结构的变化。
1.1 概述
目前，就计算机的规模而言，有微 型机、小型机、中型机、大型机和巨型 机；就计算机的体系结构而言，有标量 流水机、向量流水机、阵列机、并行多 处理机等；另外，人工智能计算机仍然 在发展之中。