全套课件-计算机体系结构(第二版).ppt

第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念 第二节第二节 计算机体系结构的演变计算机体系结构的演变 第三节第三节 影响计算机体系结构因素影响计算机体系结构因素 第四节第四节 计算机体系结构中的并行性及其发展计算机体系结构中的并行性及其发展 第五节第五节 计算机体系结构设计的基础计算机体系结构设计的基础 第六节第六节 计算机系统的评价计算机系统的评价第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念一、提高计算机硬件性能的因素提高计算机硬件性能的因素 1.1.器件换代是计算机换代的基本标志器件换代是计算机换代的基本标志 以器件的发展为标志，计算机系统经历了四代以器件的发展为标志，计算机系统经历了四代器件技术为计算机的发展提供了必不可少的物质基础，器件技术为计算机的发展提供了必不可少的物质基础，是推动计算机发展的基本因素是推动计算机发展的基本因素2.体系结构是现代计算机系统分类的基本依据体系结构是现代计算机系统分类的基本依据 计算机的分类方法很多，普遍认可的是按性能与价格计算机的分类方法很多，普遍认可的是按性能与价格划分，由此可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微划分，由此可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五大类。

但该分类方法已不能正确地反映当前计算机型机五大类但该分类方法已不能正确地反映当前计算机的性能、应用和发展趋势等方面的现状的性能、应用和发展趋势等方面的现状第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念主要特征 嵌入式计算机 桌面计算机 服务器 超级计算机应用范围 智能仪器、测控装置 面向个人 大规模信息处理 科学计算对应关系 微型机应用微型化 小型机、微型机 大型机、中型机 巨型机微处理器数目 12个 14个 几个几十个 几十个以上系统价格 差异很大 5005000美元 5000500万 1千万1亿微处理器价格 0.01100美元50500 20010000 20010000性能通用、性价比、图形等多媒体性能专用、价格、实时性、可靠性设计关键设吞吐量、可靠性、可扩性、可测性计关键性能专用、吞吐量、浮点计算第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念2.2.广义的计算机语言广义的计算机语言 计算机系统的根本功能在于信息处理，任何一个信息处理过计算机系统的根本功能在于信息处理，任何一个信息处理过程都是对某一层面而言。

因此，程都是对某一层面而言因此，把描述控制流程的、有一定规则把描述控制流程的、有一定规则的字符集合称之为计算机语言的字符集合称之为计算机语言而控制流程实现有三种方法：而控制流程实现有三种方法：全硬件的方法全硬件的方法硬件和软件相结合的方法硬件和软件相结合的方法全软件的方法全软件的方法可见，计算机语言并不专属软件范畴，而是分属于计算机系可见，计算机语言并不专属软件范畴，而是分属于计算机系统的各个层面，且有不同的作用，这就是计算机语言的广义性统的各个层面，且有不同的作用，这就是计算机语言的广义性3.3.虚拟计算机虚拟计算机 计算机系统只对某一层次的观察者而存在，通过该层次计算机系统只对某一层次的观察者而存在，通过该层次的广义语言来体现它的功能，并为广义语言提供翻译手段，的广义语言来体现它的功能，并为广义语言提供翻译手段，作用于信息处理和控制对象上，并从对象上获得必要的状态作用于信息处理和控制对象上，并从对象上获得必要的状态信息，这就是虚拟计算机简言之，信息，这就是虚拟计算机简言之，由软件实现的机器即为由软件实现的机器即为虚拟计算机虚拟计算机第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念观察者广义语言编译或解释器硬件电路状态信息控制信息虚拟计算机的组成4.4.透明性透明性 虚拟计算机仅对这一层次的观察者而存在的。

从某一虚拟计算机仅对这一层次的观察者而存在的从某一层次的观察者来看，只是通过该层次的语言来了解和使用层次的观察者来看，只是通过该层次的语言来了解和使用机器，不必关心其内层的那些机器是如何工作和如何实现机器，不必关心其内层的那些机器是如何工作和如何实现各自功能的这一概念称为透明性，各自功能的这一概念称为透明性，即所谓透明性是指在即所谓透明性是指在计算机技术中，一种本来存在的事物或原性，但从某种角计算机技术中，一种本来存在的事物或原性，但从某种角度看似乎不存在度看似乎不存在它是基于虚拟计算机的观点而形成的一它是基于虚拟计算机的观点而形成的一个概念第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念2.计算机体系结构范畴计算机体系结构范畴 计算机体系结构作为一门学科，主要是研究软件与硬件功能分计算机体系结构作为一门学科，主要是研究软件与硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成，哪些功配和对软件、硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件完成，以及如何最佳最合理地实现分配给硬件的功能能由硬件完成，以及如何最佳最合理地实现分配给硬件的功能。

它所包括的内容一般有：它所包括的内容一般有：数据表示数据表示 寻址方式寻址方式 寄存器组织寄存器组织 指令系统指令系统 存储系统存储系统 中断机构中断机构 机器工作状态（如管态、目态等）的定义和切换机器工作状态（如管态、目态等）的定义和切换 机器级的机器级的I/OI/O结构结构 信息保护信息保护 第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念 逻辑设计的内容主要包括：逻辑设计的内容主要包括：数据通路宽度数据通路宽度操作对功能部件的共享程度操作对功能部件的共享程度专用功能部件的设置专用功能部件的设置功能部件的并行性功能部件的并行性缓冲和排队技术的缓冲和排队技术的控制部件组成方式控制部件组成方式可靠性技术可靠性技术性能优化技术性能优化技术第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念2 2计算机实现计算机实现 计算机实现是指计算机组成的物理实现计算机实现是指计算机组成的物理实现主要内容有：主要内容有：（1 1）处理机、主存储器等部件的物理结构处理机、主存储器等部件的物理结构2 2）器件的物理性能，如电参数、传输速度、动态范围、）器件的物理性能，如电参数、传输速度、动态范围、集成度等。

集成度等3 3）器件、模块、插件和底板等的划分与连接器件、模块、插件和底板等的划分与连接4 4）专用器件的设计、微组装技术专用器件的设计、微组装技术5 5）信号传输、制作、电源、冷却和装配等技术以及有）信号传输、制作、电源、冷却和装配等技术以及有关的制造技术和工艺等关的制造技术和工艺等第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念四、计算机体系结构的特性四、计算机体系结构的特性 1.1.计算机体系结构的层次性计算机体系结构的层次性 计算机系统是硬件和软件的统一体，直接反映结构上的计算机系统是硬件和软件的统一体，直接反映结构上的层次性如果依据虚拟计算机的观点来看，不同层次的观察层次性如果依据虚拟计算机的观点来看，不同层次的观察者看到的计算机系统无论功能还是结构都不相同，即就有如者看到的计算机系统无论功能还是结构都不相同，即就有如图所示计算机系统的层次结构图所示计算机系统的层次结构机器指令时序微程序控制 寄存器传送门指令系统CPU 机器语言程序键盘命令和OS原语操作系统 运行程序汇编语言汇编程序 运行程序高级语言编译解释 运行程序应用语言应用程序 信息处理系统硬操作时序硬联逻辑 逻辑线路内核M0硬联逻辑问题规范数学模型 系统配置M7系统分析M6应用程序机器M5高级语言机器M4汇编语言机器M3操作系统机器M2机器语言机器M1微程序控制系统分析员用户高级语言程序员低级语言程序员操作员虚拟机逻辑设计员 物理机机器语言程序员硬件设计员问题分析应用软件系统软件计算机组成与结构第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念2.2.计算机体系结构的等级性计算机体系结构的等级性 计算机系统分为巨型、中型、小型、微型等若干等级。

计算机系统分为巨型、中型、小型、微型等若干等级一台计算机体系结构的等级将随时间而下移各型机器的性一台计算机体系结构的等级将随时间而下移各型机器的性能、价格随时间变化的趋势大致可以用图说明由图可见，能、价格随时间变化的趋势大致可以用图说明由图可见，各型机器所具备的性能随时间是在动态地下移的，但价格却各型机器所具备的性能随时间是在动态地下移的，但价格却在相当长一段时间内基本不变在相当长一段时间内基本不变第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念巨型机大型机中型机小型机微型机价格虚线为等性能线 t-3 t-2 t-1 t t+1 年代图图1.3 1.3 计算机体系结构等级与性能、价格的关系计算机体系结构等级与性能、价格的关系第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念 机器档次 高 向后兼容向前兼容 向下兼容 向上兼容当前机器第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念第一节第一节 计算机体系结构的基本概念计算机体系结构的基本概念B虚拟机A宿主机M4以上的应用级M5高级语言级M2机器语言级M4汇编语言级M1微程序级M2机器语言级M3 OS级M3 OS级图图1-5 1-5 在在A A机器语言级上实现机器语言级上实现B B机器指令系统机器指令系统 第二节第二节 计算机体系结构的演变计算机体系结构的演变一、计算机体系结构的基本模型 1.计算机工作的原理计算机工作的原理 存储程序、顺序控制原理的基本点是指令驱动，即程存储程序、顺序控制原理的基本点是指令驱动，即程序由指令组成，并和数据一起存放在计算机存储器中。

机序由指令组成，并和数据一起存放在计算机存储器中机器一经启动，就能按照程序指定的逻辑顺序把指令从存储器一经启动，就能按照程序指定的逻辑顺序把指令从存储器中读出来逐条执行，自动完成由程序所描述的处理工作器中读出来逐条执行，自动完成由程序所描述的处理工作2计算机体系结构的框架 运算器存储器控制器输入设备输出设备第二节第二节 计算机体系结构的演变计算机体系结构的演变典型的冯诺依曼型计算机的硬件结构框架 第二节第二节 计算机体系结构的演变计算机体系结构的演变以存储器为中心的计算机硬件结构框架 存储器控制器运算器输入设备输出设备I/O主机中央处理器CPU算术逻辑运算单元ALU控制单元CU主存储器M.MI/O接口I/O设备 第二节第二节 计算机体系结构的演变计算机体系结构的演变现代计算机的基本结构框架 第二节第二节 计算机体系结构的演变计算机体系结构的演变3.冯诺依曼型计算机的特点 机器以运算器为中心机器以运算器为中心由控制器集中控制由控制器集中控制采用存储程序的思想采用存储程序的思想指令和数据在存贮器中同等对待均采用二进制编码指令和数据在存贮器中同等对待均采用二进制编码存储器是一个顺序、线性编址的一维空间，每个存储单存储器是一个顺序、线性编址的一维空间，每个存储单元的二进制的位数是固定的，地址是唯一定义的。

元的二进制的位数是固定的，地址是唯一定义的指令为低级机器语言（二进制），驱动机器进行操作指令为低级机器语言（二进制），驱动机器进行操作软件与硬件完全分开软件与硬件完全分开第二节第二节 计算机体系结构的演变计算机体系结构的演变第二节第二节 计算机体系结。