计算机系统结构课程总结(导论)

冯诺依曼机特点

早期：存储程序、运算器为中心、集中控制。
现代：存储程序、存储器为中心，总线结构、分散控制。

器件发展

电子管->晶体管->小规模集成电路(SSI)->大规模集成电路(LSI)->超大规模集成电路(VLSI)。

器件划分

(1)非用户片：功能由制造厂商生产时确定。如逻辑类的门、触发器、寄存器、计数器、加法器；存储类的ROM。
(2)现场片：用户可在机器组装现场设定内容。如PROM、EPROM、FPLA。
(2.5)半用户片：用户可根据自己需求烧结成用户片，如PAL、GAL。
(3)用户片：完全按用户要求定制。

以上从上到下，生产性价比变大、设计成本变高。

提高机器速度的两大因素

(1)提高主频，(2)改进系统结构。主要是(2)的效应好。

计算机应用

数据处理、信息处理、知识处理、智能处理。

计算机系统功能模型层级

(0)硬联逻辑
(1)微程序控制(微指令由硬件直接执行)
(2)机器指令系统
(3)操作系统
(4)汇编程序
(5)高级语言编译或解释程序
(6)应用程序
(7)应用系统算法和数学模型

透明性

A对B透明，即B感觉不到A的存在。

不妨分个级，越往底层不透明的东西越多。画张图记录一下规则：

表格中绿色位置的事物，对蓝色位置的人员都不透明，对橙色位置的人员都透明。下面是具体表格：

人员类别	从该类人员,包括该人员及以下就已经不透明的东西
应用程序员	-
高级语言程序员	-
汇编语言程序员	数据表示、运算指令、通用寄存器、条件码、中断字
机器语言程序员
系统程序员	存储器容量、总线宽度、微程序、虚存
硬件设计和高级维修人员	主存地址寄存器、指令缓冲寄存器、cache、数据通路

计算机系统结构定义

对机器语言计算机的软、硬件功能分配和对界面的定义。

由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。

• 机器工作状态
• 信息保护
• 数据

计算机组成

计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现。

• 确定数据通路的宽度
• 确定各种操作对功能部件的共享程度
• 确定专用的功能部件
• 确定功能部件的并行度
• 设计缓冲和排队策略
• 设计控制机构
• 确定采用何种可靠性技术

计算机实现

计算机实现：计算机系统结构的物理实现。

• 处理机、主存储器等部件的物理结构
• 芯片的集成度和速度
• 专用芯片的设计
• 器件、模块、插件、底板的划分与连接
• 信号传输技术
• 电源、冷却及装配技术，制造工艺及技术等

系列机

具有相同的系统结构，但组成和实现技术不同的一系列计算机。

软件的”上下”兼容和”前后”兼容

向上兼容(尽量)：低档机器的机器语言级程序不加修饰运行在高档机器。
向下兼容：高档机器的机器语言级程序不加修饰运行在低档机器。
向后兼容(必须)：系列机内，旧上市的机器的机器语言级程序不加修饰运行在新上市的机器。
向前兼容：系列机内，新上市的机器的机器语言级程序不加修饰运行在旧上市的机器。

模拟和仿真

模拟：用机器语言程序(2层级)解释实现程序移植的方法。A上模拟B，则A为宿主机，B称虚拟机。
仿真：用微程序(1层级)去解释另一机器指令实现程序移植的方法。A上仿真B，则A为宿主机，B称目标机。

模拟慢但通用。适合运行时间短，使用次数少的程序。
仿真快但限制多。适合系统结构差距小，不需I/O和存储系统的机器间。

实现程序移植的主要途径

• 统一高级语言
• 模拟
• 仿真
• 系列机

软硬件取舍的价格因素

硬件单机上价格：

硬件研制费DH生产总数V+每次生产费MH 硬 件 研 制 费 D H 生 产 总 数 V + 每 次 生 产 费 M H

软件单机上价格：

重新设计次数C×软件研制费DS生产总数V+单机上出现次数R×每次生产费MH 重 新 设 计 次 数 C × 软 件 研 制 费 D S 生 产 总 数 V + 单 机 上 出 现 次 数 R × 每 次 生 产 费 M H

计算机系统设计的定量原则

加快经常性事件的速度，即加速使用频率较高的事件的速度。

Amdahl定律

系统中某部件速度加快后，整个系统性能的提高与其使用频率和占总执行事件的比例有关。我认为Amdahl定律非常片面，但是用在考察程序的执行速度上却非常合适。

一些需要知道的量：

(全局)加速比Sn=原来的总执行时间改进后的总执行时间≥1 ( 全 局 ) 加 速 比 S n = 原 来 的 总 执 行 时 间 改 进 后 的 总 执 行 时 间 ≥ 1

可改进比例Fe=改进前可改进部分占用时间整个任务执行时间<1 可 改 进 比 例 F e = 改 进 前 可 改 进 部 分 占 用 时 间 整 个 任 务 执 行 时 间 < 1

局部加速比Se=要改进部分改进前的执行时间改进后的执行时间>1 局 部 加 速 比 S e = 要 改 进 部 分 改 进 前 的 执 行 时 间 改 进 后 的 执 行 时 间 > 1

改进后整个任务执行时间 Tn= T n = ：

改进前整个任务执行时间To⋅[不能改进部分比例(1−Fe)+能改进部分比例Fe局部加速比Se] 改 进 前 整 个 任 务 执 行 时 间 T o ⋅ [ 不 能 改 进 部 分 比 例 ( 1 − F e ) + 能 改 进 部 分 比 例 F e 局 部 加 速 比 S e ]

改进前后整个系统的加速比 Sn= S n = ：

改进前总时间To改进后总时间Tn=1(1−Fe)+FeSe 改 进 前 总 时 间 T o 改 进 后 总 时 间 T n = 1 ( 1 − F e ) + F e S e

CPU性能公式

指令平均时钟周期数CPI=CPU时钟周期数程序的指令条数Ic 指 令 平 均 时 钟 周 期 数 C P I = C P U 时 钟 周 期 数 程 序 的 指 令 条 数 I c

若多种CPU指令的CPI各自是 CPIi C P I i ，相应的指令条数各自是 Ii I i ，则CPU时间=：

CPU时钟周期数×时钟周期T=∑i=1n(CPIi⋅Ii)⋅T C P U 时 钟 周 期 数 × 时 钟 周 期 T = ∑ i = 1 n ( C P I i ⋅ I i ) ⋅ T

反过来，用指令的比例为 CPIi C P I i 加权可以计算平均时钟周期数：

CPI=∑i=1n(CPIi⋅IiIC) C P I = ∑ i = 1 n ( C P I i ⋅ I i I C )

指令执行速度

引入每条指令所需的平均时钟周期数CPI的倒数——每个时钟周期平均能执行的指令数IPC。

则可以用 ∗IPS ∗ I P S 如 MIPS M I P S 、 GIPS G I P S 、 TIPS T I P S 表达指令执行速度，即每秒能执行的指令数，第一位数字仅仅代表单位，显然：

IPS=处理机的工作频率f⋅每个时钟周期平均能执行的指令数IPC I P S = 处 理 机 的 工 作 频 率 f ⋅ 每 个 时 钟 周 期 平 均 能 执 行 的 指 令 数 I P C

计算机系统的设计基准点

自上而下：适合专用计算机的设计。

自下而上：完全是早期计算机的设计。

从中间向上下(目前比较好的方法)：

Flynn分类法(计算机系统结构分类)

指令流：机器执行的指令序列。
数据流：由指令调用的数据序列。
多倍性：在系统受限的部件上，同时处于统一执行阶段的指令或数据的最大个数。

(1)单指令流单数据流(SISD)：指令部件一次只对一条指令进行译码，并且只对一个执行部件分配数据。
SISD如IBM360。

(2)单指令流多数据流(SIMD)：所有处理单元PU接受从控制部件CU传来的同一条指令，但操作对象却是不同数据流的数据组。
SIMD如并行处理机(阵列处理机)、相联处理机。

(3)多指令流单数据流(MISD)：每个PU接收不同的指令，往往来自不同CU，操作的却是同一个数据流及其派生数据流，每个处理器的输出结果是下一处理器的输入。目前没有实际机器是MISD的。

(4)多指令流多数据流(MIMD)：n个处理机之间相互作用，所有数据流均来源于由全体处理机共享的一个数据空间(紧密耦合)，也可以来源于共享存储器的不相邻子空间(松散耦合，或称MSISD)。
紧密耦合MIMD如IBM3081/3084，松散耦合MIMD如D-825，Cmmp，CRAY-2。

最大并行度

最大并行度：计算机系统在单位时间内理应能处理的最大的二进制位数。

最大并行度Pm=同时处理时一个字中的二进制位数n×同时处理的字数m 最 大 并 行 度 P m = 同 时 处 理 时 一 个 字 中 的 二 进 制 位 数 n × 同 时 处 理 的 字 数 m

平均并行度

平均并行度：对多个时钟周期内能处理的二进制位数 Pi P i 的观测。

平均并行度Pa=∑i=1TPiT 平 均 并 行 度 P a = ∑ i = 1 T P i T

平均利用率

平均利用率：因为 Pm P m 是理论上的， Pa P a 是测出来的，这个值实际上就是反映了现实于理论的比例。

平均利用率μ=PaPm 平 均 利 用 率 μ = P a P m