计算机系统结构（2012年春）---- 基本概念：分层次理解计算机.ppt

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1、课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君山东大学软件学院 戴鸿君 课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君理解计算机 多级层次结构 透明、虚拟化、兼容摩尔定律计算机系统结构、组成与实现计算机设计概述Li-1.1; Li-1.22022-4-2课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君从Abacus开始？ 1945年，ENIAC，电子管计算机，John von Neumann，Shannon 1958 年9 月12 日，Robert Noyce(Intel 公司创始人)，集成电路（微处理器） 1964 年:发布IBM 360 首套系列兼容机 1971 年11 月，Ma

2、rcian E.Hoff，Intel 微处理器4004电子计算机 基于二进制和布尔代数 基于数字电路和模拟电路 能够根据输入进行完备的计算，得到确定的输出 人工智能？2022-4-3课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君大型机-小型机-微机-网络目前的几大分类 桌面电脑，强调性价比和通用性 服务器 可用性（可靠而有效） 可扩展性 有效的吞吐量 嵌入式计算机，应用范围极其广大 实时性、有限存储、低功耗 定制性2022-4-4课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君提供计算能力 可以是硬件实体，软件层次，网络 计算：具有一定规则，能够得到确定结果机器的定义 执行单元的抽象 存

3、储和执行相应语言程序的算法和数据结构的执行体计算机语言的定义 和机器进行交流，以进行交互的语言 用以描述控制流程的、有一定规则的字符集合 不专属于软件的范畴，可以各个层次2022-4-5课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君2022-4-6课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君分层：看待、处理复杂问题的基本思想 层之间是纵向联系，层内是横向扩展 OSI、Web Services、社会学金字塔计算机多级层次结构 从使用语言的角度，基于程序员与计算机系统对话中所采用的语言结构和语义划分 机器与语言对应 书中，计算机系统的层次结构分为六级2022-4-7课程编号：130410

4、00山东大学软件学院 戴鸿君2022-4-8微程序机器M0具有L0机器语言（微指令系统）第0级实际机器传统机器M1具有L1机器语言（机器指令系统）操作系统机器M2具有L2机器语言（作业控制语言等）汇编语言机器M3具有L3机器语言（汇编语言）高级语言机器M4具有L4机器语言（高级语言）应用语言机器M5具有L5机器语言（应用语言）第1级实际机器第2级虚拟机器第3级虚拟机器第4级虚拟机器第5级虚拟机器微指令由硬件直接执行由微指令程序解释机器指令一般用机器语言程序解释作业控制语句汇编语言程序经汇编程序翻译成机器语言程序高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言（或是某种中间语言程序，或是机器语言程序）应用语

5、言程序经应用程序包翻译成高级语言程序课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君2022-4-9课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君与高级语言对应 M5：应用语言机器-应用语言 M4：高级语言机器-高级语言 M3：汇编语言机器-汇编语言 M2：操作系统机器-作业控制语言 M1：传统机器-机器指令系统 M0：微程序机器-微指令系统相关的学科分层 M0M1：计算机组织与结构 M2M3：系统软件 M4： 应用程序 M5： 系统总体分析2022-4-10课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君2022-4-11课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君M0为硬件，

6、M1为固件，其它多是软件 固件（Firmware）：指存储在计算机ROM等固定存储或其它集成电路中的系统软件，固件不能随意改变 计算级系统作为一个整体，包括软、硬件，之间无固定界面。低层语言逻辑简单，高层语言逻辑复杂 功能一样丰富 高层语言对程序员更亲和2022-4-12课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君跨越不同层次级别的方法基本概念（属于编译原理） 编译：全部N+1级指令 N级指令 解释：一条N+1级指令 一串N级指令 没有明显的界限 编译为整体行为，可以优化，高效率，往往与平台有关。 解释为局部行为，不优化，效率低，易于精确控制，与平台不直接相关。 编译和解释在现代语言实现

7、中结合考虑2022-4-13课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君本来存在的事务或属性，从某个角度上看不到。 封装的结果 指令集、API等方式提供接口在一个计算机系统中，低层机器的属性往往对高层机器的程序员透明计算机组成设计的内容，对传统机器程序员来讲一般要求透明2022-4-14课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君传统机器级的概念性结构和功能特性 对高级语言的程序员-透明 对汇编语言的程序员-不透明存储器采用交叉存取还是并行存取、CPU内部的数据通路的宽度(8位or16位) 对计算机系统结构-透明 对计算机组成-不透明2022-4-15课程编号：13041000山东

8、大学软件学院 戴鸿君以软件为主，实现层次的抽象和封装虚拟机器（Virtual Machine） Java虚拟机、.NET框架 中间层和实现上下承接模拟机（Simulator） Vmware、VirtualPC 模拟机器，运行OS和软件应用于服务器的虚拟化2022-4-16课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君有利于人们正确理解计算机系统的工作，明确软硬件和固件在计算机系统的地位和作用。理解各种语言的实质及其实现。有利于探索虚拟机器新的实现途径，便于设计新的系统。 有助于理解计算机体系结构的含义，从而合理地进行计算机系统的开发和设计。 2022-4-17课程编号：13041000山东

9、大学软件学院 戴鸿君“IC上容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。” Intel(名誉)董事长戈登摩尔（Gordon Moore） 1、集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番。 2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一倍。 3、用相同美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。2022-4-18课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君From http:/ 戴鸿君全硬件、软硬件结合、全软件 逻辑上等价 硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少 软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多发展趋势 硬件实现的比例越来越高

10、 硬件所占的成本越来越低2022-4-20课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君首先判断哪些属性最重要，然后在不超出成本的范围内追求性能最高计算机设计的三个方面 指令集系统 组织结构 硬件实现（集成电路布线、封装、冷却等）设计的协同和优化 编译器、操作系统、指令集协同 硬件设计的前端和后端设计协同2022-4-21课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君晶体管密度每年35%增加 45纳米已经成熟半导体DRAM密度每年50%增加 访问速度增加较慢磁盘存储密度每年100%增加 访问速度增加较慢 新型存储介质，如FLASH、蓝光DVD等网络技术，每年增长超过100% 1G以太网

11、，100M无线网2022-4-22课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君单位成本必然随时间递减 研发中的学习费用 产量增大摊薄成本（产量1倍，成本降10%？ ）对于计算机系统 芯片成本在下降 机箱、电源价格稳定注意成本和价格的关系 研发费用占4%（PC)到12%（大服务器）硬件研发成本随时间下降，软件成本随时间在上升2022-4-23课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君Computer Architecture对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下的功能进行分配。 1964年，IBM360系列设计者，G.M. Amdahl、G.A. Blaa

12、uw、F.P. Brooks等人提出 从程序员的角度所看到的系统属性 概念上的结构和功能上的行为2022-4-24课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君从两个角度理解： 从应用程序设计者-外特性 从计算机系统设计者-内特性 计算级系统结构的内涵 研究软件、硬件功能的分配和对软件、硬件界面的确定，完成计算机软、硬件的一体设计。 研究软硬件结合以完成计算需求的方法，包括软件设计。 狭义的理解偏向于硬件设计2022-4-25课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君1964年4月7日宣布，总投资50亿美元 “曼哈顿工程”总花费20亿美元 360就是360度的意思，集成电路的计算机

13、通用化、系列化和标准化 既适于事务处理，又便于科学计算 系列中各机型具有兼容性 标准的输入输出接口和通用的输入输出设备，如磁带机、打印机等 软件既有兼容性又有可扩充性IBM370实现了软件的向下兼容2022-4-26课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君计算机系统的概念性结构和功能特性范围内容 指令系统、数据表示、操作数的寻址方式 寄存器的构成定义、中断机构和例外条件 存储体系和管理、I/O结构 机器工作状态定义和切换、信息保护在所有系统结构的特性中，指令系统的外特性是最关键 指令代表了对机器的直接控制手段2022-4-27课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君Comp

14、uter Organization系统结构的实现 机器指令级的各种功能和特性的实现 研究硬件系统各组成部分的内部构造和相互联系 包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等 2022-4-28课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君数据通路宽度各种操作功能部件的共享程度专用部件的设置功能部件的并行性缓冲和排队技术控制机构的组成方式预测技术可靠性技术2022-4-29课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君Computer Implementation是计算机组成的物理实现和工艺等研究各部件的物理结构、机器的制造技术和工艺等物理器件的选择，逻辑电路设计和微组装技术等202

15、2-4-30课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君以系统论理解计算机，不要孤立 不具有绝对的上下层次关系参考住房者、建筑系和土木系的关系2022-4-31课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君还是在盖茅草屋?2022-4-32课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君指令系统 指令系统的确定-系统结构 指令的实现-组成 具体电路、器件设计及装配技术-实现乘法指令 是否设乘法指令-系统结构 用高速乘法器还是加法器移位器实现-组成 器件的类型、数量及组装技术的确定-实现2022-4-33课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君主存系统 主存容量与编址方式的

16、确定-系统结构 主存速度的确定、逻辑结构的模式-组成 器件的选定、电路的设计、组装技术-实现什么样的系列机属系统结构，系列内的不同型号计算机的组织属组成2022-4-34课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君乘法指令采用专用乘法器实现 对系统结构 透明 对计算机组成不透明存储器采用哪种芯片 对计算机系统结构和组成透明 对计算机实现不透明指令执行采用串行、重叠还是流水控制方式，对系统结构来说是透明的，但对计算机组成来说不是透明的（？） 理想主义的观点2022-4-35课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君相同系统结构不同的组成一种计算机组成多种计算机实现 取决于计算机系统的性能、价格及器件技术等综合方面系统结构的设计必须结合应用来考虑 要为软件和算法的实现提供硬件支持2022-4-36课程编号：13041000山东大学软件学院 戴鸿君计算机组成的设计，其上决定于计算机系统结构，其下受限于所用的实现技术。 微程序控制（目前已经广泛应用）计算机实现，特别是器件技术的发展是计算机系统结构和组成的基础。随着技术的发展，三者关系融合于一体，难以分开。 2022-4-37