计算机组成原理与系统结构 第1章 绪论.ppt

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1、1Computer System Organization and Architecture第一章第一章 绪论绪论 n1.1 1.1 计算机的发展简史计算机的发展简史 n1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成 n1.3 1.3 计算机系统计算机系统 n1.4 1.4 计算机系统结构、组成和实现计算机系统结构、组成和实现 n1.5 1.5 计算机的应用与发展计算机的应用与发展2Computer System Organization and Architecture返回目录1.1 1.1 计算机的发展简史计算机的发展简史 计计算算机机是是人人类类智智慧慧的的结结晶晶，迄迄今今为为止止，

2、计计算算机机的的发发展展经经历历了了380380多多年年。计计算算机机大大致致可可分分为为两两大大种种：机械计算机和电子计算机。机械计算机和电子计算机。电子计算机是指不需要人工直接干预，能够电子计算机是指不需要人工直接干预，能够自动、高速、准确地对各种信息进行高速处理以自动、高速、准确地对各种信息进行高速处理以及存储的电子设备。电子计算机分为两类：电子及存储的电子设备。电子计算机分为两类：电子模拟计算机和电子数字计算机。电子模拟计算机模拟计算机和电子数字计算机。电子模拟计算机中处理的信息是连续变化的物理量，运算过程是中处理的信息是连续变化的物理量，运算过程是连续的；电子数字计算机中处理的信息是

3、在时间连续的；电子数字计算机中处理的信息是在时间上离散的数字量，运算过程是不连续的。如，在上离散的数字量，运算过程是不连续的。如，在电子数字计算机中往往用输出信号电平的高低或电子数字计算机中往往用输出信号电平的高低或脉冲的有无来表示数值脉冲的有无来表示数值“1 1”或或“0 0”，这样就可，这样就可以用一串在时间上彼此离散的量来表示一个数。以用一串在时间上彼此离散的量来表示一个数。3Computer System Organization and Architecture返回目录1.1.1 1.1.1 电子数字计算机的发展简史电子数字计算机的发展简史 19461946年，第一台电子数字计算机年

4、，第一台电子数字计算机ENIACENIAC（Electronic Numerical Integrator Electronic Numerical Integrator And ComputerAnd Computer）在美国陆军部的资助下，由美在美国陆军部的资助下，由美国宾夕法尼亚大学研制出来。国宾夕法尼亚大学研制出来。从第一台电子数字计算机诞生至今的从第一台电子数字计算机诞生至今的5050多多年里，计算机科学技术一直在飞速地发展，其年里，计算机科学技术一直在飞速地发展，其发展速度是人类科技史上任何其他学科所无法发展速度是人类科技史上任何其他学科所无法比拟的。根据组成计算机的电子器件，一般

5、把比拟的。根据组成计算机的电子器件，一般把电子数字计算机分为四个阶段，习惯上称为四电子数字计算机分为四个阶段，习惯上称为四代。代。4Computer System Organization and Architecture返回目录 第第一一代代：电电子子管管计计算算机机（1946195519461955），将将电电子子管管和和继继电电器器用用绝绝缘缘导导线线互互连连在在一一起起构构成成计计算算机机，代代表表性性的的计计算算机机有有ENIACENIAC、美美国国IBMIBM的的650650小小型型机机和和701701计算机。计算机。第第二二代代：晶晶体体管管计计算算机机（195519651955

6、1965），采采用用晶晶体体管管和和印印制制电电路路构构成成计计算算机机。后后来来又又采采用用了了铁铁氧氧体体的的磁磁芯芯存存储储器器。代代表表性性的的计计算算机机有有美美国国控控制制数据公司的数据公司的CDC1604CDC1604，IBMIBM的的70307030等。等。第三代：中小规模集成电路计算机第三代：中小规模集成电路计算机（1965197419651974），采用中小规模集成电路和多层），采用中小规模集成电路和多层印制电路。代表性的计算机有印制电路。代表性的计算机有IBM360IBM360、IBM370IBM370、CDC6600/7600CDC6600/7600、TexasTexa

7、s仪表公司的仪表公司的ASCASC、Digital Digital EquipmentEquipment公司的公司的PDP-8PDP-8等。等。5Computer System Organization and Architecture返回目录 第四代：大规模或超大规模电路计算机第四代：大规模或超大规模电路计算机（19741974），采用大规模或超大规模电路和半导），采用大规模或超大规模电路和半导体存储器构成计算机，体存储器构成计算机，7070年代初，半导体存储年代初，半导体存储器问世，迅速取代了磁芯存储器在计算机中的器问世，迅速取代了磁芯存储器在计算机中的地位，并不断地向大容量、高速度的方向

8、发展，地位，并不断地向大容量、高速度的方向发展，此后，存储器芯片集成度大致每三年翻两番，此后，存储器芯片集成度大致每三年翻两番，这就是著名的摩尔定律。因为芯片性能呈指数这就是著名的摩尔定律。因为芯片性能呈指数增长已放缓，所以摩尔定律已渐渐不再适用。增长已放缓，所以摩尔定律已渐渐不再适用。本时期代表性的计算机有本时期代表性的计算机有VAX9000VAX9000、CrayXCrayX-MP-MP、IBM/3090VFIBM/3090VF等。等。6Computer System Organization and Architecture返回目录1.1.2 1.1.2 冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机 存

9、存储储程程序序概概念念是是冯冯诺诺依依曼曼等等人人于于19461946年年6 6月月在在一一篇篇题题为为电电子子计计算算机机装装置置逻逻辑辑结结构构初初探探的的报报告告中中首首次次提提出出来来的的，该该报报告告的的内内容容概概括括为为以以下下三三个基本特点：个基本特点：计计算算机机由由运运算算器器、控控制制器器、存存储储器器、输输入入设设备和输出设备五大部分组成。备和输出设备五大部分组成。计算机内部以二进制代码表示指令和数据。计算机内部以二进制代码表示指令和数据。采用存储程序的方式。采用存储程序的方式。将将事事先先编编好好的的程程序序（包包括括数数据据）存存入入到到同同一一个个存存储储器器，然

10、然后后再再启启动动计计算算机机工工作作，计计算算机机自自动动、连连续续地地从从存存储储器器中中取取出出指指令令并并运运行行，这这个个过过程程不不需要人工干预。需要人工干预。7Computer System Organization and Architecture返回目录1.1.3 1.1.3 计算机的分类计算机的分类 计计算算机机的的规规模模由由计计算算机机的的一一些些主主要要技技术术指指标标来来衡衡量量，如如运运算算速速度度、存存储储容容量量、输输入入和和输输出出能能力力等等。计计算算机机按按照照其其规规模模可可分分为为大大型型机机、巨巨型型机机、小型机、微机和工作站等。小型机、微机和工作

11、站等。大型机大型机 大大型型机机最最初初是是指指装装在在非非常常大大的的、带带框框的的铁铁盒盒子子里里的的大大型型计计算算机机系系统统，以以用用来来同同小小一一些些的的机机器器有有所所区区别别。比比较较具具有有代代表表性性的的大大型型机机有有6060年年代代的的IBM360IBM360、7070年年代代和和8080年年代代的的IBM370IBM370、9090年年代代的的IBMS/390IBMS/390等。等。大型机的运算速度非常快，具有高可靠性、大型机的运算速度非常快，具有高可靠性、高稳定性、安全性和强大的数据处理能力。高稳定性、安全性和强大的数据处理能力。8Computer System

12、Organization and Architecture返回目录 巨型机巨型机 尽尽管管大大型型机机的的运运算算速速度度很很快快，但但是是国国防防、气气象象等等领领域域需需要要有有运运算算速速度度更更快快的的计计算算机机来来处处理理数数据据，所以出现了巨型机。所以出现了巨型机。著著名名的的巨巨型型机机如如：美美国国的的克克雷雷系系列列(Cray-Cray-1,Cray-21,Cray-2，Cray-3Cray-3、Cray-4Cray-4等等)；我我国国自自行行研研制制的的银银河河-I I（每每秒秒运运算算1 1亿亿次次以以上上）、银银河河-IIII（每每秒秒运运算算了了1010亿亿次次以以

13、上上）和和银银河河-IIIIII（每每秒秒运运算算100100亿亿次以上）也都是巨型机。次以上）也都是巨型机。9Computer System Organization and Architecture返回目录 小型机小型机 小小型型机机是是指指运运行行原原理理类类似似于于PCPC机机和和服服务务器器，但但性性能能及及用用途途又又与与它它们们截截然然不不同同的的一一种种高高性性能能计计算算机机。小小型型机机一一般般用用于于工工业业自自动动控控制制、信信号号处处理理、医医疗疗设设备备的的数数据据采采集、企业管理等方面。集、企业管理等方面。比较有名的小型机有美国比较有名的小型机有美国DECDEC公

14、司生公司生产的产的VAXVAX系列机、系列机、PDP-11PDP-11；惠普的惠普的HP1000HP1000、HP 9000HP 9000；国产的浪潮、曙光等等。国产的浪潮、曙光等等。10Computer System Organization and Architecture返回目录 微机微机 微微型型计计算算机机简简称称微微机机，是是目目前前发发展展最最快快、应应用用最最广广泛泛的的一一种种计计算算机机。19711971年年月月1111月月美美国国IntelIntel公公司司推推出出了了世世界界上上第第一一台台微微机机MCS-4MCS-4，中中央央处处理理器器采采用用Intel4004In

15、tel4004。19811981年年，IBMIBM推推出出了了IBM IBM PCPC机机，IBMIBM的的PCPC机很快成为微机市场的主流产品。机很快成为微机市场的主流产品。工作站工作站 工工作作站站是是个个人人使使用用的的台台式式计计算算机机系系统统，是是一一种种具具有有高高速速数数据据处处理理能能力力、高高性性能能的的图图形形处处理理系系统统。它它具具有有良良好好的的人人机机界界面面和和通通用用的的操操作作系系统统（window window NTNT、UNIXUNIX等等），标标准准的的网网络络互互联联接接口口和和标标准准的的输输入入输出接口。输出接口。11Computer Syste

16、m Organization and Architecture返回目录1.2 1.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成 一一台台计计算算机机的的基基本本组组成成部部件件有有五五个个：运运算算器器、控控制制器器、存存储储器器、输输入入设设备备和和输输出出设设备备。目目前前，运运算算器器和和控控制制器器已已经经被被集集成成到到一一个个小小芯芯片片上上，称称为为中中央央处理器，简称处理器，简称CPUCPU（Central Processing UnitCentral Processing Unit）。）。运算器运算器 运运算算器器是是对对数数据据或或信信息息进进行行处处理理和和运运算算的的部部件件。

17、经经常常进进行行的的运运算算有有算算术术运运算算和和逻逻辑辑运运算算，算算术术运运算算包包括括加加、减减、乘乘、除除等等，逻逻辑辑运运算算包包括括与与、或或、非非等等，这这些些运运算算是是由由算算术术逻逻辑辑部部件件（Arithmetic Arithmetic and and Logical UnitLogical Unit，ALUALU）来完成。来完成。运运算算器器中中还还有有很很多多个个通通用用寄寄存存器器，用用来来临临时时存存放放操作数，运算结束后用来存放运算结果。操作数，运算结束后用来存放运算结果。12Computer System Organization and Architect

18、ure返回目录 控制器控制器 控控制制器器的的主主要要功功能能是是实实现现计计算算机机本本身身运运行行过过程程的的自自动动化化，控控制制整整个个计计算算机机的的各各部部件件进进行行有有条不紊的工作。条不紊的工作。控控制制器器从从主主存存中中一一条条一一条条地地把把指指令令取取出出来来，然然后后加加以以分分析析，向向各各部部件件发发出出相相应应的的控控制制信信号号以以执执行行指指令令所所规规定定的的操操作作。计计算算机机中中各各部部件件之之间间往往来来的的信信号号有有三三种种：地地址址信信号号、数数据据信信号号和和控制信号。控制信号。控制器中还有一些专用的寄存器，如程序控制器中还有一些专用的寄存

19、器，如程序计数器（计数器（PCPC），），地址寄存器等等。地址寄存器等等。13Computer System Organization and Architecture返回目录 存储器存储器 存储器的功能是存储器的功能是用来存放程序和数据。用来存放程序和数据。按照在计算机中地位按照在计算机中地位的不同，存储器可分的不同，存储器可分为高速缓冲存储器、为高速缓冲存储器、主存储器和辅助存储主存储器和辅助存储器，它们组成一个三器，它们组成一个三层的存储系统。如图层的存储系统。如图1.11.1所示。所示。14Computer System Organization and Architecture返回目

20、录 输入设备输入设备 输输入入设设备备的的功功能能是是把把人人们们编编好好的的程程序序以以及及数数据据送送到到计计算算机机中中，并并将将它它们们转转换换成成计计算算机机内内部部所能识别和接受的编码，如所能识别和接受的编码，如ASCASC等等。常用的输入设备有键盘、鼠标等。常用的输入设备有键盘、鼠标等。输出设备输出设备 输输出出设设备备的的功功能能是是输输出出计计算算机机的的处处理理结结果果，输出形式有数字、文字、字母、图形、图像等。输出形式有数字、文字、字母、图形、图像等。常用的输出设备有显示器、打印机等。常用的输出设备有显示器、打印机等。15Computer System Organizat

21、ion and Architecture返回目录上述上述5 5个部分就组成了一台计算机，如图个部分就组成了一台计算机，如图1.21.2所示。所示。16Computer System Organization and Architecture返回目录1.3 1.3 计算机系统计算机系统 1.3.1 计算机系统的组成计算机系统的组成 一台完整的计算机系统由硬件和软件组成。一台完整的计算机系统由硬件和软件组成。硬件是计算机系统的基础，而软件则如同计算硬件是计算机系统的基础，而软件则如同计算机系统的灵魂，两者缺一不可，相辅相成。目机系统的灵魂，两者缺一不可，相辅相成。目前，硬件和软件相互渗透，相互融合

22、，使得硬前，硬件和软件相互渗透，相互融合，使得硬件和软件的分界线越来越模糊，在硬件和软件件和软件的分界线越来越模糊，在硬件和软件之间出现了固件。之间出现了固件。17Computer System Organization and Architecture返回目录 计算机系统采用何种实现方式，要从效率、计算机系统采用何种实现方式，要从效率、速度、价格、资源状况、可靠性等多方面因素全速度、价格、资源状况、可靠性等多方面因素全盘考虑，对软件、硬件及固件的取舍进行综合平盘考虑，对软件、硬件及固件的取舍进行综合平衡。软件和硬件在逻辑功能上是等效的，同一逻衡。软件和硬件在逻辑功能上是等效的，同一逻辑功能既

23、可以用软件也可以用硬件或固件实现。辑功能既可以用软件也可以用硬件或固件实现。从原理上讲，软件实现的功能完全可以用硬件或从原理上讲，软件实现的功能完全可以用硬件或固件完成；同样，硬件实现的逻辑功能也可以由固件完成；同样，硬件实现的逻辑功能也可以由软件模拟来完成，只是性能、价格以及实现的难软件模拟来完成，只是性能、价格以及实现的难易程度不同而已。例如，在计算机中实现十进制易程度不同而已。例如，在计算机中实现十进制乘法这一功能，既可以用硬件来实现，也可以用乘法这一功能，既可以用硬件来实现，也可以用软件来完成。软、硬件的功能分配比例可以在很软件来完成。软、硬件的功能分配比例可以在很宽的范围内变化，这种

24、变化是动态的。宽的范围内变化，这种变化是动态的。18Computer System Organization and Architecture返回目录 软软、硬硬件件功功能能分分配配的的比比例例随随不不同同时时期期以以及及同同一一时时期期的的不不同同机机器器的的变变化化而而变变化化。由由于于软软、硬硬件件是是紧紧密密相相关关的的，软软、硬硬界界面面常常常常是是模模糊糊不不清清的的，因因此此在在计计算算机机系系统统的的功功能能实实现现上上，有有时时候候很很难难分分清清哪哪些些功功能能是是由由硬硬件件完完成成的的，哪哪些些功功能能是由软件完成的。是由软件完成的。从从目目前前软软、硬硬件件技技术术的

25、的发发展展速速度度及及实实现现成成本本上上看看，随随着着器器件件技技术术的的高高速速发发展展，特特别别是是半半导导体体集集成成技技术术的的高高速速发发展展，以以前前由由软软件件来来实实现现的的功功能能，越越来来越越多多的的由由硬硬件件来来实实现现，总总的的来来说说，软件硬化是目前计算机系统发展的主要趋势。软件硬化是目前计算机系统发展的主要趋势。19Computer System Organization and Architecture返回目录1.3.2 1.3.2 计算机系统的多层结构计算机系统的多层结构 现代计算机是通过执行指令来解决问题的，现代计算机是通过执行指令来解决问题的，它由软件和

26、硬件两大部分组成。描述一个任务它由软件和硬件两大部分组成。描述一个任务如何实现的指令序列称为程序，所有程序在执如何实现的指令序列称为程序，所有程序在执行前都必须转换成计算机能识别且能直接执行行前都必须转换成计算机能识别且能直接执行的机器指令。这些机器指令与机器硬件直接对的机器指令。这些机器指令与机器硬件直接对应，并能被其直接识别和执行，然而使用机器应，并能被其直接识别和执行，然而使用机器语言编程既不方便，也无法适应解题需要和计语言编程既不方便，也无法适应解题需要和计算机应用范围的扩大。这个问题可从两方面去算机应用范围的扩大。这个问题可从两方面去解决，前提都是需要设计一个比机器指令更方解决，前提

27、都是需要设计一个比机器指令更方便使用或编程的指令集合，由它构成新的语言，便使用或编程的指令集合，由它构成新的语言，例如汇编语言。例如汇编语言。20Computer System Organization and Architecture返回目录 汇编语言是一种符号语言，给程序员编程汇编语言是一种符号语言，给程序员编程提供了方便，但尽管每个语句仍基本上与机器提供了方便，但尽管每个语句仍基本上与机器指令对应，却并不能被机器直接识别和执行。指令对应，却并不能被机器直接识别和执行。用汇编语言开发的程序需要某种转换才能在实用汇编语言开发的程序需要某种转换才能在实际机器上执行：一种是翻译（际机器上执行：一

28、种是翻译（translationtranslation），），即在执行汇编语言源程序之前生成一个等价的即在执行汇编语言源程序之前生成一个等价的机器语言指令序列来替换它，然后再在机器上机器语言指令序列来替换它，然后再在机器上执行目标程序以获得结果；另一种是解释执行目标程序以获得结果；另一种是解释（interpretationinterpretation），），即用机器指令写一个程即用机器指令写一个程序，将汇编语言源程序作为输入数据，按顺序序，将汇编语言源程序作为输入数据，按顺序检查它的每条指令，然后直接执行等效的机器检查它的每条指令，然后直接执行等效的机器指令序列来解决问题。指令序列来解决问题。

29、21Computer System Organization and Architecture返回目录 汇编语言源程序可以在机器上运行并获得汇编语言源程序可以在机器上运行并获得结果，是因为有汇编程序的支持。在汇编语言结果，是因为有汇编程序的支持。在汇编语言程序设计者看来，就好像有了一台用汇编语言程序设计者看来，就好像有了一台用汇编语言作为机器语言的机器。这里的机器是指能存储作为机器语言的机器。这里的机器是指能存储和执行程序的算法和数据结构的集合体。我们和执行程序的算法和数据结构的集合体。我们把以软件为主实现的机器称为虚拟机器，而把把以软件为主实现的机器称为虚拟机器，而把由硬件和固件实现的机器称

30、为实际机器。显然，由硬件和固件实现的机器称为实际机器。显然，虚拟机器的实现是构筑在实际机器之上的。虚拟机器的实现是构筑在实际机器之上的。22Computer System Organization and Architecture返回目录 把计算机系统按功能划分为多个层次结构把计算机系统按功能划分为多个层次结构后，对各级的程序员而言，只要熟悉和遵守该后，对各级的程序员而言，只要熟悉和遵守该级语言的规范准则，所编写的程序就总能在此级语言的规范准则，所编写的程序就总能在此机器级上运行并得到结果，而不用了解该机器机器级上运行并得到结果，而不用了解该机器是如何实现的。各机器级的实现主要靠翻译或是如何实

31、现的。各机器级的实现主要靠翻译或解释，或者是这两者的结合。翻译是先用转换解释，或者是这两者的结合。翻译是先用转换程序将高一级机器级上的程序整个的转换成低程序将高一级机器级上的程序整个的转换成低一级机器级上可运行的等效程序，然后再在低一级机器级上可运行的等效程序，然后再在低一级机器级上实现的技术。解释则是在低一级一级机器级上实现的技术。解释则是在低一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过对高机器级上的一条语句或指令的功能，通过对高一级程序中的每条语句或指令逐条解释来实现一级程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。

32、的技术。23Computer System Organization and Architecture返回目录 从概念和功能从概念和功能上把一个复杂上把一个复杂的计算机系统的计算机系统看成是由多个看成是由多个机器级构成的机器级构成的层次结构层次结构 ，如图如图1.31.3所示。所示。24Computer System Organization and Architecture返回目录1.3.3 1.3.3 计算机系统的性能评价计算机系统的性能评价 计计算算机机系系统统的的性性能能评评价价是是研研究究计计算算机机的的一一个个重重要要方方面面，越越来来越越受受到到人人们们的的关关注注。计计算算机机

33、系系统统的的性性能能评评价价涉涉及及到到数数学学、概概率率统统计计、计计算算机机软软件件和和计计算算机机硬硬件件等等领领域域，既既有有理理论论问问题题，又又有有工工程程实实现现问问题题。现现在在计计算算机机系系统统的的性性能能评评价价已经发展成为一门独立的学科。已经发展成为一门独立的学科。时时间间是是衡衡量量计计算算机机系系统统性性能能的的标标准准，同同样样的的工工作作量量，花花费费的的时时间间越越少少速速度度越越快快，计计算算机机的的性能越高。性能越高。计算机系统的性能评价方法主要有两种：计算机系统的性能评价方法主要有两种：分析和测试。分析和测试。25Computer System Orga

34、nization and Architecture返回目录 1.1.分析分析 可可以以以以MIPSMIPS和和MFLOPSMFLOPS作作为为计计量量单单位位来来衡衡量量计计算算机系统的运算速度。机系统的运算速度。（1 1）MIPSMIPS MIPSMIPS是是Million Million Instructions Instructions Per Per SecondSecond的的缩缩写写，表表示示每每秒秒处处理理的的百百万万级级的的机机器器语语言言指指令令条条数。这是衡量数。这是衡量CPUCPU速度的一个指标。速度的一个指标。对于一个给定的程序，对于一个给定的程序，MIPSMIPS的定

35、义为：的定义为：26Computer System Organization and Architecture返回目录 （2 2）MFLOPSMFLOPS MFLOPSMFLOPS是是 Million Million Floating Floating Point Point Operations Operations Per Per SecondSecond的的缩缩写写。表表示示每每秒秒处处理理的百万级的百万级浮点指令条数。浮点指令条数。对于一个给定的程序，对于一个给定的程序，MFLOPSMFLOPS的定义为：的定义为：27Computer System Organization and A

36、rchitecture返回目录 2.2.测试测试 上述性能评价方法主要针对上述性能评价方法主要针对CPU，它没有考它没有考虑诸如虑诸如I/O结构，操作系统，编译程序的效率等结构，操作系统，编译程序的效率等系统性能的影响，因此难以准确评价计算机的实系统性能的影响，因此难以准确评价计算机的实际工作能力。际工作能力。用程序的运行速度来评价计算机性用程序的运行速度来评价计算机性能的方法是一种测试的方法。为了对一个计算机能的方法是一种测试的方法。为了对一个计算机系统的性能进行较为客观的评价，一般采用不同系统的性能进行较为客观的评价，一般采用不同层次的基准测试程序（层次的基准测试程序（Benchmarks

37、Benchmarks）来评价系统来评价系统性能。一个典型的基准测试程序是由一些计算机性能。一个典型的基准测试程序是由一些计算机公司发起成立的系统性能评价合作团体（公司发起成立的系统性能评价合作团体（SPECSPEC）所制订的一组测试程序。按其评价准确性递减的所制订的一组测试程序。按其评价准确性递减的顺序给出测试程序：顺序给出测试程序：28Computer System Organization and Architecture返回目录 （1 1）实实际际的的应应用用程程序序。如如C C语语言言的的各各种种编编译译程序。程序。（2 2）核核心心程程序序。从从实实际际程程序序中中抽抽取取出出少少量

38、量关关键键循循环环程程序序段段，并并用用它它们们来来评评价价机机器器的的性性能能。这这些些程程序序段段与与实实际际程程序序不不同同，任任何何用用户户都都不不会会真真正正运运行行这这些些核核心心程程序序，它它们们只只是是用用来来评评价价机机器性能。器性能。Linpack Linpack是一个典型的核心程序。是一个典型的核心程序。29Computer System Organization and Architecture返回目录 （3 3）综综合合基基准准测测试试程程序序。类类似似于于核核心心程程序序，与与实实际际应应用用相相差差很很大大，因因为为综综合合基基准准测测试试程程序序是是为为了体现平

39、均执行而人为编写的。了体现平均执行而人为编写的。基基准准程程序序法法是是目目前前一一致致承承认认的的测测试试性性能能的的较较好好方方法法，有有多多种种多多样样的的基基准准程程序序，如如主主要要测测试试整整数数性性能能的的基基准准程程序序，测测试试浮浮点点性性能能的的基基准准程程序序等等等等。下面介绍四个常见的基准程序。下面介绍四个常见的基准程序。整数测试程序整数测试程序 DhrystoneDhrystone是一个综合性的基准测试程序，它是一个综合性的基准测试程序，它是为了测试编译器和是为了测试编译器和CPUCPU处理整数指令和控制功能处理整数指令和控制功能的有效性，人为地选择一些典型指令综合起

40、来形的有效性，人为地选择一些典型指令综合起来形成的测试程序。成的测试程序。30Computer System Organization and Architecture返回目录 浮点测试程序浮点测试程序 在计算机科学工程应用领域内，浮点计算在计算机科学工程应用领域内，浮点计算工作量占很大比例，因此机器的浮点性能对系工作量占很大比例，因此机器的浮点性能对系统的应用有很大的影响。有些机器只标出单个统的应用有很大的影响。有些机器只标出单个浮点操作性能，如浮点加法、浮点乘法时间。浮点操作性能，如浮点加法、浮点乘法时间。而大部分工作站则使用而大部分工作站则使用LinpackLinpack和和Whetst

41、oneWhetstone基基准程序测得浮点性能。准程序测得浮点性能。LinpackLinpack主要测试向量性主要测试向量性能和高速缓存性能。能和高速缓存性能。WhetstoneWhetstone是一个综合性测是一个综合性测试程序，除测试浮点操作外，还测试整数计算试程序，除测试浮点操作外，还测试整数计算和功能调用等性能。和功能调用等性能。31Computer System Organization and Architecture返回目录 SPECSPEC基准程序（基准程序（SPEC benchmarkSPEC benchmark）SPECSPEC是是 System System Perfor

42、mance Performance Evaluation Evaluation CooperativeCooperative的的缩缩写写，是是几几十十家家世世界界知知名名计计算算机机大大厂厂商商所所支支持持的的非非盈盈利利的的合合作作组组织织，旨旨在在开开发发共同认可的标准基准程序。共同认可的标准基准程序。SPEC SPEC基准程序是由基准程序是由SPECSPEC开发的一组用于计开发的一组用于计算机性能综合评价的程序。以对算机性能综合评价的程序。以对VAX11/780VAX11/780机的机的测试结果作为基数，其他计算机的测试结果以测试结果作为基数，其他计算机的测试结果以相对于这个基数的比率来

43、表示。相对于这个基数的比率来表示。SPECSPEC基准程序基准程序能较全面地反映机器性能，有一定的参考价值。能较全面地反映机器性能，有一定的参考价值。32Computer System Organization and Architecture返回目录 TPCTPC基准程序基准程序 TPC TPC是是Transaction Processing CouncilTransaction Processing Council（事务处理委员会）的缩写，事务处理委员会）的缩写，TPCTPC基准程序是由基准程序是由TPCTPC开发的评价计算机事务处理性能的测试程序，开发的评价计算机事务处理性能的测试程序，

44、用以评价计算机在事务处理、数据库处理、企用以评价计算机在事务处理、数据库处理、企业管理与决策支持系统等方面的性能。业管理与决策支持系统等方面的性能。TPCTPC成立成立于于19881988年，目前已有年，目前已有4040多个成员，几乎包括了多个成员，几乎包括了所有主要的商用计算机系统和数据库系统。该所有主要的商用计算机系统和数据库系统。该基准程序的评测结果用每秒完成的事务处理数基准程序的评测结果用每秒完成的事务处理数TPCTPC来表示。来表示。TPCTPC基准测试程序在商业界范围内基准测试程序在商业界范围内建立了用于衡量机器性能以及性能价格比的标建立了用于衡量机器性能以及性能价格比的标准。准。

45、33Computer System Organization and Architecture返回目录1.4 1.4 计算机系统结构、组成和实现计算机系统结构、组成和实现 “计算机系统结构计算机系统结构”这个名词来自英文这个名词来自英文Computer ArchitectureComputer Architecture，也被译成也被译成“计算机体计算机体系结构系结构”。architecturearchitecture这个词原来用在建筑这个词原来用在建筑领域，领域，2020世纪世纪6060年代这个名词被引入计算机领年代这个名词被引入计算机领域。域。“计算机系统结构计算机系统结构”一词已经得到普遍

46、使一词已经得到普遍使用，它研究的内容不但涉及计算机硬件，也涉用，它研究的内容不但涉及计算机硬件，也涉及计算机软件，已经成为一门非常重要的学科。及计算机软件，已经成为一门非常重要的学科。34Computer System Organization and Architecture返回目录1.4.11.4.1 计算机系统结构计算机系统结构 计算机系统结构的基本概念计算机系统结构的基本概念 计计算算机机系系统统结结构构（Computer Computer ArchitectureArchitecture）是是AmdahlAmdahl等等人人在在19641964年年介介绍绍IBM360IBM360时时

47、提提出出来来的的，指指程程序序员员所所看看到到的的一一个个计计算算机机系系统统的的属属性性，即即概概念念性性结结构构和和功能特性。功能特性。按照计算机层次结构，不同程序设计者所看到的按照计算机层次结构，不同程序设计者所看到的计算机具有不同的属性。在计算机技术中，一种本来计算机具有不同的属性。在计算机技术中，一种本来存在的事物或属性，但从某种角度看却好像不存在，存在的事物或属性，但从某种角度看却好像不存在，这称为透明性。通常，在一个计算机系统中，低层机这称为透明性。通常，在一个计算机系统中，低层机器级的概念性结构和功能特性，对高级语言程序员来器级的概念性结构和功能特性，对高级语言程序员来说是透明

48、的。例如使用高级语言的程序员所看到的计说是透明的。例如使用高级语言的程序员所看到的计算机属性主要是软件子系统和固件子系统的属性，包算机属性主要是软件子系统和固件子系统的属性，包括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、网络软括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、网络软件等用户界面。件等用户界面。35Computer System Organization and Architecture返回目录 计算机体系结构主要研究硬件和软件功能的计算机体系结构主要研究硬件和软件功能的划分，确定硬件和软件的界面，即哪些功能应划划分，确定硬件和软件的界面，即哪些功能应划分给硬件子系统完成，哪些功能应划分到软件

49、子分给硬件子系统完成，哪些功能应划分到软件子系统中完成。这其中最重要的问题都直接和计算系统中完成。这其中最重要的问题都直接和计算机的指令系统有关，例如计算机的字长，计算机机的指令系统有关，例如计算机的字长，计算机硬件能够直接识别和处理的数据类型及其表示、硬件能够直接识别和处理的数据类型及其表示、存储、读写方式，指令系统的组成，指令类别、存储、读写方式，指令系统的组成，指令类别、格式和功能，支持的寻址方式，存储器、输入输格式和功能，支持的寻址方式，存储器、输入输出设备和出设备和CPUCPU之间数据传送的方式和控制，也包括之间数据传送的方式和控制，也包括中断的类型和处理流程，对各种运行异常或者出中

50、断的类型和处理流程，对各种运行异常或者出错的检测和处理方案等等，这些都是程序设计人错的检测和处理方案等等，这些都是程序设计人员编写出高质量程序并确保其正常运行必须深入员编写出高质量程序并确保其正常运行必须深入了解的计算机的属性。了解的计算机的属性。36Computer System Organization and Architecture返回目录 对对于于目目前前的的通通用用型型机机器器，计计算算机机系系统统结结构构（传统机器程序员所看到的属性）一般包括：（传统机器程序员所看到的属性）一般包括：（1 1）机机器器内内的的数数据据表表示示，包包括括硬硬件件能能直直接接识识别别和和处理的数据类型