第1章计算机系统结构的基本概念本章学习内容1.1计算机系统的层次结构2.计算机系统软硬件功能分配的原则1.1.2基本概念3.解释（interpret）将一种语言的一条指令或一个语句转换为等效的另一种语言的一串指令后立即执行。特点：占用存储空间少，执行效率低，速度慢。l.1.3计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构划分为多级层次结构的优点：（1）便于理解计算机的整体工作概念及目前软硬件的作用和地位；（2）便于认识语言的实质和实现方法；（3）便于搜索虚拟机的新的实现方法，设计新的计算机系统；（4）便于正确理解计算机系统结构的意义，更好地进行系统设计。1.2计算机系统结构的概念1.2.2计算机系统结构2.系统结构包含的主要内容1.2.3计算机组成(1)数据通路宽度(2)功能部件的设置(3)系统内部并行性的确定(4)各种操作对功能部件的共享程度(5)可靠性技术的应用(6)缓冲、排队、预估、预测技术的应用(7)存储器逻辑组织方式及速度的确定(8)控制器的逻辑结构及组成方式(9)功能部件的互连方式及总线结构1.2.4计算机实现(1)CPU、主存等各种部件的物理结构(2)器件的集成度与速度的选择(3)信号传输技术的确定(4)器件、模块、插件、底板的划分与连接(5)电源、地线、通风、冷却等技术(6)整机的装配与调试对于系统程序员，系统结构是不透明的，组成和实现是透明的；对于应用程序员(一般指高级应用程序员)，系统结构、组成和实现均是透明的例：某机主存容量为32MB——系统结构问题采用模4交叉存储方式——组成问题使用1M×4位的存储芯片组装——实现问题。例：某机设有乘法指令——系统结构问题采用布斯乘法算法和阵列乘法器实现乘法运算——组成问题选用4位阵列乘法器芯片组装——实现问题1.2.5系统结构、组成、实现之间的关系1.2.6计算机系统的分类与分型单指令流、单数据流(SISD-SingleInstructionSingleData)结构单指令流、多数据流(SIMD-SingleInstructionMultipleData)结构多指令流、单数据流(MISD)结构多指令流、多数据流(MIMD)结构类型缺点：冯氏分类法（略述）1.2.6.2计算机系统的分型1.3定量分析技术2.Amdahl定律⑴计算机完成某个任务的总时间中可被改进的时间所占的比例fe。0≤fe≤1⑵改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施前性能提高的倍数rere＞1设改进前完成某任务的总时间为To，改进后完成某任务的总时间为Tn，则其中(1-fe)为不可改进部分，为改进部分现在的执行时间。则加速比为：显然当fe＝0时，表示没有可改进的部分Sp＝1。当re→∞时，→0，Sp→可见Sp受到fe的限制。例：设将某系统的某一功能的处理速度加快到10倍，若该功能的处理时间为整个系统运行时间的40%，问采用加快措施后，能使整个系统的性能提高多少？解：由题意可知，re＝10，fe＝40%＝0.4，则加速比Sp为：Sp与fe的关系例：设要提高求浮点数平方根运算FPSQR的操作性能，有以下两种方案：⑴采用FPSQR运算硬件，使操作速度提高到10倍，设FPSQR运算占整个程序执行时间的20%。⑵使所有浮点运算指令的速度提高到2倍，设浮点运算指令在程序中占50%。请比较两种方案对系统性能的影响。解：可用加速比来对两种方案进行比较。方案1：方案2：可见方案2较好，因为它提高了所有浮点运算指令的速度且所有浮点运算指令所占的比例较大。3计算机性能提高的几个阶段1.3.2程序访问局部性规律*计算机系统的设计技术2.计算机系统设计方法与过程1.由上往下（Top-Down）面向应用的高级语言虚拟机器级2.由下往上（Bottom-Up)应用虚拟机器级3.中间法（Middle-Out)2)过程：1.3.3计算机性能指标2.CPU时间CPU影响程序的时间，其中不包括I/O等待时间以及CPU转去运行其他程序所花的时间。可分为：系统CPU时间：运行系统程序的时间用户CPU时间：运行用户程序的时间系统CPU时间难以统计，用户CPU时间是衡量CPU性能的主要指标。1.3.3.2CPU的性能Ii：第i类指令在程序中的执行次数。CPIi：第i类指令所需的平均时钟周期数。n：指令类型数。Ii/IN：第i类指令在程序中所占的比例。例：使用40MHz主频的标量机执行一个测试程序，程序的指令类型及CPI如下表所示。试计算机器的平均CPI和CPU时间。解：①平均CPICPI＝(45000×2＋32000×4＋15000×6＋8000×2)/(45000＋32000＋15000＋800