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计算机系统结构胡伟武老师chapter01_引言

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计算机系统结构-教材

计算机系统结构-教材

计算机系统结构教材目录1. 引言1.1 背景和意义1.2 结构概述1.3 目的2. 计算机系统组成2.1 中央处理器(CPU)2.2 存储器2.3 输入输出设备(I/O)3. 计算机指令与运行流程3.1 指令集体系结构(ISA)3.2 控制单元(CU)与运算单元(ALU)3.3 数据通路与总线连接方式4. 存储器层次结构与缓存管理4.1 存储器层次结构概念4.2 缓存的工作原理与替换策略4.3 虚拟内存管理与页面置换算法5. 输入输出系统和外设控制5.1 I/O接口及其分类5.2 程序控制I/O和直接存储器访问(DMA)5.3 磁盘存储器和文件系统管理1. 引言1.1 背景和意义计算机系统结构是计算机科学中的重要领域，它研究了计算机硬件和软件之间的关系以及它们如何协同工作来实现高效的数据处理和信息交流。

在21世纪，计算机系统结构面临着越来越多的挑战和需求。

随着人们对于计算能力、存储容量和数据传输速度的不断追求，计算机系统结构在日常生活、科学研究、商业应用等各个领域都扮演着重要角色。

1.2 结构概述计算机系统结构主要包括中央处理器(CPU)、存储器、输入输出设备(I/O)和数据通路等组成部分。

中央处理器是计算机系统的核心，负责执行指令集并进行运算操作。

而存储器则用于存储程序代码和数据，以及缓存中间结果以加快处理速度。

输入输出设备则负责与外界进行信息交互，例如键盘、显示器、打印机等。

1.3 目的本教材旨在为读者提供一个全面且系统性的介绍计算机系统结构的教材。

通过学习本教材，读者将能够了解计算机硬件和软件之间的关系，掌握计算机指令与运行流程以及存储器层次结构与缓存管理的原理，进一步理解输入输出系统和外设控制的工作方式。

接下来，我们将逐一介绍计算机系统组成、计算机指令与运行流程、存储器层次结构与缓存管理以及输入输出系统和外设控制等内容。

希望本教材能够帮助读者深入理解计算机系统结构，并为相关领域的学习和研究提供基础知识。

计算机系统结构(第3版)教学课件第1章 计算机系统结构的概念

计算机系统结构(第3版)教学课件第1章 计算机系统结构的概念
访问。
解释：每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行 一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，
依此重复进行。
解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的 存储空间较少。
▲
9/79
1.2 计算机系统结构的概念
1.2.2 计算机系统结构的定义
1. 计算机系统结构的经典定义 程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能 特性。
部件加速比
＝
[
(1
－可改进比例)
可改进比例 + 部件加速比
]
×总执行时间改进前
▲
24/79
1.3 定量分析技术
系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比
加速比 ＝ 总执行时间改进前 总执行时间改进后
＝
1
可改进比例
（1－可改进比例）+ 部件加速比
▲
25/79
1.3 定量分析技术
例1.1 将计算机系统中某一功能的处理速度提高到原来的 20倍，但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的40%，则采 用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高多少？ 解 由题可知，可改进比例 = 40% = 0.4，
部件加速比 = 20 根据Amdahl定律可知：
1
总加速比
=
0.6
+
0.4 20
= 1.613
采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高到原 来的1.613倍。
▲
26/79
1.3 定量分析技术
例1.2 某计算机系统采用浮点运算部件后，使浮点运算速 度提高到原来的20倍，而系统运行某一程序的整体性能提高到 原来的5倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。 解 由题可知，部件加速比 = 20，系统加速比 = 5

第1章计算机系统结构概论

第1章计算机系统结构概论

人 为人民服务级 读书、学习级 语言、思维级
生理功能 5 级：高级语言虚拟机 第 4 级：汇编语言虚拟机 第 3 级：操作系统虚拟机 第 2 级：机器语言(传统机器级)
第 1 级：微程序机器级
计算机体系结构
计算机体系结构的定义：分经典和广义两种
一般将两种方法混合作用，对于使用频率高的指令用仿 真方法，而对于频率低而且难于仿真实现的指令使用模拟的 方法加以实现。
8088/80286 CPU PC/AT 总线
存储器 I/O 设备 (a) PC、XT 和 PC AT
80386
处理器总线/VL 总线
/80486 CPU
存储器 总线控制器
VL 设备
ISA 总线 I/O 设备
(b) 80386/80486 AT
Pentium CPU
处理器总线
总线控制器 1
存储器
PCI 总线
总线控制器 2 PCI 设备 ISA 总线
(c)
I/O 设备 Pentium AT
Pentium II CPU
处理器总线
AGP 总线 总线控制器 1 存储器
AGP 显示卡
PCI 总线
总线控制器 2 PCI 设备 ISA 总线
I/O 设备 (d) Pentium II AT
计算机型号
处理器型号 处理器上市 时间 处理器字宽 I/O总线
计算机网络
数字逻辑
通信与接口
计算机组成原理
计算机体系结构
操作系统
高级语言程序设计 数据结构
数据库原理及应用 软件工程
第一章 计算机体系结构的基本概念
计算机的分代
第一代：以电子管为主要逻辑器件（1945-1954）

计算机系统结构chap1

计算机系统结构chap1
•字串位串:n=1,m=1 •字并位串:n>1,m=1 •字串位并:n=1,m>1 •字并位并:n>1,m>1
最大并 行度
t(型号）=(k×k’，d×d’,w×w’)
k:程序控制部件的个数; k’:宏流水线中程序控制 部件的个数.
d:逻辑部件或处理部件的个数; d’:指令流水线中 算逻部件的个数.
w:算逻部件的套数; w’: 操作流水线中基本逻辑 线路的套数.
2
1.1.2 计算机系统结构定义
• 计算机系统结构：由程序设计者所看到的计算机的 系统属性，即概念性结构和功能特性。（Amdahl）
• 透明性：一种本来存在的事物或属性，但从某种角 度看似乎不存在。
– 优点 – 缺点
• 计算机系统结构的研究内容：软硬件功能分配、软 硬件界面确定。
2024/8/7
3
2024/8/7
41
性能比较方法(续2)
程序1 程序2 W(1) W(2) W(3)
表1.2 加权执行时间
A机
B机
C机
1秒
10秒
20秒
1000秒 100秒 20秒
500.50秒 55秒
20秒
91.82秒 18.18秒 20秒
2.00秒 10.09秒 20秒
W(1)=(0.5,0.5)W(2)=(0.909,0.091)W(3)=(0.999,0.001)
处理机种类/个数
单处理机、多处理机、并行处理 机、关联处理机、超标量处理机、 超流水线处理机、对称多处理机、 大规模并行处理机、机群系统等
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12
指令流
1.1.4 计算机系统的分类（续）数据流
2024/8/7
FLYNN 分类 冯氏分类

计算机系统结构01

计算机系统结构01

成汇编语言(或某种中间语言程序, 或机器语言程序)
第三级 虚拟机器
汇编语言机器级M3 具有L3机器语言（汇编语言）
汇编语言程序经汇编程序翻译
成机器语言程序
第二级 虚拟机器
操作系统机器级M2 具有L2机器语言(作业控制语言等)
一般使用机器语言程序解释作
业控制语句等
第一级 实际机器
传统机器级M1 具有L1机器语言（机器指令系统）
特定含义：层次结构中传统机器级的系统结构，界面
之上为软件，界面之下为硬件/固件。
计算机学院 COMPUTER ARCHITECTURE 12
第1章 计算机系统结构概论
1.2 计算机系统结构、计算机组成与计算机实现 1.2.1 定义与内涵
1.计算机系统结构 透明性：本来存在的事物或属性，从某个角度看却好
1.1 计算机系统的多级层次结构
1. 层次结构划分的角度 使用语言
2. 层次结构划分的目的
3. 多级层次结构的划分 操作系统的位置
计算机学院
COMPUTER ARCHITECTURE
3
第四级 虚拟机器
应用语言机器级M4 具有L4机器语言（应用语言）
应用语言程序经应用程序包翻
译成高级语言程序
第三级 虚拟机器
第1章 计算机系统结构概论
3.计算机实现（Computer Implementation） 定义：指的是计算机组成的物理实现。 着眼点：器件技术和微组装技术。 涉及范围：
处理机、主存等部件的物理结构
器件的集成度和速度 器件、模块、插件、底板的划分与连接 专用器件的设计 微组装技术 信号传输 电源、冷却及整机装配技术
高级语言机器级M3 具有L3机器语言（高级语言）

chapter1-1

chapter1-1

采用何种实现方法,要从整个计算机系统的效率 速度 造价、 采用何种实现方法 要从整个计算机系统的效率,速度、 造价 、 要从整个计算机系统的效率 速度、 资源等方面全面考虑，对软件、硬件、 资源等方面全面考虑，对软件、硬件、固件取舍进行综合平 衡。软件和硬件在逻辑功能上是等效的。 软件和硬件在逻辑功能上是等效的。 性能、价格、实现的难易程度等有所不同。 性能、价格、实现的难易程度等有所不同。具有相同功能的 计算机系统，其软、硬件功能分配比例可以在很宽的范围内 计算机系统，其软、 变化。 变化。 软件、硬件分配的比例主要看在满足应用的前提下， 软件、硬件分配的比例主要看在满足应用的前提下，能否充 分利用硬件、器件技术的现状和进展， 分利用硬件、器件技术的现状和进展，使系统达到教高的性 能价格比。 能价格比。
传统机器M1 具有L1机器语言（机器指令系统）
由微指令程序解释机器指令
微程序机器M0 具有L0机器语言（微指令系统）
微指令由硬件直接执行
第3级 虚拟机器 第2级 虚拟机器 第1级 实际机器 第0级 实际机器
汇编语言机器M3 具有L3机器语言（汇编语言）
汇编语言程序经汇编程序 翻译成机器语言程序
操作系统机器M2 具有L2机器语言（作业控制语言等）
高级语言机器M4 具有L4机器语言（高级语言）
汇编语言机器M3 具有L3机器语言（汇编语言）
操作系统机器M2 具有L2机器语言（作业控制语言等）
一般用机器语言程序解释 作业控制语句
传统机器M1 具有L1机器语言（机器指令系统）
由微指令程序解释机器指令
微程序机器M0 具有L0机器语言（微指令系统）
微指令由硬件直接执行
第1级 实际机器 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）

LEC01_计算机系统结构基础-计算机体系结构(第2版)-胡伟武-清华大学出版社


10
(3×4) + (5×7)?
• 3 ×4 =12 • 5 ×7=35 • 12+35 = 47
11
内存 CPU
3 457
12 35
47 读取 3
存读两存读入取数入取结相结果3457乘加果12
读取 4 两数相乘
存入结果1
读取 5
5132××+ 7435===132547
读取 7 两数相乘 存入结果2
64位微处理器 AMD K8 (2003)
CMOS工艺正在面临物理极限
• 在半导体工艺发展的头35年，半导体场效应管扩展的 努力集中在扩展性能（增加器件的速度）以及集成更 多的器件和功能到片上
• 最近5年，不断增加的器件特性的变化和芯片的功耗 密度成为主要的挑战。随着线宽尺寸的不断缩小， CMOS的方法面临着原子和量子机制的边界
20
摩尔定律支撑计算机发展
• 摩尔定律：晶体管数目每18-24个月翻一番；同样晶体管 数量的芯片价格下降一倍。
Quad-Core Itanium.Tukwila (2.4 Billion)
21
第一代到第四代
• 第一代：电子管计算机（1946-1958）
• 每秒几千到几万次运算
• 冯诺依曼结构
• 第二代：晶体管计算机（1958-1964）
6
高性能计算应用举例
• 核武器数值模拟全面核禁试条约签订后, 核武器 的数值模拟成为唯一可能进行的全系统试验。这种水 平的模拟所需要进行的计算远远超过了目前所能达到 的水平。美国为了满足2010 年核武器库管理的需求， 需要每秒运算 1016-17 次的计算机。
7
计算机的基本组成
8
现在的计算机中为什么用二进制？

1 计算机系统结构的基本概念



这些属性是由硬件或固件完成的功能!
1.2.3 计算机组成与实现
1、 计算机系统结构：计算机系统的软、硬件的界面。即 机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。 2、 计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现


包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及 逻辑设计等。 着眼于：物理机器级内各事件的排序方式与控制 方式、各部件的功能以及各部件之间的联系。
共享存储器为：紧耦 合 分布存储器为：松耦 合
PEn
1.3 定量分析技术 1.3.1 计算机系统设计的定量原理 4个定量原理：
1、以经常性事件为重点（大概率事件优先原则）


对经常发生的情况采用优化方法的原则，以得到 更多的总体上的改进。 优化是指分配更多的资源、达到更高的性能或 者分配更多的电能等。
L6：应用语言虚拟机 L5：高级语言虚拟机 L4：汇编语言虚拟机 L3：操作系统虚拟机 软件 硬/固件
L2：机器语言(传统机器级) L1：微程序机器级
1.２ 计算机系统结构的概念 1.2.1 计算机系统的层次结构
这一级是为满足某种 特殊用途而专门设计的， 因此这一级的语言就是 各种面向问题的应用语 言。例如可以设计专门 用于人工智能、教育、 行政管理、计算机设计 等方面的虚拟机。
L6：应用语言虚拟机 L5：高级语言虚拟机 L4：汇编语言虚拟机 L3：操作系统虚拟机 软件 硬/固件
L2：机器语言(传统机器级) L1：微程序机器级
1.２ 计算机系统结构的概念 1.2.1 计算机系统的层次结构

虚拟机：由软件实现的机器。以区别于由硬件 /固件实现的物理机器。

语言实现的两种基本技术：
器件特征：将电子管和继电器存储器用绝缘导 线互连在一起。 系统结构特征：由单个CPU 构成，CPU 用程 序计数器和累加器顺序完成定点运算，用CPU 程序控制I/O。

计算机系统结构01(概念_定量(北邮课件))


透明性概念
本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在 浮点数表示、乘法指令 对高级语言程序员、应用程序员 透明
对汇编语言程序员、机器语言程序员 不透明 数据总线宽度、微程序 对汇编语言程序员、机器语言程序员 透明 对硬件设计者、计算机维修人员 不透明
定义
计算机体系结构的定义之二： 计算机系统的软、硬件的界面，即机器语言程序员所看 到的传统机器级所具有的属性 —— 计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬 件界面的确定 • 计算机系统由软件、硬件和固器组成，它们在功能上是 同等的 • 同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现 • 不同的组成只是性能和价格不同
Computer Organization
计算机组成:指计算机系统结构的逻辑实现 主要包括： • 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
Computer Implementation
105
8086
每三年翻两番
104 103
70 4004 75 80 85 90 95 00 05
摩尔定律
存储器容量：60%/year
10G 1G 100M 10M 1M 100K 10K 1K 0.1K
70 80 90 00 10
每三年翻？番
year 1980 1983 1986 1989 1992 1996 2000
当处理器的性能以惊人的速度向前发展的时候，其 他部件（包括I/O系统）的速度没有跟上 —— 寻求 性能平衡的需要：调整组织与结构
Embedded Immanence
嵌入式微处理器

计算机系统结构胡伟武老师chapter00_课程介绍


• 硕士《计算机体系结构》：主要介绍CPU微结构
• 包括指令系统结构、二进制和逻辑电路、静态流水线、动态流水线 、多发射流水线、运算部件、转移猜测、高速缓存、TLB、多核对 流水线的影响等
• 博士《高级计算机体系结构》：主要强调实践性
• 通过设计真实的（而不是简化的）CPU，运行真实的（而不是简化 的）操作系统，对结构设计、物理设计、操作系统做到融会贯通 7
• 建立指令系统和晶体管之间的“桥梁”，硕士课程的重点内容
• 运算器设计、指令流水线（控制器设计）
• 第五部分：并行处理结构（第10-11章）
• 现代计算机通过多层次的并行性开发来提高性能
• 应用程序的并行行为、多核处理器
• 第六部分：计算机性能分析（第12章）
• 性能不由一两个具体指标决定，而是若干因素综合平衡的结果 • 计算机性能指标（计算机性能基准测试程序、计算机性能比较）、 计算机性能分析方法
• 从界限清晰到界限不清晰
• ISA：CISC、RISC => Transmeta、虚拟机
• 逻辑和电路：晶体管 => 晶体管+连线 应用、操作系统、编译系统
计算机系统结构（性能、价格、功耗）
逻辑设计、电路设计、工艺制造
6
国科大《计算机体系结构》课程设置
• 本科《计算机体系结构基础》
• 作为软硬件界面的指令系统结构，包含CPU、GPU、南北桥协同的 计算机硬件结构，CPU的微结构，并行处理结构，计算机性能分析 等五部分主要内容。
• 微体系结构（Micro-architecture）是微处理器的组织结构，并行体
系结构是并行计算机的组织结构。 • 冯诺依曼结构的存储程序和指令驱动执行原理是现代计算机体系结构
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  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• TPC（事务处理测试程序） • EEMBC（嵌入式基准测试程序） • LMBench（比较不同的unix系统性能）
33
SPEC CPU2000测试程序套件
34
SPEC CPU2006测试程序套件
SPEC CPU2000 Integer Benchmarks
400.perlbench
C
PERL Programming Language
从内存中取指令和数据进行运算并把结果也放到
19
内存中
冯诺依曼结构的优缺点
• 本质特征
• 存储程序和指令驱动执行 • 目前的计算机没有能突破该特征的，都是对冯诺依曼结构的
变种（如哈佛结构、并行结构等）
• 优点
• 自动、快速执行
• 缺点
• 指令驱动的顺序执行 • CPU和存储器分开，而且越来越远
20
冯诺依曼结构
• 骨架变大了（马变成了骆驼）：多访存部件、向量化、大队列…… • 细节做精了（结合应用的具体优化）
不同层次的“性能”
Application
Programming Language
Compiler
Answers per month Operations per second
ISA
(millions)MoefanIlinnsgtlersuscItnidoicnastiopneorf sPeroccoenssdo:r SMpeIePdS
空间传给GPU使用的显存，内存带宽不足 • 在独立显存的情况下，数据如何从内存传输到显存需要专门的机
制，如直接内存访问（Direct Memory Access，简称DMA）
13
上知天文、下知地理
• 指令就是应用的“算子”
• 哪些硬件实现？哪些软件实现？
• 结构设计结合应用行为
• Cache利用应用访存局部性 • 转移猜测利用转移相关性和重复性
• 翻一页
12
如果PPT翻页觉得卡顿？
• 系统中有没有其它任务在运行
• 任务会占用CPU、内存带宽、IO带宽等资源，
• CPU太慢，需要升级？
• PowerPoint翻页时，CPU干的活不多 • 可能是下一页包含很多图形，需要GPU画出来，GPU忙不过来 • 可能是要显示的内容数据量大，把数据从PowerPoint的应用程序
8
智能化的趋势与计算机的普及
• 智能化：把通用计算机技术应用于特定领域
• 智能手机 • 智能电视 • 智能电网 • ……
• 物联网：把通用计算机技术应用于控制类终端
9
（二）一以贯之
• 为什么我按一下键盘能够翻一页幻灯片？ • 应用程序（PowerPoint）、操作系统（Windows）、
以CPU为核心的硬件系统、晶体管是怎么协同工作的？ • 在上述过程中涉及的重要量化指标（性能、功耗、成
3
（一）什么是计算机
• 现代信息系统
• PC、服务器、高性能计算机…… • 防火墙、交换机、打印机……
• 数字化生活
• 手机、数码相机、数字电视……
• 武器装备
• 舰船、飞机、坦克、导弹控制等系统……
4
什么是计算机---现代信息系统
超 级 服 务 器
服 防火墙 务
器
打 印 机 扫
描
仪
路 由 器
Internet
本）的关系？
10
PPT翻页的硬件过程
• 以龙芯处理器为例
• 键盘产生一个信号送到桥片（南桥、北桥） • 桥片通过HT总线向处理器发出外部中断信号 • 外部中断信号传到控制寄存器模块与Cause的屏蔽位相与 • 如果没有被屏蔽，再传到寄存器重命名模块并附在四条指令的第一条
中送到ROB模块；由于该指令发生了例外，不会送到功能部件执行 • 当该指令成为ROB的第一条指令被提交时向所有模块发出取消信号，
频率(GHz) 3.80 2.33 3.00 3.20 3.20 3.33 2.67 3.10 3.50 2.90
SPEC_Int 11.5 14.0 17.5 25.3 32.1 34.5 35.9 34.1 45.8 55.4
SPEC_Fp 12.2 12.5 15.4 21.2 38.5 38.4 51.3 48.0 58.9 89.6
交换机 工作站
终端设备
5
什么是计算机---数字化生活
DVD
游戏机
可
Internet手机来自视 电 话家 庭
家庭网络
网
关
数字电视 数码相机
掌 上 电 脑 MP3
6
什么是计算机---武器装备
ICT Confidential
7
高性能计算应用举例
• 核武器数值模拟：全面核禁试条约签订后, 核武器的数值模拟 成为唯一可能进行的全系统试验。美国为了满足核武器库管理 的需求，需要每秒运算 1016-17 次的计算机。
32
常见的基准程序套件
• SPEC CPU基准测试程序
• System Performance Evaluation Cooperative（网址: ） • 随CPU性能提高已发展了6轮：1989、1992、1995、2000、2006、
2017 • SPEC CPU2000：12个定点程序，14个浮点程序 • SPEC CPU2006：12个定点程序，17个浮点程序
16
二进制的历史
• 莱布尼兹是欧洲最早发现二进制的数学家， • 冯.诺依曼最早将二进制引入计算机应用，计算机中的
数据和程序都采用二进制。 • 中国在公元前2000多年发明的八卦是用—和--两种符号
拼出来的 ，也是二进位制。
莱布尼兹为奥古斯特公爵制作的二进制纪念章
17
(3×4) + (5×7)?
• 3 ×4 =12 • 5 ×7=35 • 12+35 = 47
4GHz的Pentium IV到Haswell主要优化功耗
• 其它因素
• 体积、可靠性、稳定性、寿命 • 民用、工业用、军用、宇航用
• 性能、价格、功耗是计算机体系结构的主要研究内容 26
计算机怎样才能跑得快
用最少的指令描述一件事情 --算法，编译
每拍做更多的事情 --体系结构
提高‘芯’跳的速度 --主频
• 通过乱序执行、多发射、存储层次等提高IPC
• 主频
• 受工艺和微结构（流水线）的影响
29
主频 vs. 性能
CPU型号 Pentium4 670
T7600 Xeon 5160 Xeon X5482 Core i7-965 EE Xeon X5570 Xeon X5650 Core i3-2100 Xeon E3-1280 Xeon E5-2690
微体系结构 Netburst/P4 Core/Core 2 Duo Core/ Woodcrest Core/Harpertown Nehalem/Desktop Nelamen/Gainestown Nehalem/Gulftown Sandy Bridge/Desktop Sandy Bridge Sandy Bridge-EP
18
内存 CPU
3 457 12 35
存读两存读入取数入取结相结果3457乘加果12 5132××+ 7435===132547
冯诺依曼结构：数据和程序都在存储器中，CPU
47 读取 3 读取 4
两数相乘 存入结果1
读取 5 读取 7 两数相乘 存入结果2 读取结果1 读取结果2 两数相加 存入结果
计算机体系结构基础
胡伟武、苏孟豪
1
第01章：引言
• 计算机体系结构的研究内容
• 横向：什么是计算机 • 纵向：一以贯之
• 衡量计算机的指标
• 性能、成本、功耗
• 计算机体系结构的发展趋势
• 工艺和应用双动力的转化
• 计算机体系结构的设计原则
• 平衡性、局部性、并行性、虚拟化
2
计算机体系结构的研究内容
• ISA和微结构要考虑OS的需求
• 页表和TLB • 多线程支持、虚拟机支持
• 结构设计要考虑晶体管属性
• Cache容量影响主频 • 多发射结构发射电路影响主频
应用程序 三维图形 视频媒体 在线应用 办公软件
API（C、Java、JavaScript、QT、GIS……） 操作系统（API）
内核/GCC
• CPU发展过程中，随着技术本身的发展和需求的变化，矛盾 的主要方面在不断地变化
• Performance per second：IBM时代 • Performance per dollar ：Intel时代 • Performance per watt：ARM时代 • 低功耗的研究已经从学术界的研究到产业界的应用：从Intel放弃
27
（一）计算机的性能
• 性能的最本质定义
• 完成一个任务（如后天的天气预报）所需的时间 • 以指令为基本单位
CPUTime Seconds Instructions Cycles Seconds Pr ogram Pr ogram Instruction Cycle
Program Compiler ISA Organization Technology
输入设备
输入设备
外存储器
外存储器
内存 内存 储器
数据线 控制线
输出设备
输出役备
控制器
运算器
控制器 CPU 运算器
21
衡量计算机的指标
22
这些大家伙具有战略意义
分秒必争，目的就是越快越好！
23
电脑越来越普遍
要让更多人买得起，价格就很重要了
24
无处不在的CPU
电池怎样才能用得久呢？
25