中国科学技术大学：《计算机体系结构》课程教学资源（PPT课件讲稿）绪论、第1章 量化设计与分析基础（主讲：周学海）

教材与主要参考书 John L Hennessy, David A Patterson, Computer Architecture: A Quantitative Approach. Fifth edition.机械工业出版社, 2012 David A Patterson, John L Hennessy, Computer Organization Design: The Hardware/software Interface, Third Edition. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers Inc 2005 张晨曦等,计算机系统结构教程,清华大学 出版社 1/29/2021 中国科学技术大学

1/29/2021 中国科学技术大学 教材与主要参考书 • John L. Hennessy, David A. Patternson, Computer Architecture: A Quantitative Approach. Fifth Edition. 机械工业出版社， 2012 • David A. Patternson, John L. Hennessy, Computer Organization & Design : The Hardware/Software Interface, Third Edition. San Francisco: Morgan Kaufmann Publishers, Inc. 2005 • 张晨曦等，计算机系统结构教程，清华大学 出版社 3

What is Computer Architecture? Application Gap too large to bridge in one step (but there are exceptions, e. g magnetic compass Physics In its broadest definition, computer architecture is the design of the abstraction layers that allow us to implement information processing applications efficiently using available manufacturing technologies. 21 中国科学技术夫学

What is Computer Architecture? Application Physics Gap too large to bridge in one step In its broadest definition, computer architecture is the design of the abstraction layers that allow us to implement information processing applications efficiently using available manufacturing technologies. (but there are exceptions, e.g. magnetic compass) 1/29/2021 中国科学技术大学 4

现代计犷机系统的抽家层次 Application Algorithm Programming Language Operating system/virtual machine Instruction Set Architecture(ISA) Microarchitecture Gates/Register-Transfer Level(RTL) Circuits Devices Physics 1/29/2021 中国科学技术大学

1/29/2021 中国科学技术大学 现代计算机系统的抽象层次 Algorithm Gates/Register-Transfer Level (RTL) Application Instruction Set Architecture (ISA) Operating System/Virtual Machine Microarchitecture Devices Programming Language Circuits Physics 5

What is Computer Architecture? 描述计算机系统的功能、组织和实现的一组规则和 方法。 ·计算机体系结构是研究如何选择(设计)功能部件 和互联方法来满足计算机系统的功能、性能、价格 约束的科学 ·计算机体系结构是软件设计者与硬件设备(VLS) 之间的中间层,是软件与硬件的接口( Interface) 1/29/2021 中国科学技术大学 6

What is Computer Architecture? • 描述计算机系统的功能、组织和实现的一组规则和 方法。 • 计算机体系结构是研究如何选择（设计）功能部件 和互联方法来满足计算机系统的功能、性能、价格 约束的科学 • 计算机体系结构是软件设计者与硬件设备（VLSI） 之间的中间层，是软件与硬件的接口（Interface） 1/29/2021 中国科学技术大学 6

计犷机体系结构的定义 过去的定义: 程序员可见的计算系统的属性。包括:概念性的结构和 功能行为。不包括:数据流和控制流的组织、逻辑设计以及 物理实现。 Amdahl, Blaauw, and Brooks, 1964 Instruction -Set Architecture 广义的定义: 计算机体系结构研究如何设计、组织,以及使用可用 的生产技术实现一个计算系统,该计算系统可有效地执行软 件应用,满足价格、功耗和性能约束 1/29/2021 中国科学技术大学

1/29/2021 中国科学技术大学 计算机体系结构的定义 过去的定义： 程序员可见的计算系统的属性。包括：概念性的结构和 功能行为。不包括：数据流和控制流的组织、逻辑设计以及 物理实现。 – Amdahl, Blaauw, and Brooks, 1964 Instruction-Set Architecture 广义的定义： 计算机体系结构研究如何设计、组织，以及使用可用 的生产技术实现一个计算系统，该计算系统可有效地执行软 件应用，满足价格、功耗和性能约束 7

计算机体系结构的定义(续) ·过去的观点: nstruction set architecture(sA)设计 即体系结构设计需要关注并确定: 》寄存器组织、如何访问存储器、寻址方式、指令操作数、硬 件支持的操作种类、指令编码方式 目前的观点: 根据目标机器的特定需求,在成本、功耗、可用性等 约束下最大化机器性能 包括SA,计算机组织(微体系结构),硬件实现 1/29/2021 中国科学技术大学

计算机体系结构的定义（续） • 过去的观点: – Instruction Set Architecture (ISA) 设计 – 即 体系结构设计需要关注并确定: »寄存器组织、如何访问存储器、寻址方式、指令操作数、硬 件支持的操作种类、指令编码方式 • 目前的观点: – 根据目标机器的特定需求，在成本、功耗、可用性等 约束下最大化机器性能 – 包括 ISA, 计算机组织（微体系结构）, 硬件实现 1/29/2021 中国科学技术大学 8

ISA: a Critical Interface software instruction set Fp hardware 1/29/2021 中国科学技术大学

1/29/2021 中国科学技术大学 instruction set software hardware ISA: a Critical Interface 9

ISA需说明的主要内容 Memory addressing Addressing modes Types and sizes of operands Operations Control flow instructions Encoding an isa 优秀的A所具有的特征 可持续用于很多代机器上( portability) 可以适用于多个领域( generality) 对上层提供方便的功能( convenient functionality) 可以由下层有效地实现( efficient implementation 1/29/202la 中国科学技术大学

1/29/2021 中国科学技术大学 ISA需说明的主要内容 • Memory addressing • Addressing modes • Types and sizes of operands • Operations • Control flow instructions • Encoding an ISA • …… • 优秀的ISA所具有的特征 – 可持续用于很多代机器上(portability) – 可以适用于多个领域(generality) – 对上层提供方便的功能（convenient functionality) – 可以由下层有效地实现（efficient implementation ) – …… 10

指令集结构举例 Digital Alpha (v1, v3) 199297 HP PA-RISc ( v1.1, V2.0) 1986-96 Sun Sparc ( v8, v9 1987-95 SGI MIPS( MIPS L,叫Ⅳv,v)1986-96 nte(808680286,80386, 197896 80486, Pentium, MMX,.) 1/29/2021 中国科学技术大学

1/29/2021 中国科学技术大学 • Digital Alpha (v1, v3) 1992-97 • HP PA-RISC (v1.1, v2.0) 1986-96 • Sun Sparc (v8, v9) 1987-95 • SGI MIPS (MIPS I, II, III, IV, V) 1986-96 • Intel(8086,80286,80386, 1978-96 80486,Pentium, MMX, ...) 指令集结构举例 11

MiPS R3000 Instruction set architecture (Summary) Registers 指令类型 Load/store R0-R31 Computational Jump and branch Floating point PC 》 coprocessor HI Memory Management LO 3种指会8是}2 bits wid R型 OP rs sa funct 型oPr rS t immediate J型 OP jump target 1/29/2021

1/29/2021 中国科学技术大学 • 指令类型 – Load/Store – Computational – Jump and Branch – Floating Point » coprocessor – Memory Management – Special R0 - R31 PC HI LO OP OP OP rs rt rd sa funct rs rt immediate jump target 3 种指令格式: all 32 bits wide Registers MIPS R3000 Instruction Set Architecture (Summary) J 型 I 型 R型 12