《计算机体系结构》 第一章 计算机体系结构的基本概念

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南京审计学院计算机系 《计算机体系结构》

第一章计算机体系结构的基本概念 1.1引论 1计算机直1946年发明以来,性能大幅度提高 表现在:●运行速度、功能、规模、可靠性等指标的 不断提高 体积、功耗等指标的不断下降。 2.计算机性能的高速增长受益于: 电路技术的发展 ●体系结构技术的发展 ●其他因素(os, Compiler的发展)

1.计算机直1946年发明以来，性能大幅度提高 表现在：● 运行速度、功能、规模、可靠性等指标的 不断提高 ● 体积、功耗等指标的不断下降。 2. 计算机性能的高速增长受益于： ● 电路技术的发展 ● 体系结构技术的发展 ● 其他因素(OS, Compiler 的发展) 第一章 计算机体系结构的基本概念 1.1 引论

3.八十年代后,有两种技术使得体系结构技术对计算机 性能发展的影响越来越大: 1)RISc技术--使得体系结构的发展空间一下 子被打开; 2)微处理器技术-使得设计新型体系结构的风 险、成本、耗时都大为降低。 结果: 体系结构对计算机性能发展的影响更为明显,达到 80%以上,并且体系结构的发展带动芯片技术、编 译技术的进步,使得计算机的发展速度达到每年 50%以上

3. 八十年代后，有两种技术使得体系结构技术对计算机 性能发展的影响越来越大： 1)RISC技术 --- 使得体系结构的发展空间一下 子被打开； 2)微处理器技术--- 使得设计新型体系结构的风 险、成本、耗时都大为降低。 结果： 体系结构对计算机性能发展的影响更为明显，达到 80%以上，并且体系结构的发展带动芯片技术、编 译技术的进步，使得计算机的发展速度达到每年 50%以上

12计算机体系结构的概念 1.21计算机系统中的层次概念 1.计算机系统是=软件+硬件/固件 复杂性→当考察它时,通常需要选择某种合适的 角度; →同一台计算机在不同人眼里可以是不 样的。 例如:系统设计者和高级语言使用者

1.2.1 计算机系统中的层次概念 1. 计算机系统是＝软件＋硬件/固件 复杂性 → 当考察它时，通常需要选择某种合适的 角度； → 同一台计算机在不同人眼里可以是不一 样的。 例如：系统设计者和高级语言使用者。 1.2 计算机体系结构的概念

2.考查计算机通常从计算机语言的使用者角度进行 一般: 个计算机系统所支持的计算机语言由低级到高级 有多个层面,高一级语言的语句相对于低级语言功 能更强,更便于应用,但又都以低级语言为基础。 因此: 从计算机语言的角度,把计算机系统按功能划分成 多级层次结构:

2.考查计算机通常从计算机语言的使用者角度进行 一般： 一个计算机系统所支持的计算机语言由低级到高级 有多个层面，高一级语言的语句相对于低级语言功 能更强，更便于应用，但又都以低级语言为基础。 因此: 从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成 多级层次结构：

第6级:应用语言虚拟机 第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

第 6 级：应用语言虚拟机 第 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

概念: 虚拟机:由软件实现的机器。 语言实现的两种基本技术 翻译:先把N+1级程序全部变换成N级程序后, 再去执行新产生的N级程序,在执行过程中N+1 级程序不再被访问。 ◆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 条N+1级的指令,依此重复进行 一般: 解释执行比翻译花的时间多,但存储空间占用较少

概念： 虚拟机：由软件实现的机器。 (2) 语言实现的两种基本技术 ◆ 翻译：先把N+1级程序全部变换成N级程序后， 再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1 级程序不再被访问。 ◆ 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。 一般： 解释执行比翻译花的时间多，但存储空间占用较少

2.2计算机体系结构 1.计算机体系结构的定义:分经典和广义两种 经典定义( Amah于1964年提出) 程序员所看到的计算机的属性,即概念性 结构与功能特性 由于 按照计算机系统的多级层次结构,不同级程序 员所看到的计算机具有不同的属性。 因此 同一个计算机系统在不同层面上有不同的体蒜 构

1.2.2 计算机体系结构 1. 计算机体系结构的定义：分经典和广义两种 经典定义（Amdahl于1964年提出）： 程序员所看到的计算机的属性，即概念性 结构与功能特性。 由于： 按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序 员所看到的计算机具有不同的属性。 因此： 同一个计算机系统在不同层面上有不同的体系结 构

但一般: Amah|提出的体系结构一传统机器级的体系结构 即一般所说的机器语言程序员所看到的传统机器级 所具有的属性。 2体系结构概念包含内容 对于通用寄存器型机器,这些属性主要是指: 数据表示 (硬件能直接辩认和处理的数据类型) 寻址规则 (包括最小寻址单元、寻址方式及其表示) 寄存器定义 (包括各种奇存器的定义、数量和使用方式)k

但一般： Amdahl提出的体系结构---传统机器级的体系结构， 即一般所说的机器语言程序员所看到的传统机器级 所具有的属性。 2.体系结构概念包含内容 对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指： (1) 数据表示 (硬件能直接辩认和处理的数据类型) (2) 寻址规则 (包括最小寻址单元、寻址方式及其表示) (3) 寄存器定义 (包括各种寄存器的定义、数量和使用方式)

指令集 (包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排 序和控制机构等) 中断系统 (中断的类型和中断响应硬件的功能等) 机器工作状态的定义和切换 (如管态和目态等) 存储系统 (主存容量、程序员可用的最大存储容量等)

(4) 指令集 (包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排 序和控制机构等) (5) 中断系统 (中断的类型和中断响应硬件的功能等) (6) 机器工作状态的定义和切换 (如管态和目态等) (7) 存储系统 (主存容量、程序员可用的最大存储容量等)