计算机组成原理与系统结构第 1章 计算机组成与系统结构概述本章主要内容：
本章将讲述计算机发展、计算机系统构成、
计算机组成、计算机实现和计算机系统结构等概念；同时介绍计算机系统结构的分类、计算机系统的性能评价等内容。重点掌握计算机系统结构的层次结构、计算机系统结构的分类和计算机系统的性能评价标准等。
1.1 计算机系统概念
1.2 计算机系统的层次结构
1.3 计算机系统组成
1.4 计算机系统结构的分类
1.5 计算机系统结构的评价
1.6 计算机系统结构的发展
1.1 计算机系统概念
1.1.1 计算机的产生与发展
世界上第一台电子计算机诞生于
1946年，是由美国宾西法尼亚大学摩尔学院机电系莫克利（ J.Mauchly）教授及其同事们共同研制成功的，称为电子数字积分器和计算机。（ Electronic
Numerical Integrator And Computer，
ENIAC）。
1,机械计算时代 （ 1642～ 1945年 ）
2,第一代电子计算机 （ 1946年至 20世纪 50年代末期 ）
3,第二代计算机 （ 20世纪 50年代末期至 60年代中期 ）
4,第三代计算机 （ 20世纪 60年代中期至 70年代初期 ）
5,第三代以后的计算机 （ 20世纪 70年代初开始 ）
1.1.2 计算机的应用
1,科学计算
2,数据处理
3,实时控制
4,计算机辅助设计 /计算机辅助制造 /计算机集成制造系统
5,计算机信息管理
1.1.3 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现
1．计算机系统结构
计算机体系结构主要研究计算机系统的设计。
2．计算机组成
计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现。
3．计算机实现
计算机实现是指计算机组成的物理实现。
1.2 计算机系统的层次结构
计算机系统由硬件和软件构成，如果以硬件为核心，计算机系统可以用图 1-1表示。
用户软件硬件图 1-1 计算机硬件、软件和用户微处理器核心硬件计算机操作系统机器语言汇编语言高级语言应用程序逻辑工艺设计者结构与接口设计者系统操作员机器语言程序员汇编语言程序员高级语言程序员用户图 1-2 计算机系统的层次结构图 1-2描述了计算机的层次结构。
1.3 计算机系统组成
CPU内部也由相对独立的几个部分组成，
如图 1-3所示。
控制器算术逻辑部件
（ AL U ）
寄存器组主存储器 键盘 显示器输入输出设备中央处理器 (C PU)
总线县
…
…
图 1-3 一台简单的计算机硬件组成图
1.4 计算机系统结构的分类
1.4.1 弗林分类法
按照指令流和数据流的多寡,Flynn将计算机体系结构分成 4种类型。
（ 1）单指令流单数据流（ Single Instruction stream
Single Data stream,SIDI）计算机。
（ 2）单指令流多数据流（ Single Instruction stream
Multiple Data stream,SIMD）计算机。
（ 3）多指令流单数据流（ Multiple Instruction stream
Single Data stream,MISD）计算机。
（ 4）多指令流多数据流（ Multiple Instruction stream
Multiple Data stream,MIMD）计 算机。
表 1-2列出了 Flynn分类法以及每种计算机的实例。
表 1-2 计算机系统 Flynn分类法指 令 流 数 据 流 名 称 举 例
1 1 SISD 传统的冯 ·诺伊曼计算机
1 多个 SIMD 超级向量计算机，阵列处理机多个 1 MISD 目前还没有多个 多个 MIMD 多处理器，多计算机
1.4.2 冯氏分类法
图 1-5所示为冯氏分类法对计算机系统的划分情况，
其中的点为一些典型的计算机系统。
PEPE
（ 32,288 ）
ST ARAN
（ 1,256 ）
M P P
（ 1,16 384 ）
TI - ASC
（ 64,32 ）
IL L IA C - IV
（ 64,64 ）
IB M 370 /16 8
（ 32,1 ）
PDP - 11
（ 16,1 ）
C mm p
（ 16,16 ）
E D V A C
（ 1,1 ）
16 384
288
256
64
32
16
1
1 16 32 6 4
n （字宽）
m （字数）
图1-
5
冯氏分类法及典型计算机系统
按照最大并行度的不同，冯氏分类法将计算机系统分为以下 4种。
（ 1）字串位串型（ Word Serial Bit Serial，
WSBS）,n=1,m=1
（ 2）字串位并型（ Word Serial Bit Parallel，
WSBP）,n=1,m＞ 1
（ 3）字并位串型（ Word Parallel Bit Serial，
WPBS）,n＞ 1,m=1
（ 4）字并位并型（ Word Parallel Bit Parallel，
WPBP）,n＞ 1,m＞ 1
1.4.3 海德勒分类法
H?ndler分类法实际上也可以称作
H?ndler表示法，它是对计算机的整体并行度进行的一种表示方法。
1.5 计算机系统结构的评价
1.5.1 系统运行速度
1,MIPS
2,MFLOPS
3,标准程序测试法
（ 1）基准测试程序 （ System Performance
Evaluation Corporation,SPEC）
（ 2）整数测试程序,Dhrystone
Amdahl是这样对系统加速比定义的。
Sn=T0/Tn
式中的 T0是指系统没有改进以前运行程序所用的时间； Tn是系统采用了改进措施以后运行程序所用的时间。也可以将加速比描述为系统改进后运行程序的速度与未采用改进措施前运行程序速度的比值。
作为系统的设计者，总是希望通过对某部件的精心设计而获得较高的加速比。但是每个部件对加速比的贡献是不同的，它完全取决于该部件在整个系统中的地位。
1.5.2 加速比
因此,Amdahl在考察系统加速比时引入两个重要的指标，即可改进比 Fe和部件加速比 Se。可改进比
Fe是指在系统中可改进部分占系统整体的百分数，因此 0＜ Fe＜ 1；部件加速比 Se是指改进部分采用改进措施以后比没有采用改进措施以前性能提高的倍数，可见 Se＞ 1。
这样 Tn=(1?Fe)T0+Fe/SeT0=(1?Fe+Fe / Se)T0
将上式代入加速比的定义中，可得：
nT
T 0 =
eee SFF /1
1
Sn=
可见，加速比 Sn的大小只与 Fe和 Se有关，
只要 Fe不为 0（系统有可以改进的部分），且
Se大于 1（部件有加速效果），得到的 Sn一定大于 1，也就是说，只要对系统中某部件进行了改进，总会对全系统的性能提升有好处。
我们从式 1-3中可以看出，当 Fe→1 时，
Sn→ Se。即，当可改进比接近于 1时，也就是说整个系统可以像一个部件一样改进，则系统加速比就等于部件加速比。
当系统中有多个部件可以改进时,Amdahl定律可以扩展为如下形式：
Sn= (i=1,2… m)
m
i
eiei
m
i
ei SFF
11
)/(1
1
例 1.1 设系统中某部件采用改进措施后运行速度是原来的 10倍，而该部件的原运行时间占整个系统运行时间的 40%，那么，采用改进措施后会对整个系统的性能提高多少？
解：由题意可知,Fe=40%=0.4,Se=10
依据 Amdahl定律，
得 Sn= = =1.5625
即，采用改进措施后，系统可以提升速度为原来的 1.5625倍。
eee SFF /1
1
10/4.04.01
1
其中 m为系统中可改进的部件数量。
利用 Amdahl定律可以知道，某一部件的改进，使整个系统的性能能提高多少。同时也可以由此得出系统的最佳配置，以保证系统设计时部件的改进在某种应用中获得更好的性能价格比。
1.5.3 CPU性能
表征 CPU性能的主要标志：一是 CPU的能力；二是 CPU的速度。
CPU的能力是通过硬件连接能力和系统管理能力来体现的。
CPU的速度主要通过主时钟、指令时钟数来衡量。
1,主时钟
2,CPU性能公式
程序的执行时间称为 CPU时间，即：
CPU时间 =时钟周期数 /时钟频率
程序执行过程中所使用的指令数，记为 IC
（ Instruction Count），则：
CPI=总时钟周期数 /IC
程序执行的 CPU时间就可以表示为：
CPU时间 =CP× C/时钟频率 =CP× C× 时钟周期数
这个公式就是通常所称的 CPU性能公式。它的三个参数反映了体系结构相关的三种技术。
● 时钟频率反映了计算机实现技术、生产工艺和计算机组织。
● CPI反映了计算机实现技术、计算机指令集的结构和计算机组织。
● IC反映了计算机指令集的结构和编译技术。
1.5.4 系统的性能价格比
1.6 计算机系统结构的发展
1.6.1 冯 ·诺依曼机系统结构的演变
冯 ·诺依曼型计算机系统有其固有的缺点。
对于传统的冯 ·诺依曼计算机系统存在的缺点，有两种方法可以使用，一种是改良的方法；另一种方法是革命的方法
1.6.2 软件、应用和器件对系统结构的影响
1．软件对系统结构的影响
解决软件的可移植性问题主要从以下 3个方面考察。
（ 1）统一高级语言
（ 2）系列机的思想
（ 3）模拟与仿真
2,应用对系统结构的影响
3,VLSI对系统结构的影响
1.6.3 系统结构中并行性的发展
并行性可以分为同时性和并发性两方面。
同时性是指事件是同时发生的，而并发性则是指在同一时间段内多个事件同时运行，不一定是同时启动的。
并行性的实现方法有以下 3种。
（ 1）时间重叠 —— 从时间上体现并行性，同一时间段内执行多个任务。
（ 2）资源重复 —— 从空间上体现并行性，几个任务同时使用同一空间。
（ 3）资源共享 —— 从并发性上体现并行性。
本章将讲述计算机发展、计算机系统构成、
计算机组成、计算机实现和计算机系统结构等概念；同时介绍计算机系统结构的分类、计算机系统的性能评价等内容。重点掌握计算机系统结构的层次结构、计算机系统结构的分类和计算机系统的性能评价标准等。
1.1 计算机系统概念
1.2 计算机系统的层次结构
1.3 计算机系统组成
1.4 计算机系统结构的分类
1.5 计算机系统结构的评价
1.6 计算机系统结构的发展
1.1 计算机系统概念
1.1.1 计算机的产生与发展
世界上第一台电子计算机诞生于
1946年，是由美国宾西法尼亚大学摩尔学院机电系莫克利（ J.Mauchly）教授及其同事们共同研制成功的，称为电子数字积分器和计算机。（ Electronic
Numerical Integrator And Computer，
ENIAC）。
1,机械计算时代 （ 1642～ 1945年 ）
2,第一代电子计算机 （ 1946年至 20世纪 50年代末期 ）
3,第二代计算机 （ 20世纪 50年代末期至 60年代中期 ）
4,第三代计算机 （ 20世纪 60年代中期至 70年代初期 ）
5,第三代以后的计算机 （ 20世纪 70年代初开始 ）
1.1.2 计算机的应用
1,科学计算
2,数据处理
3,实时控制
4,计算机辅助设计 /计算机辅助制造 /计算机集成制造系统
5,计算机信息管理
1.1.3 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现
1．计算机系统结构
计算机体系结构主要研究计算机系统的设计。
2．计算机组成
计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现。
3．计算机实现
计算机实现是指计算机组成的物理实现。
1.2 计算机系统的层次结构
计算机系统由硬件和软件构成，如果以硬件为核心，计算机系统可以用图 1-1表示。
用户软件硬件图 1-1 计算机硬件、软件和用户微处理器核心硬件计算机操作系统机器语言汇编语言高级语言应用程序逻辑工艺设计者结构与接口设计者系统操作员机器语言程序员汇编语言程序员高级语言程序员用户图 1-2 计算机系统的层次结构图 1-2描述了计算机的层次结构。
1.3 计算机系统组成
CPU内部也由相对独立的几个部分组成，
如图 1-3所示。
控制器算术逻辑部件
（ AL U ）
寄存器组主存储器 键盘 显示器输入输出设备中央处理器 (C PU)
总线县
…
…
图 1-3 一台简单的计算机硬件组成图
1.4 计算机系统结构的分类
1.4.1 弗林分类法
按照指令流和数据流的多寡,Flynn将计算机体系结构分成 4种类型。
（ 1）单指令流单数据流（ Single Instruction stream
Single Data stream,SIDI）计算机。
（ 2）单指令流多数据流（ Single Instruction stream
Multiple Data stream,SIMD）计算机。
（ 3）多指令流单数据流（ Multiple Instruction stream
Single Data stream,MISD）计算机。
（ 4）多指令流多数据流（ Multiple Instruction stream
Multiple Data stream,MIMD）计 算机。
表 1-2列出了 Flynn分类法以及每种计算机的实例。
表 1-2 计算机系统 Flynn分类法指 令 流 数 据 流 名 称 举 例
1 1 SISD 传统的冯 ·诺伊曼计算机
1 多个 SIMD 超级向量计算机，阵列处理机多个 1 MISD 目前还没有多个 多个 MIMD 多处理器，多计算机
1.4.2 冯氏分类法
图 1-5所示为冯氏分类法对计算机系统的划分情况，
其中的点为一些典型的计算机系统。
PEPE
（ 32,288 ）
ST ARAN
（ 1,256 ）
M P P
（ 1,16 384 ）
TI - ASC
（ 64,32 ）
IL L IA C - IV
（ 64,64 ）
IB M 370 /16 8
（ 32,1 ）
PDP - 11
（ 16,1 ）
C mm p
（ 16,16 ）
E D V A C
（ 1,1 ）
16 384
288
256
64
32
16
1
1 16 32 6 4
n （字宽）
m （字数）
图1-
5
冯氏分类法及典型计算机系统
按照最大并行度的不同，冯氏分类法将计算机系统分为以下 4种。
（ 1）字串位串型（ Word Serial Bit Serial，
WSBS）,n=1,m=1
（ 2）字串位并型（ Word Serial Bit Parallel，
WSBP）,n=1,m＞ 1
（ 3）字并位串型（ Word Parallel Bit Serial，
WPBS）,n＞ 1,m=1
（ 4）字并位并型（ Word Parallel Bit Parallel，
WPBP）,n＞ 1,m＞ 1
1.4.3 海德勒分类法
H?ndler分类法实际上也可以称作
H?ndler表示法，它是对计算机的整体并行度进行的一种表示方法。
1.5 计算机系统结构的评价
1.5.1 系统运行速度
1,MIPS
2,MFLOPS
3,标准程序测试法
（ 1）基准测试程序 （ System Performance
Evaluation Corporation,SPEC）
（ 2）整数测试程序,Dhrystone
Amdahl是这样对系统加速比定义的。
Sn=T0/Tn
式中的 T0是指系统没有改进以前运行程序所用的时间； Tn是系统采用了改进措施以后运行程序所用的时间。也可以将加速比描述为系统改进后运行程序的速度与未采用改进措施前运行程序速度的比值。
作为系统的设计者，总是希望通过对某部件的精心设计而获得较高的加速比。但是每个部件对加速比的贡献是不同的，它完全取决于该部件在整个系统中的地位。
1.5.2 加速比
因此,Amdahl在考察系统加速比时引入两个重要的指标，即可改进比 Fe和部件加速比 Se。可改进比
Fe是指在系统中可改进部分占系统整体的百分数，因此 0＜ Fe＜ 1；部件加速比 Se是指改进部分采用改进措施以后比没有采用改进措施以前性能提高的倍数，可见 Se＞ 1。
这样 Tn=(1?Fe)T0+Fe/SeT0=(1?Fe+Fe / Se)T0
将上式代入加速比的定义中，可得：
nT
T 0 =
eee SFF /1
1
Sn=
可见，加速比 Sn的大小只与 Fe和 Se有关，
只要 Fe不为 0（系统有可以改进的部分），且
Se大于 1（部件有加速效果），得到的 Sn一定大于 1，也就是说，只要对系统中某部件进行了改进，总会对全系统的性能提升有好处。
我们从式 1-3中可以看出，当 Fe→1 时，
Sn→ Se。即，当可改进比接近于 1时，也就是说整个系统可以像一个部件一样改进，则系统加速比就等于部件加速比。
当系统中有多个部件可以改进时,Amdahl定律可以扩展为如下形式：
Sn= (i=1,2… m)
m
i
eiei
m
i
ei SFF
11
)/(1
1
例 1.1 设系统中某部件采用改进措施后运行速度是原来的 10倍，而该部件的原运行时间占整个系统运行时间的 40%，那么，采用改进措施后会对整个系统的性能提高多少？
解：由题意可知,Fe=40%=0.4,Se=10
依据 Amdahl定律，
得 Sn= = =1.5625
即，采用改进措施后，系统可以提升速度为原来的 1.5625倍。
eee SFF /1
1
10/4.04.01
1
其中 m为系统中可改进的部件数量。
利用 Amdahl定律可以知道，某一部件的改进，使整个系统的性能能提高多少。同时也可以由此得出系统的最佳配置，以保证系统设计时部件的改进在某种应用中获得更好的性能价格比。
1.5.3 CPU性能
表征 CPU性能的主要标志：一是 CPU的能力；二是 CPU的速度。
CPU的能力是通过硬件连接能力和系统管理能力来体现的。
CPU的速度主要通过主时钟、指令时钟数来衡量。
1,主时钟
2,CPU性能公式
程序的执行时间称为 CPU时间，即：
CPU时间 =时钟周期数 /时钟频率
程序执行过程中所使用的指令数，记为 IC
（ Instruction Count），则：
CPI=总时钟周期数 /IC
程序执行的 CPU时间就可以表示为：
CPU时间 =CP× C/时钟频率 =CP× C× 时钟周期数
这个公式就是通常所称的 CPU性能公式。它的三个参数反映了体系结构相关的三种技术。
● 时钟频率反映了计算机实现技术、生产工艺和计算机组织。
● CPI反映了计算机实现技术、计算机指令集的结构和计算机组织。
● IC反映了计算机指令集的结构和编译技术。
1.5.4 系统的性能价格比
1.6 计算机系统结构的发展
1.6.1 冯 ·诺依曼机系统结构的演变
冯 ·诺依曼型计算机系统有其固有的缺点。
对于传统的冯 ·诺依曼计算机系统存在的缺点，有两种方法可以使用，一种是改良的方法；另一种方法是革命的方法
1.6.2 软件、应用和器件对系统结构的影响
1．软件对系统结构的影响
解决软件的可移植性问题主要从以下 3个方面考察。
（ 1）统一高级语言
（ 2）系列机的思想
（ 3）模拟与仿真
2,应用对系统结构的影响
3,VLSI对系统结构的影响
1.6.3 系统结构中并行性的发展
并行性可以分为同时性和并发性两方面。
同时性是指事件是同时发生的，而并发性则是指在同一时间段内多个事件同时运行，不一定是同时启动的。
并行性的实现方法有以下 3种。
（ 1）时间重叠 —— 从时间上体现并行性，同一时间段内执行多个任务。
（ 2）资源重复 —— 从空间上体现并行性，几个任务同时使用同一空间。
（ 3）资源共享 —— 从并发性上体现并行性。
