第1章-计算机系统结构(第五版)李学干

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计算机体系结构课程介绍和教学大纲

《计算机体系结构》课程简介

课程内容：

《计算机体系结构》是为计算机科学与技术专业学生开设的一门选修课程。这门课程既是计算机体系结构设计的入门课，又是计算机专业的总结型专业核心课程，体现了计算机组成原理、计算机操作系统、数据结构、微机原理等课程的综合运用。其主要任务是较为全面系统地讲述计算机体系结构的基本概念、基本原理、量化分析和优化方法。

通过本课程的学习，使学生掌握计算机组织和系统结构的基本知识，熟悉现代计算机中各种典型系统结构的原理、组织、关键技术和定量的分析方法；了解体系结构设计的基本方法；学会分析、评价和优化计算机系统的整体性能，具有一定的选择和使用计算机系统的能力，能够正确选择和匹配应用领域与计算机系统结构，并且具备进入高性能计算领域进一步学习和深入研究的初步能力。

Brief Introduction Computer Architecture

Course Description:

This course is the elective subject for the college students of the major of the computer science and technology. It is the prerequisite course of the computer architecture, and it is the summary of the computer curriculum. The course embodies the principle of computer composition theory, operating system, data structure and the principle of microcomputer. The basic task of this course is to introduce the basic concepts, principles, quantitative analysis and optimization methods relatively systematically.

(自考02325李学干版)计算机系统结构课后习题

第二章数据表示与指令系统

1.数据构造和机器的数据表示之间是什么关系？确立和引入数据表示的基

来源则是什么？

答：数据表示是能由硬件直接辨别和引用的数据种类。数据构造反应各样

数据元素或信息单元之间的构造关系。

数据构造要经过软件映象变换成机器所拥有的各样数据表示实现，所以

数据表示是数据构造的构成元素。不一样的数据表示可为数据构造的实现提

供不一样的支持，表此刻实现效率和方便性不一样。数据表示和数据构造是软件、

硬件的交界面。

除基本数据表示不可以少外，高级数据表示的引入依照以下原则：

（1）看系统的效率有否提升，能否养活了实现时间和储存空间。

（2）看引入这类数据表示后，其通用性和利用率能否高。

2.标记符数据表示与描绘符数据表示有何差异？描绘符数据表示与向量数

据表示对向量数据构造所供给的支拥有什么不一样？

答：标记符数据表示与描绘符数据表示的差异是标记符与每个数据相连，

合存于同一储存单元，描绘单个数据的种类特征 ; 描绘符是与数据分开寄存，

用于描绘向量、数组等成块数据的特色。

描绘符数据表示为向量、数组的的实现供给了支持，有益于简化高级

语言程序编译中的代码生成，能够比变址法更快地形成数据元素的地点。但负阶，最小

为 0)

最大阶

(2^p-1)

最小尾数值

(rm^(-1))

最大尾数值

(1-rm^(-m'))

可表示的最

小值

可表示的最

大值

阶的个数

(2^p)

可表示的尾

数的个数

可表示的规

格化数的个

数

note:

2^6-12^6-12^6-1

1/21/81/16

1-2^(-48)1-8^(-16) ，即(1-2^(-48)) 1-16^(-12)，即(1-2^(-48))

计算机系统结构课件：第一章计算机系统结构的基本概念

Sp：加速比；
Te：采用改进措施前执行某任务系统所用的时间； T0：采用改进措施后所需的时间； fe：可改进部分在原系统计算时间中所占的比例，总是小于1； re: 性能提高的倍数（T部件改进前/ T部件改进后），总是大于1。
计算机系统结构
Computer Architecture
第一章计算机系统结构的基本概念
如RISC机、向量机
MM
DS
计算机系统结构
Computer Architecture
第一章计算机系统结构的基本概念
多指令流、多数据流( MIMD )结构
CU1 CS1 PU1 DS1
IS1
CS2
DS2
CU2
PU2
MM IS2
CSn
DSn
ISn
CUn
PUn
IBM 3081/3084、Univac 1100/80，Cray-2等均属这一类型
Computer Architecture
第一章计算机系统结构的基本概念
2、计算机系统结构、组成与实现
❖ 三者区别：
1.计算机系统结构 -机器语言级的程序员所了解的计算机的属
性，即wenku.baidu.com特性。
2.计算机组成 -计算机系统结构的逻辑实现。
3.计算机的实现 -指其计算机组成的物理实现。
计算机系统结构

第7章-计算机系统结构(第五版)李学干

第7章多处理机
图 7-17 不同算法影响树高的例子
第7章多处理机
【例 7-5】表达式E2=a+b(c+def+g)+h，用单处理机需7级运算，如
图7 - 18(a) E2=(a+h)+b((c+g)+def)
则可有P=2，只需5级运算，如图7 - 18(b)所示，此时， SP=7/5，EP=0.7
7.5.3
20世纪80年代和90年代，美国和日本制造了许多大规模超级向量流水机，如美国的CRAY Y-MP和C-90，日本Fujistu 的VP 2000和VPP 500等。
图 7-21 计算Z=E+A*B*C/D+F的并行程序数据相关图
第7章多处理机
这条语句又派生出S4，分配给空闲的处理机1，而处理机 2接着执行S3。同样，等S4和S3都先后结束后，才满足JOIN语句的汇合条件，经GOTO 50进入S5。
其执行过程如图7 - 22所示。
第7章多处理机
图 7-22 计算程序在多处理机上运行的资源时间图
第7章多处理机
图 7-4 通过消息传送系统连接的松耦合多处理机结构
第7章多处理机
卡内基-梅隆大学设计的松耦合多处理机Cm*是层次型总线式多处理机，其结构如图7 - 5所示。
第7章多处理机

《计算机系统的体系结构》课后答案_李学干_清华大学出版社

第1章计算机系统结构的基本概念

1、有一个计算机系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。现若需第i级的N条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第

2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？答：第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。第4级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。

2、硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。

答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。只是反映在速度、价格、实现的难易程度上这两者不同。

3、试以实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系与影响。

答：计算机系统结构、计算机组成、计算机实现互不相同，但又相互影响。

（1）计算机的系统结构相同，但可采用不同的组成。如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设4级构成。其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。

（2）相同的组成可有多种不同的实现。如主存器件可用双极型的，也可用MOS型的；可用VLSI单片，也可用多片小规模集成电路组搭。

[农学]计算机体系结构李学干第二章课件.ppt

事务处理的出现，需要大量的十进制数，增加了十进制运算指令和相应的运算硬件。
（1）关于基本数据表示的讨论
字长的确定
例：定点数和浮点数表示的字长的权衡
• 过短：表示范围小，表示精度低，容易造成运算溢出和机器零。
• 过长：主存空间开销大
• 定长表示和某些语言的语义不一致
如COBOL语言提供了可变长数据结构；有力支持了串数据结
N=±m·4±e
N=±m·2±e
基数
大
小
比较项
数的范围
大
小
数的个数
多
少
数的分布
疏
密
表示精度
低
高
精度损失
小
大
运算速度
高
低
Thank you
数据字的格式
类型标志
数据值
B-5000设置了1位标志，用来区分数据字是操作数还是描述符。
B-6500和B-7500设置了3位标志，可区分8种类型。
1、带标志符的数据表示
R-2设置了10位标志符。信息类型位（ 2位）信息类型位直接标志位（4位）数值
奇偶位（1位）
写封锁位（1位）
地址
软件定义捕捉位（2位）
000
描述符格式 101
标志位(8位)
另一描述符体系整块或单个数据连续或分段存贮只读或可写字或串单精度或双精度

-计算机系统结构(版)李学干

第6章向量处理机
(V016 ) (V08 ) (V116 ) (V10 ) (V18 ) (V116 ) (V055 ) (V0 47 ) (V155 ) 第三至第七部分 (V17 ) (V115 ) (V123 ) (V131 ) (V139 ) (V147 ) (V155 )
第6章向量处理机
(V058)=(V050)+(V158) =(V12)+(V110)+(V118)+(V126)+(V134) +(V142)+(V150)+(V158) (V059)=(V051)+(V159) 第八部分(结果部分)
=(V13)+(V111)+(V119)+(V127)+(V135)
第6章向量处理机
6.1 向量的流水处理和向量流水处理机 6.2 阵列处理机的原理 6.3 SIMD计算机的互连网络
6.4 共享主存构形的阵列处理机中并行存储器的无冲突访问
6.5 脉动阵列流水处理机 6.6 本章小结
第6章向量处理机
6.1 向量的流水处理和向量流水处理机
6.1.1
虽然向量运算比标量运算更易发挥出流水线的效能，但处理方式选择不当也不行。
第6章向量处理机
(V056)=(V048)+(V156)

第4章-计算机系统结构(第五版)李学干

不会发生这种情况，随着分配给程序的主存页数的增加，其命中率一般都能提高，至少不会下降。
第4章存储体系
图 4 - 17
FIFO算法的实页数增加，命中率反而有可能下降
第4章存储体系
由于堆栈型替换算法具有上述包含性质，因此命中率随主存页数的增加只有可能提高，至少不会下降。只要是堆栈型替换算法，只要采用堆栈处理技术对地址流模拟一次，即可同时求得对此地址流在不同主存页数时的命中率。
第4章存储体系
3. 段页式管理从以上介绍中可以看出，段式和页式虚拟存储器在许多方面是不同的，因而各有不同的优缺点。
第4章存储体系
对于多道程序来说，每道程序(用户或进程)都需要有一个用户标志号u(转换成基号b)以指明该道程序的段表起点存放在哪个基址寄存器中。这样，多用户虚地址就由用户标志 u、段号s、页号p、页内位移d四个字段组成。设系统中主存
第4章存储体系
图 4 - 14 主存页面表
第4章存储体系
【例 4-1】
设有一道程序，有1~5页，执行时的页地址流(即依次用
到的程序页页号)为 2,3,2,1,5,2,4,5,3,2,5,2 若分配给该道程序的主存有3页，则图4 - 15表示FIFO、 LRU、OPT这3种替换算法对这3页的使用和替换过程。
该表采用按内容访问的相联存储器构成。
第4章存储体系

计算机体系结构学习指导

《计算机体系结构》学习指导

温东新

课程名称：计算机体系结构

英⽂名称：COMPUTER ARCHITECTURE

开课院系：远程教育学院

开课学时：50

学分：3

授课对象：远程教育学院专升本计算机科学与技术专业学⽣

⼀、教学⽬的与课程性质、任务。

教学⽬的：通过本课程的学习，能够帮助学⽣建⽴计算机系统的整体概念，树⽴按最合理的软硬件功能分配原则去设计开发计算机系统的思想，为今后学习并⾏计算机系统结构打下基础。

计算机体系结构课程是计算机科学与技术专业本科教学中⼀门重要的技术专业课。

计算机体系结构课程学习的主要任务是计算机体系结构的基本概念，基本原理，基本结构和基本分析⽅法，还应该清楚认识到涉及操作系统，程序语⾔及其编译，数据结构等内容与计算机体系结构的相互影响和相互促进。

⼆、教学要求

该课程开设位于整个本科教学的后期，课程的教学不仅讲授计算机体系结构的基本概念，基本原理，基本结构，和基本分析⽅法，还要在教学过程中将原学习过的专业课结合起来，例如操作系统，程序设计语⾔及其编译，数据结构等内容与本课程结合起来，使学⽣清楚它们与计算机体系结构的相互影响和相互作⽤。

在教学环节上，对学⽣的学习提出“掌握”和“了解”两个层次上要求，所谓“掌握”，是指学⽣在课后，必须能将所学内容⾃⼰理解并解决实际问题，这是将所

学知识熟练应⽤到实践中的基础。所谓“了解”，是要求学⽣对所学内容有初步的认知，在遇到相关问题时要求能够辨识。教学以课堂讲授为主，辅之以POWERPOINT⽅式。

三、教学进度表

四、教学内容与讲授⽅法

第3章-计算机系统结构(第五版)李学干

各分体可以采用同时启动或如图3 - 4所示的分时启动方式工作。相对而言，分时启动方式所用的硬件较节省。
第3章存储、中断、总线与输入/输出系统
图 3 - 4 4个分体分时启动的时间关系
第3章存储、中断、总线与输入/输出系统
对有m个独立分体的主存系统，设处理机发出的是一串地址为A1，A2，„，Aq的访存申请队。显然，k是随机变量，最大可以为m，但由于会发生分体冲突，往往小于m。截取的这个长度为k的申请序列可以同时访问k个分体，因此，这
第3章存储、中断、总线与输入/输出系统
图 3 - 5 m个分体并行存取的B=f(λ)曲线
第3章存储、中断、总线与输入/输出系统
【例 3-1】
设访存申请队的转移概率λ为25%，比较在模32和模16的
多体单字交叉存储器中，每个周期能访问到的平均字数。每个存储周期能访问到的平均字数为
B
1 (1 ) m

将λ=25%，m=32代入上式，可求得
1 0.7516 B 3.96 0.25
第3章存储、中断、总线与输入/输出系统
3.2 中断系统
3.2.1 中断的分类和分级
引起中断的各种事件称为中断源。 1. 中断的分类【例 3-2】 IBM 370系统就将中断分成机器校验、管理程序调用(访管)、程序性、外部、输入/输出和重新启动6类。

计算机系统结构习题答案(李学干)

计算机系统结构习题解答

第一章习题一

1.2一台经解释实现的计算机，可以按照功能划分成4级。每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。若执行第1级的一条指令需K纳秒时间，那么执行第2、3、4级的一条指令个需要多少时间？

解：①分析：

计算机按功能分级时，最底层的为第1级。向上一次是第2 、3、4级。解释执行是在低级机器级上，用它的一串指令或语句来解释执行高一级上的一条指令的功能。是逐条解释的。

②解答：

执行第2、3、4级的一条指令各需KNns,KN2ns,KN3ns的时间。

1.3操作系统机器级的某些指令就用传统机器级的指令，这些指令可以用微程序直接实现，而不由操作系统自己来实现。根据你对习题1.2的回答，你认为这样做有哪两个好处？

答：可以加快操作系统操作命令解释的速度。同时也节省了存放解释操作命令这部分解释程序所占用的空间。简化了操作系统机器级的设计。也有利于减少传统机器级的指令条数。

1.5硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上是不等效的？试举例说明。

答：硬件和软件在逻辑意义上是等效的。在物理意义上是不等效的。

①在原理上，用硬件或固件实现的功能完全可以用软件来完成。用软件实现的功能也可以用硬件或固件来完成。功能一样。

②只是反映在速度、价格、实现的难易程度上，这两者是不同的。性能不同。

③例如，浮点运算在80386以前一直是用软件实现的。到了80486，将浮点运算器集成到了CPU中，可以直接通过浮点运算指令用硬件实现。但速度却高的多。

1.9下列哪些对系统程序员是透明的？哪些对应用程序员是透明的？

第一章计算机系统结构设计基础

• 器件在技术上的改进是比较稳定的，而系统结构的改进大起大伏。近20年来，计算机系统的设计对集成电路技术的依赖性大为增加，从各类不同的计算机系统的性能增长率有了差别。大型机：器件工艺的改进，系统结构没有新的突破巨型机：器件技术和系统结构两方面的改进小型机：计算机实现方法的改进，大型机中的一些先进技术微型机：依靠集成电路技术，性能每年提高35% • 80年中期，出现RISC技术、高级语言和操作系统等，性能每年提高50%。1995年，先进系统结构对微处理器性能的贡献是单纯技术进步的5倍。近几年及将来，计算机性能按摩尔定理发展。 • 器件的发展是推动计算机系统结构发展的主要因素之一； • 系统结构的发展也对器件提出新的更高的要求，促进其发展。
缓冲技术共享
重用技术
从语言及应用方面而言 :
由汇编到高级语言从单用户到多用户，到并行处理的语言、编译，操作系统，直到如今计算机网络、异构系统处理等等
2013年7月12日星期五计算机系统结构第一章基本概念 8
计算机性能提高情况：
• 1965~1975间，计算机系统性能提高100倍=10(器件)*10(系统结构改进)。
350
SPECint 速度指标
DEC Alpha
•
300
250
200
依靠技术进步性能每年提高 35% 先进系统结构对性能的贡献是技术进步的 5 倍

第3章李学干,计算机系统结构南航课件

第3章总线、中断与输入输出系统
从发出中断请求到进入中断处理程序的中断响应时间是中断系统的一个重要性能指标，中断系统的一个重要性能指标，它主要取决于交换程序状态字的时间。以IBM 370 为例，程序状态字为 64 位，等于它的字的时间。为例，长字，长字，因此交换程序状态字只需经写长字和读长字二次访存即可。然而，要经中断响应硬件保存的硬件状态愈多，程序即可。然而，要经中断响应硬件保存的硬件状态愈多，状态字就愈长，所需的访存次数和时间就愈长，状态字就愈长，所需的访存次数和时间就愈长，响应速度就会愈低，会愈低，尤其是不断增大通用寄存器个数是当前计算机发展的趋势，的趋势，像 CRAY-1，需保存的向量、标量、地址寄存器的，需保存的向量、标量、总位数可达 3 900 位。
第3章总线、中断与输入输出系统
为例，以IBM 370为例，它把中断分成机器校验、管理程序调用、为例它把中断分成机器校验、管理程序调用、程序性、外部、输入/输出和重新启动程序性、外部、输入输出和重新启动 6 类。前 5 类中断只发生在CPU处于运行状态时，而重新启动不论CPU是处于停处于运行状态时，而重新启动不论发生在处于运行状态时是处于停止状态还是处于运行状态都可以发生。这 6 类中断，它们的类中断，止状态还是处于运行状态都可以发生。和新PSW所在的存贮单元位置都是各不相同的。每所在的存贮单元位置都是各不相同的。旧PSW和新和新所在的存贮单元位置都是各不相同的类的具体中断原因可由旧PSW中的中断码进一步指明，或是中的中断码进一步指明，类的具体中断原因可由旧中的中断码进一步指明由中断期间放在指定存贮单元中的附加信息指明。由中断期间放在指定存贮单元中的附加信息指明。

第4章李学干,计算机系统结构南航课件

图 4.3 多级存贮层次
第4章存贮体系
4.1.3 存贮体系的性能参数
图 4.4 二级存贮体系的评价
第4章存贮体系的每位价格，的以位计算的存贮容量，设 ci为Mi的每位价格，SMi为Mi的以位计算的存贮容量， TAi为 CPU访问到 i中的信息所需要的时间。为评价存贮层次访问到M 访问到中的信息所需要的时间。的性能，引入存贮层次的每位价格c、命中率H和等效访问时的性能，引入存贮层次的每位价格、命中率和等效访问时间TA。存贮层次的每位平均价格
第4章存贮体系 2. 比较对法比较对法比较对法的基本思路是让各个块成对组合，用一个触发器的状态来表示该比较对内两块访问的远近次序，再经门电路就可找到LRU块。例如有A、B、C3 块，互相之间可组合成AB、 BA、AC、CA、BC、CB6 对，其中AB和BA、AC和CA、BC 和CB是重复的，所以只需取AB、AC、BC 3 对。各对内块的访问顺序分别用 “ 对触发器 ” TAB 、 TAC 、 TBC 表示。 TAB 为 “１”，表示A比B更近被访问过；TAB为“0”，表示B比A更近被访问过。TAC 、TBC也类似定义。这样，当访问过的次序为A B C，即最近访问过的为A，最久未被访问过的为C，则这三个触发器状态分别必为TAB=1，TAC=1，TBC=1。
第4章存贮体系什么是堆栈型替换算法呢? 设A是长度为L的任意一个页面地址流，t为已处理过t-1个页面的时间点，n为分配给该地址流的主存页面数，Bt(n)表示在t时间点、在n页的主存中的页面集合，Lt表示到t时间点已遇到过的地址流中相异页的页数。如果替换算法具有下列包含性质：

计算机系统结构李学干

计算机系统结构

概述

计算机系统结构是指计算机硬件和软件组件之间的关系和

组织方式。在软件和硬件之间有多个层次的相互作用和依存关系，这些层次的组织方式称为计算机系统结构。计算机系统结构是计算机科学中非常重要的一个领域，它涉及到计算机硬件设计、指令集架构、操作系统以及应用软件等方面。

计算机系统结构的组成

计算机系统结构由以下几个主要组成部分组成：

1. 中央处理器（CPU）

中央处理器是计算机系统的核心，负责执行指令并处理数据。它包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（Control Unit）和寄存器（Registers）等部分。ALU负责执行算术和逻辑运算，控制单元负责控制指令的执行，而寄存器用于暂存数据。

2. 存储器

存储器用于存储程序和数据。计算机系统通常包括主存储

器（主存）和辅助存储器（辅存）。主存储器是CPU直接访

问的存储器，而辅助存储器用于长期存储大量的数据和程序。

3. 输入输出（I/O）

输入输出设备用于与外部世界进行数据的输入和输出。常

见的输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。计算机系统利用输入输出设备与用户进行交互，并将结果输出到显示器或打印机等设备上。

4. 总线

总线是计算机系统中各个组件之间进行数据传输的通道。

它分为数据总线、总线和控制总线。数据总线负责传输数据，总线负责传输，控制总线负责传输控制信号。

5. 指令集架构

指令集架构是计算机硬件和软件之间的接口，定义了计算

机能够执行的指令和操作。常见的指令集架构包括xARM等。不同的指令集架构决定了计算机的性能和可移植性。

计算机系统结构的设计原则