《计算机系统结构》xchap-2-3
计算机系统结构-课后答案
第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。
虚拟机：用软件实现的机器。
翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。
解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又实用文档好像不存在的概念称为透明性。
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。
计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用实用文档来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。
计算机系统结构课件
2.1.1.1 浮点数的组成 浮点数的组成与人们通常所说的“科学记数法”非常相似，唯一不同的是各部分 均为有限位数，如下所示
它的主要参数有8个：
m ── 尾数，一般为纯小数，符合规格化原则（即最高位的绝对值不为0）， 用原码或补码表示；
e ── 阶码，整数，常用移码表示（见下文解释）；
= 1.25×80%×ICA×1.1×CYCLEA = 1.1×ICA×CYCLEA < Te_A 这时B机器快一些。
Sn
• 题12 （P33）
20
Amdahl定律公式，代入已知量
Se=20变成一元函数
10.5
Sn=20/(20-19Fe)
用三点作图法作出关系曲线。
1.8
1
0
0.5
2001.9.1
计算机系统结构
•
= 1.25×80%×ICA×1.25×CYCLEA
•
= 1.25×ICA×CYCLEA > Te_A
• 显然A机器快一些。
2001.9.1
计算机系统结构
17
例题选讲（5）
• 例1.5（P12） Te公式，改动上题中CYCLEB =1.1 ×CYCLEA，则最后
Te_B = 1.25×ICB ×CYCLEB
汇编语言机器
汇编语言程序员 （使用汇编语言）
（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）
操作系统语言机器 操作系统用户 （使用操作系统原语）
（经原语解释子程序翻译成机器语言）
传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言）
（由微程序解释成微指令序列）
微指令语言机器 微指令程序员 （使用微指令语言）
计算机系统结构课后答案chap2-answer
第二章计算机指令集结构设计2.1 名词解释1.堆栈型机器——CPU中存储操作数的单元是堆栈的机器。
2.累加型机器——CPU中存储操作数的单元是累加器的机器。
3.通用寄存器型机器——CPU中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。
4.CISC——复杂指令集计算机。
5.RISC——精简指令集计算机。
2.2堆栈型机器、累加器型机器和通用寄存器型机器各有什么优缺点？2.3常见的三种通用寄存器型机器的优缺点各有哪些？2.4 指令集结构设计所涉及的内容有哪些？(1)指令集功能设计：主要有RISC和CISC两种技术发展方向；(2)寻址方式的设计：设置寻址方式可以通过对基准程序进行测试统计，察看各种寻址方式的使用频度，根据适用频度设置相应必要的寻址方式；(3)操作数表示和操作数类型：主要的操作数类型和操作数表示的选择有，浮点数据类型（可以采用IEEE 754标准）、整型数据类型（8位、16位、32位的表示方法）、字符型（8位）、十进制数据类型（压缩十进制和非压缩十进制数据表示）等等。
(4)寻址方式的表示：可以将寻址方式编码与操作码中，也可将寻址方式作为一个单独的域来表示。
(5)指令集格式的设计：有固定长度编码方式、可变长编码方式和混合编码方式三种选择。
2.5 简述CISC计算机结构指令集功能设计的主要目标。
从当前的计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？CISC结构追求的目标是强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。
从目前的计算机技术观点来看，CISC结构存在以下几个缺点：(1)在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。
(2)CISC结构的指令系统的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。
(3)CISC结构的指令系统的复杂性给VLSI设计带来了很大负担，不利于单片集成。
(4)CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。
第2章计算机系统结构PPT课件
（2）I/O中断
中央处理器按程序规定的顺序执行指令，当中央处理器执 行到一条“启动外设（启动I/O）”指令时，就按指令中给定的 参数启动指定的设备，并把设备的控制权交给输入输出控制系 统。由输入/输出控制系统控制外围设备与主存储器之间的信息 传送，外围设备独立工作，不再需要中央处理器的干预，于是 中央处理器可以继续执行其他程序。（中央处理器和外设便可 以并行工作）
2.2.1 计算机系统的硬件环境之并行工作
1、CPU与外设并行工作的I/O中断（P17） 在现代通用计算机系统中，输入/输出控制系统负责完成外围设备与
主存储器之间的信息传送。 （1）CPU与外设并行工作
各种外设连接到相应的设备控制器上，通过通道把设备控制器连接 到公共的系统总线上，这种结构允许CPU与外设并行工作。
这些寄存器都是处理器的工作寄存器，当处理器执行程序时， 每次从主存储器中读出一条指令，并把它存入“指令寄存器”中， 然后分析指令，根据指令中指定的地址，从主存储器读出操作数， 存入“通用寄存器”，根据指令中的操作码，对操作数进行运算， 并将所得的结果或暂存在通用寄存器中或存储到主存储器中，利用 控制寄存器来保证各程序交替占用处理器时能正确执行，保证系统 安全。
但由于外围设备是由中央处理器根据程序的要求而启动的， 故当外围设备工作结束后，应反馈该设备的工作情况，形成一 个“输入/输出操作结束的事件”，由中断完成，硬件识别该事 件后就急触发一个I/O中断，并暂停当前占用中央处理器的程序 的执行，让操作系统的处理程序来处理这个“输入/输出操作结 束”事件，操作系统进行分析后就可以知道该外围设备的工作 情况，从而确定启动该外围设备的程序的工作状态。
▪ 如果没有找到，就从主存中读取，同时把这个数据复制到高速 缓存中
计算机系统结构密训
计算机系统结构密训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交互方式。
它涉及到计算机内部各个组成部分的功能、连接方式、层次结构等方面。
计算机系统结构主要包括以下几个方面：1.中央处理器（CPU）：CPU是计算机的核心部件，负责执行指令和处理数据。
它包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器等部分。
ALU用于执行算术和逻辑运算，CU负责控制指令的执行过程，寄存器用于暂存数据和指令。
2.存储器：存储器用于存储计算机的数据和指令。
主要包括内存（RAM）和外存（硬盘、光盘等）。
内存是计算机中实时存取数据和指令的地方，而外存用于长期存储数据和指令。
3.输入输出设备：输入输出设备用于与计算机进行交互。
常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等，输出设备有屏幕、打印机、音箱等。
输入设备将外界的信息输入到计算机中，输出设备将计算机处理后的数据和结果展示给用户。
4.总线：总线是连接计算机各个组件的通信线路。
它分为数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线负责传输数据，地址总线用于传输存储器地址，控制总线用于传输控制信号。
5.指令集架构：指令集架构是计算机硬件与软件之间的接口规范。
它决定了计算机能够执行的指令和支持的数据类型。
常见的指令集架构有精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）。
6.并行计算：并行计算是指多个处理器同时执行任务，以提高计算机系统的性能。
它可以通过并行算法和并行硬件来实现。
常见的并行计算模式有并行计算、向量计算和并发计算。
7.系统层次结构：系统层次结构描述了计算机系统的层次组织关系。
常见的系统层次结构有冯·诺依曼结构和哈佛结构。
冯·诺依曼结构将数据和指令存储在同一存储器中，哈佛结构则将其分开存储。
计算机系统结构是计算机科学中的重要概念，对于我们理解计算机工作原理、进行系统设计和优化都起着重要的作用。
通过合理设计计算机系统结构，可以提高计算机系统的性能、可靠性和可扩展性。
《计算机系统结构》
《计算机系统结构》计算机系统结构计算机是一种用于处理数据的电子设备，其内部结构和组成部分称为计算机系统结构。
计算机系统结构可以分为五个层次，包括硬件层、操作系统层、编程语言层、应用层和用户层，每个层次的结构和组成部分都不同，但彼此之间却相互关联。
硬件层是计算机系统结构最基本的层次，包括计算机的主板、CPU、内存、存储器、输入输出设备等，这些硬件组成了计算机的物理部分。
其中，CPU 是计算机系统结构的核心，它能够执行各种计算、运算和控制操作，使计算机能够高效地完成各种任务。
操作系统层是计算机系统结构的第二层次，包括计算机的操作系统、驱动程序和各种系统服务，这些软件组成了计算机的逻辑层次。
操作系统是计算机系统结构的“大脑”，它负责计算机资源的管理、任务的分配和调度等，以保障计算机能够高效地运行。
编程语言层是计算机系统结构的第三层次，包括各种编程语言和编译器等，这些软件可以让程序员能够使用高级语言编写程序，而不需要了解底层的硬件和操作系统。
应用层是计算机系统结构的第四层次，包括各种应用软件，这些软件可以让用户完成各种计算、办公、娱乐和通讯等任务。
用户层是计算机系统结构的最高层，包括计算机的终端用户和计算机的外部环境，比如网络、打印机、扫描仪等，这些用户能够直接接触、使用和操作的设备和软件。
以上五个层次共同构成了计算机系统结构，每个层次都有其独立的构成和作用，但也相互依存和联系，这种结构可以让计算机能够高效地工作，完成各种复杂任务。
在计算机系统结构中，CPU的设计和实现尤为复杂和重要。
CPU需要具备高性能、低功耗、高可靠性、高安全性等多方面的要求，而这些要求之间往往具有矛盾性。
CPU的设计需要涉及到微处理器芯片的制造、集成电路的设计和开发、指令集架构的设计和实现等多个方面。
指令集架构是CPU设计中最核心和最基本的部分，它定义了所有可执行的指令的格式和功能，以及CPU的寄存器、内存地址空间等的规范。
现代计算机系统结构中，主流的指令集架构有CISC、RISC和VLIW等几种，它们都有各自的特点和优势。
计算机系统结构概要归纳
计算机系统结构复习第一章 计算机系统结构基本概念1.1计算机系统结构计算机系统层次结构·计算机系统结构主要研究软件、硬件功能分配和对软件硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成、哪些功能由硬件完成。
·软件与硬件实现的特点：硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少。
软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多。
·计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。
·系统结构是计算机系统的软硬件界面；计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。
·计算机系统结构的分类：①Flynn 分类法：指令流：机器执行的指令序列。
数据流：由指令调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。
多倍性：在系统最受限制的元件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。
按照数据流和指令流的组织方式分为：SISD 、SIMD 、MISD 、MIMD 。
②冯氏分类法：用最大并行度分类，最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。
分为：1、字串位串WSBS ；2、字并位串WPBS ；3、字串位并WSBP ；4、字并位并WPBP 。
③Handler 分类法：根据并行度和流水线分类，把计算机的硬件结构分成三个层次：1、程序控制部件（PCU ）的个数k ；2、算术逻辑部件（ALU ）或处理部件PE 的个数d ；3、每个算术逻辑部件包含基本逻辑线路（ELC ）的套数w 。
1.2计算机系统设计技术·计算机系统设计的定量原理：①、加快经常性时间的处理速度；②、Amdahl 定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。
加速比=（采用改进措施后的性能）/（没有采用改进措施性能）=（没有采用改进措施前执行某任务的时间）/（采用改进措施后某任务执行时间）。
专升本《计算机系统结构》
专升本《计算机系统结构》计算机系统结构是计算机科学与技术专业中的一门重要课程，是培养学生计算机系统设计能力的关键课程之一、通过学习该课程，可以使学生了解计算机系统的组成结构，掌握计算机系统的工作原理，培养学生计算机系统设计与优化能力。
以下是关于计算机系统结构的一篇1200字以上的专业文章。
计算机系统结构是计算机科学与技术中的基础课程，主要研究计算机系统的组成结构和工作原理。
计算机系统是由硬件和软件两个部分组成，硬件包括中央处理器、内存、外设等，软件包括操作系统、应用程序等。
计算机系统结构主要研究如何将这些硬件和软件组合起来，构成完整的计算机系统。
计算机系统结构包括指令流水线、存储器层次结构、总线系统和I/O系统等内容。
其中，指令流水线是计算机系统中的一种重要技术，可以提高计算机运行速度。
指令流水线将指令执行过程划分为若干个阶段，每个阶段只执行一个操作，从而可以并行执行多个指令。
通过指令流水线可以提高计算机的效率，降低计算机系统的延迟。
存储器层次结构是计算机系统中的另一个重要部分，主要包括主存、高速缓存和辅助存储器等。
存储器层次结构的设计是为了在速度、容量和成本之间找到一个平衡点。
高速缓存是CPU和主存之间的一种高速存储器，用于存放经常访问的数据和指令。
通过高速缓存可以减少CPU访问主存的次数，提高计算机的运行速度。
总线系统是计算机系统中的交通系统，用于连接计算机系统中不同部件之间的数据和信号。
总线系统主要包括数据总线、地址总线和控制总线等。
数据总线用于传输数据，地址总线用于传输地址，控制总线用于传输控制信号。
总线系统的设计需要考虑带宽、传输速度和信号干扰等因素，以保证计算机系统的正常运行。
I/O系统是计算机系统中的输入输出系统，用于对外部设备进行数据交换。
I/O系统主要包括输入设备、输出设备和I/O接口等。
输入设备用于将外部设备的数据输入到计算机系统中，输出设备用于将计算机系统中的数据输出到外部设备中，I/O接口用于连接计算机系统和外部设备。
计算机系统结构3篇
计算机系统结构（一）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成的整体架构，它决定了计算机的性能和功能。
一个好的计算机系统结构应该具有高性能、高可靠性、高扩展性、低成本等特点。
计算机系统结构一般分为三个层次：应用层、操作系统层和硬件层。
应用层是计算机系统结构最上层的层次，也是最接近用户的层次。
应用层包括各种应用软件，如文本处理软件、图像处理软件、音频软件、视频软件等。
应用层的任务是满足用户对计算机系统的各种需求。
操作系统层是计算机系统结构中间的层次，它是连接应用层和硬件层的桥梁。
操作系统层包括各种操作系统软件，如Windows、Linux、Unix等。
操作系统层的任务是管理计算机的各种资源，如CPU、内存、磁盘等，并为应用层提供各种服务。
硬件层是计算机系统结构最底层的层次，它包括计算机的各种硬件设备，如CPU、主板、内存、硬盘、光驱、显示器、鼠标、键盘等。
硬件层的任务是执行计算机的各种指令，提供运行环境和各种资源。
（二）计算机系统结构中的CPUCPU，全称Central Processing Unit，是计算机系统结构中最为重要的组成部分，也是最为核心的部件。
CPU的主要任务是执行各种指令，控制计算机系统的运行，完成计算、处理和输出等各种操作。
CPU主要由控制器和运算器两部分组成。
控制器主要负责控制计算机各部分的运行，从主存中取指令，并解码指令，执行出相应的操作，将结果保存到主存中。
运算器主要负责完成各种算术和逻辑运算，计算机的运行速度和运算器的性能直接相关。
CPU的性能主要由频率和架构两部分组成。
频率是指CPU每秒钟执行的时钟周期数，一般用GHz来表示。
架构是指CPU内部的各种设计，包括指令集、寄存器、运算器等。
不同的架构对CPU的性能影响很大，比如Intel的x86架构和ARM架构，就有很大的性能差异。
CPU还有一个重要的特性就是多核处理器。
多核处理器是指在一个CPU芯片中，集成了多个CPU核心。
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设计计算机系统结构时需要遵循一些重要的原则，以保证系统的可靠性和性能。
1. 层次化原则计算机系统结构应该采用分层结构，将复杂的系统划分为若干层次，每个层次负责不同的功能。
这样可以提高系统的可维护性和可扩展性。
2. 模块化原则计算机系统应该由多个独立的模块组成，每个模块负责完成一定的功能。
这样可以提高系统的可测试性和可重用性。
《计算机系统结构课件》
P ip elin e
通过管道技术提高处理器性能，分析其原理和实现。
3
多核处理器
探索多核处理器的设计和并行计算的优化策略。
存储器层次结构
Cache
深入了解高速缓存的工 作原理和优化技术，以 提高数据访问速度。
内存
介绍内存的组织方式和 管理机制，包括虚拟内 存和页式存储。
硬盘与固态硬盘
比较传统硬盘和固态硬 盘的性能特点和应用场 景。
《计算机系统结构课件》
探索计算机系统结构的精髓，从基础概念到最新趋势，为您提供系统化的知 识体系。
计算机系统结构概述
深入理解计算机系统结构的基本原理和设计原则，包括硬件和软件之间的交互关系。
处理器架构与指令集
1
RISC & CISC
研究不同处理器架构的特点和优劣，并了解不同指令集的功能和应用。
2
总线与输入输出系统
总线架构
了解计算机总线的作用和不 同类型的总线架构。
输入输出设备
接口标准
介绍常见的输入输出设备以 及与计算机系统的连接方式。
讨论不同接口标准的特点、 优劣和应用场景。
中断与异常处理
1
中断处理机制
2
探讨中断处理程序的执行过程和
与操作系统的交互。
3
中断分类
详细解释硬件和软件中断的类型 和应用，包括外设中断和异步事 件。
异常处理
了解异常的原因、处理机制和异 常处理程序的设计。
操作系统对计算机系统结构的影响
1 内存管理
分析操作系统如何管理和优化内存使 用，包括分页和分段。
2 调度算法
研究操作系统的进程调度和线程调度 算法，提高系统的并发性。
3 文件系统Leabharlann 讨论文件系统的设计和组织结构，包括文件分配和安全性管理。
专升本《计算机系统结构》
专升本《计算机系统结构》专升本的同学们，咱们今天来聊聊《计算机系统结构》这门课。
说起计算机系统结构，可能有的同学会觉得头疼，心想：“哎呀，这得多复杂呀！”其实呀，它没那么可怕。
就拿我之前遇到的一件事来说吧。
有一次我去朋友家，他正为了一个计算机系统的问题愁眉苦脸。
他的电脑运行速度超级慢，打开个文档都得等半天。
我就帮他检查了一下，发现是他同时运行的程序太多，内存分配不合理。
这其实就是计算机系统结构里会讲到的知识。
那咱们回到这门课上，计算机系统结构主要研究的是计算机系统的硬件和软件之间的关系。
比如说，处理器的结构、存储系统的设计、指令系统的优化等等。
先来说说处理器。
大家都知道，处理器就像是计算机的大脑，它的性能直接决定了计算机的运行速度。
现在的处理器越来越厉害，从单核到多核，速度那是蹭蹭地往上提。
但这里面可大有学问，怎么合理地分配任务给各个核心，怎么让它们协同工作，这都需要我们深入了解计算机系统结构。
再讲讲存储系统。
想象一下，我们的电脑里存了好多照片、视频、文件，那这些东西得有地方放呀。
存储系统就像是一个大仓库，得把东西放得井井有条，我们找的时候才能快速找到。
这里面就涉及到存储层次的概念，从高速缓存到内存，再到硬盘，它们的速度和容量都不一样，怎么合理利用它们，让计算机既能存得下东西，又能快速读取，这也是计算机系统结构要研究的。
还有指令系统，这就像是计算机的“语言”。
指令设计得好，计算机执行任务的效率就高。
比如说，一条简单的指令就能完成复杂的操作，那就能节省很多时间和资源。
学习计算机系统结构，可不是光死记硬背那些理论知识就行。
得像搭积木一样，把各个部分组合起来，理解它们之间的关系。
比如说，我们在做一个项目的时候，要考虑怎么选择合适的处理器，怎么配置存储系统，才能让整个系统运行得又快又稳定。
总之，《计算机系统结构》这门课虽然有点难，但只要我们用心学，多联系实际，就一定能掌握它。
就像我帮朋友解决电脑问题一样，当我们把学到的知识运用到实际中，那种成就感可太棒啦！希望大家在学习这门课的过程中，都能发现其中的乐趣，加油哦！。
专升本《计算机系统结构》
专升本《计算机系统结构》哎呀，说起专升本的《计算机系统结构》这门课，那可真是让不少同学又爱又恨呐！我还记得之前有个同学，叫小李，他下定决心要通过专升本来提升自己的学历。
当他第一次接触《计算机系统结构》的时候，那表情就跟看到了外星文字一样，一脸的迷茫和无助。
咱们先来说说这门课到底是啥。
它就像是计算机世界的“建筑蓝图”，告诉你计算机内部是怎么运作的，各个部件之间如何协同工作，从而让计算机能够高效地完成各种任务。
比如说，CPU 是怎么处理数据的，内存是怎么存储信息的，还有那些复杂的指令系统又是怎么指挥计算机干活的。
在教材里，第一章就会给你讲计算机系统的层次结构。
这就好比是盖房子，得先有个框架。
从最底层的硬件，到操作系统、汇编语言、高级语言，一层一层往上，每个层次都有自己的特点和作用。
就像我们住的房子，地基要稳，框架要牢，装修要漂亮，每个部分都不能马虎。
再说说存储系统，这可是个大重点。
教材里会详细介绍各种存储技术，什么高速缓存、主存、辅存。
想象一下，这就像是你的书包、书桌和书架。
书包里放着你随时要用的东西，书桌放着这几天要用的，书架里则是长期存放的资料。
计算机的存储系统也是这样，要根据数据的使用频率和重要性，把它们放在合适的地方，这样才能保证计算机运行得又快又稳。
还有指令系统，这就像是计算机的“命令手册”。
不同的指令就像是不同的命令，告诉计算机要做什么。
有的指令让它做加法，有的让它做乘法，还有的让它进行数据的传输。
学这个的时候，可真是要费点脑筋，得把那些指令的格式、功能都记得清清楚楚。
回到小李同学身上，他刚开始的时候，被这些复杂的概念搞得晕头转向。
但是他没有放弃，每天抱着教材啃，做笔记，还在网上找各种学习资料。
有一次，我看到他在教室里，对着一道关于存储系统的题目，苦思冥想了一个多小时，最后终于搞明白了，那高兴的样子，就像解开了一道世界难题。
经过一段时间的努力，小李慢慢摸到了门道。
他发现，只要把教材里的知识点和实际的计算机操作结合起来，理解起来就容易多了。
计算机系统结构导论
第一节 计算机系统结构的基本概念
二、计算机系统中的有关术语 1. 什么是计算机系统（computer system） 计算机系统这个术语的含义一般有三种指向。 一是指狭义的计算机系统。认为计算机系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五个部件组成。其中运算器和控制器合称为中央处理器（CPU），存储器又分为内存（又称主存memory）和外存（又称辅存storage）两种，所以这种说法又可简化为I/O—CPU—M/S模式。 二是指本义的计算机系统。认为计算机系统是由硬件（hardware）和软件（software）两部分组成。由于技术飞速进步，软件和硬件在逻辑功能上是等效的，某些操作既可以用软件实现，也可以用硬件实现。软件和硬件之间没有固定不变的界面，主要受实际的需要和性能价格比所支配。具有相同功能计算机系统的软件与硬件之间的组合分配可能相差很大。这就是当今软硬结合的现实，这种说法可以认为是S—H模式。
（2）计算机系统结构研究的问题及其内容。 计算机系统结构作为一门学科，主要是研究软件与硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件完成，以及如何最佳最合理地实现分配给硬件的功能。它所包括的内容一般有： ①数据表示、②寻址方式、③寄存器组织、④指令系统、⑤存储系统、⑥中断机构、⑦机器工作状态（如管态、目态等）的定义和切换、⑧机器级的1/0结构、⑨信息保护 2. 计算机组成 （1）什么是计算机组成。 在确定计算机系统结构以及分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。 （2）计算机逻辑设计的目的及其内容。
计算机系统结构随书清华大学出本社
3×500MHz＝1500 (MIPS) 即每秒15亿次
例3： 一个由8台机器组成的Cluster系统，每台机
器是4个PentiumIII 500组成的SMP系统； 计算这个Cluster系统的指令峰值速度。
38
解： 峰值指令速度： 500MHz ８４３ ＝ 48(GIPS) 即每秒480亿次。
4
计算机系统结构
第一章 基本概念 第二章 指令系统 第三章 存储系统 第四章 输入输出系统 第五章 标量处理机
第六章 向量处理机 第七章 互连网络 第八章 并行处理机 第九章 多处理机
5
第一章 基本概念
1.1 计算机系统结构的定义 1.2 计算机系统的评价标准 1.3 计算机系统的设计方法 1.4 计算机系统结构的发展 1.5 计算机系统的分类
3
教材
计算机系统结构，清华大学出版社，郑玮民， 汤志忠编著，2001年第二版
主要参考书
1． 《Advanced Computer Architecture and
Parallel processing》
Hesham EL-Rewini，
2．李学干,苏东庄,计算机系统结构,西安电 子科技大学出版社。
指令系统：机器指令的操作类型、格式，指令 间的排序和控制机制等；
9
中断系统：中断类型、中断级别和中断响应 方式等；
存储系统：最小编址单位、编址方式、主存 容量、最大寻址空间等；
处理机工作状态：定义和切换方式，如管态 和目态等；
输入输出系统：连接方式、数据交换方式、 数据交换过程的控制等；
信息保护：包括信息保护方式和硬件对信息 保护的支持等。
在特殊的计算机系统中，有些级别可 能不存在。
计算机系统结构第章
计算机系统结构第章1. 引言计算机系统结构是指计算机硬件和软件组成的总体结构、各个部件的功能和相互关系，以及与外界的接口和交互方式。
计算机系统结构是计算机科学和工程领域的一个重要研究方向，对于理解计算机的工作原理和提高计算机系统性能具有重要意义。
2. 计算机系统结构的基本概念计算机系统结构包括计算机硬件和软件两个方面。
计算机硬件是指计算机的物理组成，包括中央处理器（CPU）、主存储器、外部存储器、输入输出设备等。
计算机软件是指计算机系统所运行的程序、操作系统和应用软件。
3. 中央处理器中央处理器是计算机系统结构中最核心的部件，负责执行计算机所运行的程序。
中央处理器由控制单元和算术逻辑单元组成，控制单元负责指令的解析和执行，算术逻辑单元负责算术和逻辑运算。
中央处理器的性能取决于其时钟频率、指令的执行速度以及并行处理能力。
4. 主存储器主存储器是用来存储程序运行时所需的数据和指令的地方。
主存储器通常是由随机存取存储器（RAM）组成，具有读写速度快、容量较大的特点。
主存储器的访问速度直接影响计算机系统的性能，因此在计算机系统设计中需要充分考虑主存储器的存取速度和容量。
5. 外部存储器外部存储器是计算机系统结构中用于长期存储数据和程序的设备，例如硬盘、光盘等。
外部存储器的容量通常较大，但其读写速度相对较慢。
在计算机系统中，外部存储器被用于存储大量的数据和操作系统，以便在程序运行期间进行读写操作。
6. 输入输出设备输入输出设备用于将计算机系统的数据和信息与外界进行交互。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等，而输出设备包括显示器、打印机等。
输入输出设备的种类繁多，不同的设备有不同的数据传输速度和控制方式，因此在计算机系统结构中需要考虑输入输出设备的兼容性和性能。
7. 计算机指令集计算机指令集是计算机系统结构中定义的一组指令，用于编程和控制计算机的运行。
计算机指令集可以分为精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）两种类型。
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3、软硬件的功能分配问题 、 • 复杂的指令使指令的执行周期大大加长。 一般CISC处理机的指令平均执行周期都在4以上， 有些在10以上， • 在CISC中，增强指令系统功能，简化了软件， 硬件复杂了。 • 1981年，Patterson等人研制了32位的RISC I 微处理器。 总共31种指令，3种数据类型，两种寻址方式。 研制周期10个月，比当时最先进的MC68000和 Z8002快3至4倍， • 1983年，又研制了RISC II， 指令种类扩充到39种，单一的变址寻址方式，通 用寄存器138个。
2.5 精简指令系统计算机RISC 精简指令系统计算机
2.5.1 从CISC到RISC 2.5.2 RISC的定义与特点 2.5.3 RISC的精华 2.5.4 RISC的关键技术 2.5.5 RISC优化编译技术
2.5.1 从CISC到RISC 到
• 70年代，指令系统已经非常庞大，指令 功能相当复杂。
5个用不同地址数编写的程序的有关参数
地址数目 三地址 二地址 一地址 零地址 二地址R 型 指令条数 5 7 9 12 8 访存次数 20 26 18 41 15 程序存储量 执行速度(访存信息量) 5P＋15A＝65B 5P＋15A＋15D＝185B 7P＋14A＝63B 7P＋14A＋19D＝215B 9P＋ 9A＝45B 9P＋ 9A ＋ 9D＝117B
例子： • 例子：
LOOP: X X X YYY …… ZZZ COMP R1, R2, LOOP WWW (a) 调整前的程序 XXX LOOP: Y Y Y …… ZZZ COMP R1, R2, LOOP XXX WWW (b) 调整后的程序
2.2.2 操作数优化──寻址方式比较（P95）
指令中操作数占用的位数由操作数的个数与寻址方式决定。 按操作数的个数划分，有零操作数指令、一操作数指令、 二操作数指令、三操作数指令共四种形式。应该按机器用途 来选择（P99，表2.20）。 缩短操作数长度的常用方法是间址和变址（P99页末）。
2.3.3 地址码的优化表示
2.4.3 指令系统的优化设计
指令系统的优化设计有两个截然相反的方向： 指令系统的优化设计有两个截然相反的方向： 1．复杂指令系统计算机CISC（Complex Instruction Set Computer） 增强指令功能，设置功能复杂的指令 面向目标代码、面向高级语言、面向操作系 统 用一条指令代替一串指令 2．精简指令系统计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer） 简化指令功能，只保留功能简单的指令 较复杂的功能用子程序来实现
2.5.2 RISC的定义与特点 的定义与特点 • 卡内基梅隆(Carnegie Mellon）大学论述RISC特 点： 1、大多数指令在单周期内完成。 2、LOAD/STORE结构。 3、硬布线控制逻辑。 4、减少指令和寻址方式的种类。 5、固定的指令格式。 6、注重编译优化技术。
• 90年代初，IEEE的Michael Slater对RISC定义的描 述： 1、RISC为使流水线高效率执行，应具有下述特征： (1) 简单而统一格式的指令译码。 (2) 大部分指令可以单周期执行完成。 (3) 只有LOAD和STORE指令可以访问存储器。 (4) 简单的寻址方式。 (5) 采用延迟转移技术 (6) 采用LOAD延迟技术 2、RISC为使优化编译器便于生成优化代码，应具有 下述特征： (1) 三地址指令格式。 (2) 较多的寄存器。 (3) 对称的指令格式。
• RISC设计思想也可以用于CISC中 例如：Intel公司的80x86处理机的CPI在不断缩小， 8088的CPI大于20， 80286的CPI大约是5.5， 80386的CPI进一步减小到4左右， 80486的CPI已经接近2， Pentium处理机的CPI已经与RISC十分接近。 • 目前，超标量、超流水线处理机的CPI已经达到0.5， 实际上用IPC(Instruction Per Cycle)更确切
3、程序控制指令 、 • 主要包括三类：转移指令、调用和返回指令、循 环控制指令 转移条件主要有：零(Z)、正负(N)、进位(C)、溢 出(V)及它们的组合 4、输入输出指令 、 • 主要有：启动、停止、测试、控制设备，数据输 入、输出操作等 采用单一的直接寻址方式， • 在多用户或多任务环境下，输入输出指令属于特 权指令 • 也可以不设置输入输出指令 输入输出设备与主存储器共用同一个零地址空间
2、缩短地址码长度的方法 、
目的： 目的：用一个短的地址码表示一个大的逻辑地址空间 • 用间址寻址方式缩短地址码长度 在主存储器的低端开辟一个专门存放地址区域， • 用变址寻址方式缩短地址码长度 由于程序的局部性，变址寻址方式中的地址偏移量比 较短， • 用寄存器间接寻址方式缩短地址码长度，很有效的 方法 例如，16个间址寄存器，用4位地址码就能表示一个任 意长的逻辑地址; 用来支持间接寻址的寄存器，可 以借用通用寄存器
地址码个数结论： 地址码个数结论：
对于一般处理机，采用通用寄存器结构二地址指 令是最理想的，其程序存储器容量最省，指令执 行速度最快。 如果强调硬件结构简单，并且以连续运算（如求 累加和等）为主，宜采用一地址结构。 对于以向量，矩阵运算为主的计算机系统，最好 采用三地址结构。 对于解决以递归问题为主的计算机系统，宜采用 零地址结构。
1、地址码个数的选择 、 • 地址码个数通常有三个、两个、一个及０个等 四种情况 • 评价地址码个数应该取多少的标准主要有两个： 一是程序的存储容量，包括操作码和地址码 二是程序的执行速度，以程序执行过程中访问 主存的信息量代表 • 通过一个典型例子来分析： 例如：计算算术表达式: a ⋅b + c − d x= Page:96e+ f
p.113 表2.25 Intel 8088处理机指令系统使用频度和执行时间统计 （C语言编译程序和PROLOG解释程序）
8088处理机的指令种类大约100种。 前11种指令的使用频度，前8种指令的运行时间就已 经超过了80％， 前20种（20％）指令的使用频度达到91.1％，运行时 间达到97.72％， 其余80％指令的使用频度只有8.9％，只占2.28％的 处理机运行时间。
12P＋7A＝40B 12P＋7A＋29D＝272B 8P+7A+9R＝ 40B 8P+7A+9R+7D＝96B
注：P表示操作码长度，A表示地址码长度，D表示数据长度， R表示通用寄存器的地址码长度，B表示字节数。并取：D＝2A ＝8P＝16R＝8B
各种不同地址数指令的特点及适用场合
地址数目 三地址 二地址 一地址 零地址 二地址R型 指令长度 程序存储 程序执行 量 速度 短 一般 较长 最长 一般 最大 很大 较大 最小 最小 一般 很低 较快 最低 最快 适用场合 向量，矩阵运算为 主 一般不宜采用 连续运算，硬件结 构简单 嵌套，递归，变量 较多 多累加器，数据传 送较多
CISC与RISC的I、CPI和T的比较
类型 CISC RISC 指令条数 I 1 1.3～1.4 指令平均周期数 CPI 2～15 1.1～1.4 周期时间 T 33ns～5ns 10ns～2ns
的速度要比CISC快3倍左右 关键是 倍左右,关键是 • RISC的速度要比 的速度要比 快 倍左右 关键是RISC的 的 CPI减小了 减小了 • 硬件方面：采用硬布线控制逻辑 减少指令和寻址方式的种类 使用固定的指令格式 采用LOAD/STORE结构 指令执行过程中设置多级流水线等 • 软件方面：十分强调优化编译技术的作用
• 1975年，IBM公司率先组织力量，开始研究指令 系统的合理性问题。 1979年研制出世界上第一台采用RISC思想的计 算机IBM 801， 1986 1986年，IBM正式推出采用RISC体系结构的工 IBM RISC 作站IBM RT PC IBM PC， CISC指令系统存在的问题： 指令系统存在的问题： 指令系统存在的问题 （1979年，美国加洲伯克利分校David Patterson） 1、20％与80％规律 、 ％ ％ CISC中，大约20％的指令占据了80％的处理机 时间。
5、处理机控制和调试指令 、 • 处理机状态切换指令 处理机至少有两个(管态和用户态)或两个以上 状态 • 硬件和软件的调试指令 硬件调试指令：钥匙位置、开关状态的读取， 寄存器和主存单元的显示等 软件调试指令：断点的设置、跟踪， 自陷井指令等
2.4.2 指令系统性能
• 完整性是指应该具备的基本指令种类， 通用计算机的5类基本指令 • 规整性包括对称性和均匀性 对称性：所有寄存器同等对待 操作码的设置等都要对称，如：A－B与B－A A B B A 均匀性：不同的数据类型、字长、存储设备、 操作种类要设置相同的指令 • 高效率：指令的执行速度要快 指令的使用频度要高 各类指令之间要有一定的比例 • 兼容性：在同一系列机内指令系统不变（可以适 当增加）
2、VLSI技术的发展引起的问题 、 技术的发展引起的问题 • VLSI工艺要求规整性，RISC正好适应了VLSI 工艺的要求。 • 主存与控存的速度相当， 简单指令没有必要用微程序实现， 复杂指令用微程序实现与用简单指令组成的子 程序实现没有多大区别。 由于VLSI的集成度迅速提高，使得生产单芯片 处理机成为可能。
2.5.3 减少 减少CPI是RISC思想的精华 是 思想的精华 • 程序执行时间的计算公式： P＝I·CPI·T ＝ 其中：P是执行这个程序所使用的总的时间； I是这个程序所需执行的总的指令条数； CPI(Cycles Per Instruction)是每条指令执 行的平均周期数； T是一个周期的时间长度。
2.3.4 指令格式设计举例
指令的长度：有固定长度和可变长度两种， 操作码长度：有固定长度和可变长度两种， 例如：IBM370系列机， 操作码长度固定：8位 8 指令长度有16位、32位和48位等多种 地址个数以两地址为主 16个通用寄存器，可兼做变址寄存器和基址寄 存器使用