计算机体系结构(张晨曦) 第2章 PPT
最新计算机体系结构课后习题原版答案-张晨曦著
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。
透明性：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。
系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
第2章 计算机系统的结构组成与工作原理PPT课件
2. 计算机组成：从硬件角度关注物理机器的各部件的功 能以及各部件的联系。对程序员是透明的。
3. 计算机实现：指的是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；
1. 计算机体系结构是人眼看不见的东西，而计算机组成是人 眼可见的
2.3 微处理器体系结构的改进（理解）
✓ 冯·诺依曼结构的改进 ✓ 并行技术的发展 ✓ 流水线结构 ✓ 超标量与超长指令字结构 ✓ 多机与多核结构
2.4 计算机体系结构分类（理解） 2.5 计算机性能评测（掌握）
✓ 字长、存储容量、运算速度
第二章 计算机系统的结构组成与工作 原理
2.1 计算机系统的基本结构与组成
冯·诺依曼体系结构
一．硬件组成
五大部分
运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 以运算器为中心(现在以存储器为中心)
二．信息表示：二进制
计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并 存放在同一个存储器中。
三．工作原理：存储程序/指令(控制)驱动
编制好的程序(包括指令和数据) 预先经由输入设备输入并 保存在辅助存储器中；程序开始运行时，计算机在不需要人工 干预的情况下由控制器自动、高速地依次从存储器中取出指令 并加以执行。
2.4 计算机体系结构分类 2.5 计算机性能评测PerformanFcelynn
字长、存储容量、运算速度
2.6 习题 3 / 50
2020/12/6
计算机系统的层次结构
应用软件 系统分析层（数学模型、算法） 用户程序层（语言编程）
应用语言虚拟机 高级语言虚拟机
语言系处统理层软（件解：释操、作编译系）统、编译器、数据库汇管编语理言系虚拟机 统操、作W系eb统浏层览器、设备驱动、中断服操务作程系序统虚拟机
计算机系统结构(高教版)张晨曦 习题答案 第二章
2.1 解释下列术语：堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。
累加型机器——CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。
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。
CISC——复杂指令集计算机。
RISC——精简指令集计算机。
寻址方式：一种指令集结构如何确定所要访问的数据的地址。
数据表示：指计算机硬件能够直接识别、指令集可以直接调用的数据类型。
2.4 指令集应满足那几个基本要求？（书P32-33）答：对指令集的基本要求是：完整性、规整性、高效率和兼容性。
完整性：指在一个有限可用的存储空间内，对于任何可解的问题，编制计算程序时，指令集所提供的指令够用。
完整性要求指令集功能齐全、使用方便。
规整性：主要包括对称性和均匀性。
对称性是指所有与指令集有关的存储单元的使用、操作码的设置等都是对称的。
均匀性是指对于各种不同的操作数类型、字长、操作种类和数据存储单元，指令的设置都要同等对待。
高效率：指令的执行速度快、使用频率高。
在RISC机体系结构中，大多数指令都能在一个节拍内完成，而且只设置使用频率高的指令。
兼容性：系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而，指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。
2.5 指令集结构设计所涉及的内容有哪些？答：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，查看各种寻址方式的使用频度，根据使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IEEE754标准）、整形数据类型（8位、16位、32位的表示方法）、字符类型（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。
计算机系统结构(张晨曦)基本概念
在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。 只要时间上 互相重叠，就存在并行性。 同时性 两个或多个事件在同一时刻发生的并行性。 并发性 两个或多个事件在同一时间间隔内发生的并行性。 字串位串 每次只对一个字的一位进行处理。这是最基本的串行处理方式。 字串位并 同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。 字并位串 同时对许多字的同一位（称为位片）进行处理。 全并行 同时对许多字的全部位或部分位进行处理。 指令内部并行 单条指令中各微操作之间的并行。 指令级并行 并行执行两条或两条以上的指令。 线程级并行 并行执行两个或两个以上的线程，通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。 任务级或过程级并行 并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段） ，以子程序或进程为调度单元。 作业或程序级并行 并行执行两个或两个以上的作业或程序。 时间重叠 多个处理过程在时间上相互错开， 轮流使用同一套硬件设备的各个部分， 以加快硬件周转而 赢得速度。 资源重复 通过重复设置资源，尤其是硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。 资源共享 是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。 同构型（对称型）多处理机 由多个同类型， 至少担负同等功能的处理机组成， 同时处理同一作业中能并行执行的多个任 务。 异构型（非对称型）多处理机 由多个不同类型，至少担负不同功能的处理机组成，按照作业要求的顺序，利用时间重叠原 理，依次对它们的多个任务进行加工，各自完成规定的功能动作。 分布处理系统 把若干台具有独立功能的处理机（或计算机）相互连接起来，在操作系统的全盘控制下，统 一协调地工作，而最少依赖集中的程序、数据或硬件。 耦合度 反映多机系统各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。 松散耦合 通过通道或通信线路实现计算机间互连， 共享某些外围设备， 机间的相互作用是在文件或数
计算机系统结构__《张晨曦、王志英》课后习题参考答案
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。
系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
2024版计算机系统组成完整版PPT课件
1 2
存储程序控制 将程序和数据存储在同一个存储器中，通过控制 器按照程序的要求进行数据的存取和操作。
指令和数据以二进制形式表示 计算机内部采用二进制数制，指令和数据都以二 进制形式表示和存储。
3
五大部件组成 包括输入设备、输出设备、存储器、运算器和控 制器五个基本组成部分。
哈佛结构
程序和数据分开存储
防火墙
设置在网络边界的安全设备，用于监 控和控制网络通信，防止未经授权的 访问和攻击。防火墙可以过滤数据包、 识别并阻止恶意流量。
入侵检测
通过对网络和系统活动进行实时监控和 分析，发现潜在的入侵行为和异常活动。 入侵检测系统可以生成警报、记录日志 并采取相应的防御措施。
数据备份与恢复策略
数据备份
定期将重要数据复制到其他存储介质或远程服务器上，以防止 数据丢失或损坏。备份策略应根据数据的重要性和变化频率进 行制定。
06
计算机系统选购与维护
选购原则与技巧
01
需求分析
明确使用目的和预算，选择合适的 硬件配置和软件需求。
性价比
对比不同产品性能与价格，选择性 价比较高的产品。
03
02
品牌与型号
优选知名品牌和经典型号，确保质 量和售后服务。
兼容性
确保选购的硬件设备和软件相互兼 容，避免不必要的麻烦。
04
组装与调试过程
性能测试方法与工具
01
02
03
基准测试
通过运行一系列标准化的 测试程序，测量计算机的 各项性能指标。
压力测试
模拟高负载情况下的计算 机运行环境，测试计算机 的稳定性和可靠性。
性能测试工具
如Cinebench、3DMark、 PCMark等，可以对计算 机的各项性能进行全面测 试和评估。
计算机体系结构课后习题原版答案_张晨曦著
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。
系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
计算机体系结构课后习题原版答案_张晨曦著
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。
系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
计算机体系结构课后习题原版复习资料张晨曦著
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。
透明性：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。
系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
计算机体系结构第2版课件第2章 第2讲
寻址技术
寻址实际上是从形式地址到实际地址的转换。 形式地址由指令描述，实际地址也称为有效 地址。
有效地址指明的是存储器单元的地址或寄存 器地址。
必须加速有效地址生成。
常用的一些操作数寻址方式
寄存器寻址
指令实例：Add R4 , R3 含义：Regs[R4]←Regs[R4]＋Regs[R3]
八十年代发展起来的精简指令集计算机（RISC）， 其目的是尽可能地降低指令集结构的复杂性，以达 到简化实现，提高性能的目的。
CISC指令集功能设计
面向目标程序增强指令功能
提高运算型指令功能； 提高传送指令功能； 增加程序控制指令功言和编译系统支持的指令功能； 高级语言计算机指令系统。
常用的一些操作数寻址方式
自减寻址
指令实例：Add R1, -(R2) 含义：
Regs[R2]←Regs[R2]－d Regs[R1]←Regs[R1]+Mem[Regs[R2]]
缩放寻址
指令实例：Add R1 , 100(R2)[R3] 含义：
Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[100＋ Regs[R2]＋Regs[R3]*d]
操作数的类型和大小
整数（定点）：二进制补码表示；其大小可以是字 节（8位）、半字（16位）或单字（32位）。
浮点：可以分为单精度浮点（单字大小）和双精度 浮点（双字大小）。当前普遍采用的是IEEE 754 浮点操作数表示标准。
字符和字符串：8位ASCII码表示。
操作数的类型和大小
十进制：通常采用 “压缩十进制”或“二进制编 码十进制”表示。压缩十进制数据表示用4位编码 数字0～9，然后将两个十进制数字压缩在一个字 节中存储。如果将十进制数字直接用字符串来表示， 就叫做“非压缩十进制”表示法。
计算机体系结构课后习题原版答案-张晨曦著（2）
第1章计算机系统结构的基本概念1.1解释下列术语计算机系统结构：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。
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。
并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。
只要在时间上相互重叠，就存在并行性。
它包括同时性与并发性两种含义。
1.2试用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。
答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构。
确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。
选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。
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。
一种体系结构可以有多种组成。
一种组成可以有多种实现。
1.4计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？并说出它们的含义。
答：（1）以经常性事件为重点。
在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进。
（2）Amdahl定律。
加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。
（3）CPU性能公式。
执行一个程序所需的CPU时间=IC×CPI×时钟周期时间。
（4）程序的局部性原理。
程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚。
1.6某台主频为400MHz的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下：指令类型指令执行数量平均时钟周期数整数450001数据传送750002浮点80004分支15002求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间。
计算机系统结构基础知识PPT课件
13
第1章 计算机系统结构的基础知识
举例：我们要制造飞机。首先要确定载客人数、
速度、高度等技术指标，这就属于系统结构；然 后根据技术指标研究、设计座舱怎么安排才可以 满足载客数量，飞机外形怎么设计才符合空气动 力学，供油、发动机、控制系统等等怎样设计、 组成，从而形成设计图纸上的飞机，这属于组成； 最后，经过论证确定设计没有问题，把图纸交付 工厂，由工人开始生产，这就是实现了。
(1)固件：具有软件功能的硬件。 (2)翻译：是先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地转 换成低一级机器级上可运行的等效程序，然后再在低一级机器 级上去实现的技术。 (3)解释：是在低一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真 高一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过高一级机器语 言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。 (4) 分层的好处：
3
第1章 计算机系统结构的基础知识
第1章 计算机系统结构的基础知识
1.1 计算机系统的多级层次结构 1.2 计算机系统结构、组成与实现 1.3 计算机系统的软硬件功能分配、性能
评测及定量设计原理 1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性发展和计算机系
统的分类
4
第1章 计算机系统结构的基础知识
第1章 计算机系统结构的基础知识
计算机系统结构
主讲
1
第1章 计算机系统结构的基础知识
一、课程目标
1、计算机系统结构的研究 掌握计算机系统结构基本概念、组成及相关设计原理； 掌握计算机系统结构各组成部分的相关技术、分析及设计
方法； 了解计算机系统设计的基本方法。
2、计算机并行处理技术的研究 流水线技术分析及设计； 互连网络技术研究； 并行处理机技术研究； 多处理机技术研究。
计算机体系结构第2版课件第2章 第1讲
指令集与计算机的性能
TCPU CPI IC TCLK
源程序
指令集
指令译码
指令编码
优化编译器
目标代码
CPI和数据通路 复杂度
2. 指令集结构的分类
一般来说，可以从如下五个因素考虑对计算 机指令集结构进行分类，即：
在CPU中操作数的存储方法； 指令中显式表示的操作数个数； 操作数的寻址方式； 指令集所提供的操作类型； 操作数的类型和大小。
两种主要的指令特性能够将通用寄存器型指 令集结构（GPR）进一步细分。
ALU指令到底有两个或是三个操作数？ 在ALU指令中，有多少个操作数可以用存储器
来寻址，也即有多少个存储器操作数？
通用寄存器型指令集结构的分类
ALU指令中 存储器操作 数的个数
0
ALU指令中 操作数的最多
个数
3
结构 类型
RR
机器实例
MIPS, SPARC, Alpha, PowerPC, ARM
1
2
RM
IBM 360/370, Intel 80x86, Motorola 6800
3
RM
IBM 360/370
2
2
MM
VAX
3
3
MM
VAX
通用寄存器型指令集结构的分类
可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构 进一步细分为三种类型：
缺点：
由于有一个操作数的内容将被破坏，所以指令中的两个操 作数不对称。在一条指令中同时对寄存器操作数和存储器 操作数进行编码，有可能限制指令所能够表示的寄存器个 数。指令的执行时钟周期因操作数的来源（寄存器或存储 器）的不同而差别比较大。
计算机体系结构(张晨曦) 第2章 PPT
Computer architecture
2.3 指令集结构的功能设计
规整性：主要包括对称性和均匀性。
对称性：所有与指令集有关的存储单元的使用、
操作码的设置等都是对称的。
例如：在存储单元的使用上，所有通用寄存器都要同等对
待。在操作码的设置上，如果设置了A-B的指
令，就应该也设置B-A的指令。
Add R1, -(R2) Add R1 , 100(R2)[R3]
Computer architecture
2.2 寻址方式
采用多种寻址方式可以显著地减少程序的指令条 数，但可能增加计算机的实现复杂度以及指令的CPI。
▲
16/75
Computer architecture
3. 各种寻址方式的使用情况统计结果
存储器间接寻址
自增寻址 自减寻址 缩放寻址
Add R1 , @(R3)
Add R1 , (R2)+
Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[Mem[Regs[R3]]]
Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[Regs[R2]] Regs[R2]←Regs[R2]＋d Regs[R2]←Regs[R2]－d Regs[R1]←Regs[R1]+Mem[Regs[R2]] Regs[R1]←Regs[R1] ＋ Mem[100 ＋ Regs[R2] ＋ Regs[R3]*d]
储器操作数的个数
ALU指令中
操作数的最多个数
结构
类型
机器实例
0
3
RR
MIPS，SPARC，Alpha，
PowerPC，ARM
IBM 360/370，Intel 80x86，Motorola 68000 IBM 360/370
最新计算机体系结构课后习题原版答案-张晨曦著
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。
透明性：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。
系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
《计算机体系结构(第2版)》教学课件—01计算机系统结构导论
价格
虚线为等性能线
巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机
t-3
t-2
t-1
t
t+1
年代
图1.3 计算机体系结构等级与性能、价格的关系
第一节 计算机体系结构的基本概念
3.计算机体系结构的系列性
系列机是指由同一个厂家生产的体系结构相同、组成和实现 不同的一系列不同型号的机器。简言之，体系结构相同的机器即 为系列机。而把不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机 称为兼容机。
系列机软件兼容是指同一个软件(目标程序)可以不加修改地 运行于系统结构相同的各档次的机器，而且所得结果一致。软件 兼容有向上兼容与向下兼容和向前兼容与向后兼容两种类型。
运行程序 M2机器语言机器
低级语言程序员 操作员
虚拟机
CPU 机器指令时序
机器语言程序 M1微程序控制
机器语言程序员
微程序控制 硬操作时序
硬联逻辑
寄存器传送门 逻辑设计员
M0硬联逻辑
逻辑线路内核
硬件设计员
物理机
第一节 计算机体系结构的基本概念
2. 计算机体系结构的等级性 计算机系统分为巨型、中型、小型、微型等若干等级。
第一节 计算机体系结构的基本概念
2. 计算机体系结构范畴
计算机体系结构作为一门学科，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：
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2.2 寻址方式
在VAX机器上运行gcc、Spice和Tex 基准程序
70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
Tex
Spice
gcc 55% 43% 39% 32% 40%
24% 16% 1% 6% 1% 6% 0% 缩放寻址 3% 寄存器间接寻址 立即数寻址 偏移寻址 17% 11%
堆栈结构
累加器结构
通用寄存器结构（RM） 通用寄存器结构（RR）
„ CPU
TOS
„
„
ALU ALU
„
ALU
„
ALU
„
存储器
„
„
„
„
（a）
„
（b）
„
（c）
„
（d）
灰色块：操作数
黑色块：结果
TOS（Top Of Stack）：栈顶
Computer architecture
2.1 指令集结构的分类
例: 表达式C=A+B在4种类型指令集结构上的代码。 假设：A、B、C均保存在存储器单元中，并且不能
Mem[ ]：存储器的内容 Regs[ ]：寄存器的内容 Mem[Regs[R1]]：以寄存器R1中的内容作为地址的 存储器单元中的内容
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寻址方式
寄存器寻址
指令实例
Add R4 , R3
含
义
Regs[R4]←Regs[R4]＋Regs[R3]
立即值寻址
偏移寻址 寄存器间接寻址 索引寻址 直接寻址或 绝对寻址
指令字长变化很大，特别是3操作数 存储器－存储器型 目标代码最紧凑，不需要 （2，2） 或（3，3） 设置寄存器来保存变量
指令。而且每条指令完成的工作也
差别很大。对存储器的频繁访问会 使存储器成为瓶颈。这种类型的指 令集结构现在已不用了
Computer architecture
2.2 寻址方式
1. 一种指令集结构如何确定所要访问的数据的地址？ 2. 当前的指令集结构中所采用的一些操作数寻址方式 ：赋值操作 Mem：存储器 Regs：寄存器组 方括号：表示内容
存储器间接寻址
立即数寻址方式和偏移寻址方式的使用频度最高。
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Computer architecture
4. 偏移量的取值范围
2.2 寻址方式
在load-store结构的机器（Alpha）上运行SPEC CPU2000基准程序
40% 35%
占 偏 移 寻 址 方 式 的 百 分 比
30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 整数 浮点
2.1 指令集结构的分类
9. 通用寄存器型指令集结构进一步细分为3种类型
寄存器-寄存器型（RR型） 寄存器-存储器型（RM型） 存储器-存储器型（MM型）
10. 3种通用寄存器型指令集结构的优缺点 表中(m，n)表示指令的n个操作数中有m个存 储器操作数。
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指令集结构类型
优
点
存储器间接寻址
自增寻址 自减寻址 缩放寻址
Add R1 , @(R3)
Add R1 , (R2)+
Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[Mem[Regs[R3]]]
Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[Regs[R2]] Regs[R2]←Regs[R2]＋d Regs[R2]←Regs[R2]－d Regs[R1]←Regs[R1]+Mem[Regs[R2]] Regs[R1]←Regs[R1] ＋ Mem[100 ＋ Regs[R2] ＋ Regs[R3]*d]
Computer architecture
第2章 计算机指令集结构
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2.1
2.2 2.3 2.4 2.5
指令集结构的分类
寻址方式 指令集结构的功能设计 操作数的类型和大小 指令格式的设计
2.6
MIPS指令集结构
▲
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Computer architecture
6. 通用寄存器结构
现代指令集结构的主流
2.1 指令集结构的分类
在灵活性和提高性能方面有明显的优势
跟其他的CPU内部存储单元一样，寄存器的访问
速度比存储器快。
对编译器而言，能更加容易、有效地分配和使用 寄存器。
寄存器可以用来存放变量。
（1）减少对存储器的访问，加快程序的执行速度； （因为寄存器比存储器快）
2个操作数的指令
其中一个操作数既作为源操作数，又作为目的操作数。
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2.1 指令集结构的分类
ALU指令中存储器操作数的个数
可以是0～３中的某一个，为0表示没有存储器操作数。
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8. ALU指令中操作数个数和存储器操作数个数的典型组合
ALU指令中存
Add R1, -(R2) Add R1 , 100(R2)[R3]
Computer architecture
2.2 寻址方式
采用多种寻址方式可以显著地减少程序的指令条 数，但可能增加计算机的实现复杂度以及指令的CPI。
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Computer architecture
3. 各种寻址方式的使用情况统计结果
4. 在设计指令集结构时，有两种截然不同的设计策略。
（产生了两类不同的计算机系统 ）
CISC（复杂指令集计算机）
Computer architecture
2.3 指令集结构的功能设计
规整性：主要包括对称性和均匀性。
对称性：所有与指令集有关的存储单元的使用、
操作码的设置等都是对称的。
例如：在存储单元的使用上，所有通用寄存器都要同等对
待。在操作码的设置上，如果设置了A-B的指
令，就应该也设置B-A的指令。
Computer architecture
2.1 指令集结构的分类
4. 对于不同类型的指令集结构，操作数的位置、个数以
及操作数的给出方式（显式或隐式）也会不同。
显式给出：用指令字中的操作数字段给出 隐式给出：使用事先约定好的存储单元
5. 4种指令集结构的操作数的位置以及结果的去向
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5. 立即数寻址方式
立即数寻址方式的使用频度
2.2 寻址方式
使用频度 指令类型 load指令 ALU指令 所有指令 整型平均 23% 25% 21% 浮点平均 22% 19% 16%
大约1/4的load指令和ALU指令采用了立即数寻址。
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立即数的取值范围
储器操作数的个数
ALU指令中
操作数的最多个数
结构
类型
机器实例
0
3
RR
MIPS，SPARC，Alpha，
PowerPC，ARM
IBM 360/370，Intel 80x86，Motorola 68000 IBM 360/370
2
1 3
RM
RM
2
3
2
3
MM
MM
VAX VAX
Computer architecture
实
例
算术运算和逻辑操作：加，减，乘，除，与，或等 load，store 分支，跳转，过程调用和返回，自陷等 操作系统调用，虚拟存储器管理等 浮点操作：加，减，乘，除，比较等
十进制
字符串 图形
▲
十进制加，十进制乘，十进制到字符的转换等
字符串移动，字符串比较，字符串搜索等 像素操作，压缩/解压操作等
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要求指令集功能齐全、使用方便 下表为许多指令集结构都包含的一些指令类型
前4类属于通用计算机系统的基本指令
对于最后4种类型的操作，不同指令集结构的支 持大不相同 。
▲
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操作类型
算术和逻辑运算 数据传输 控制 系统 浮点
2.3 指令集结构的功能设计
缺
点
指令字长固定，指令结构 寄存器－寄存器型 简洁，是一种简单的代码 生成模型，各种指令的执 （0，3） 行时钟周期数相近
与指令中含存储器操作数的指令集 结构相比，指令条数多，目标代码 不够紧凑，因而程序占用的空间比 较大
可以在ALU指令中直接对存 指令中的两个操作数不对称。在一 条指令中同时对寄存器操作数和存 储器操作数进行引用，而 不必先用load指令进行加 储器操作数进行编码，有可能限制 寄存器－存储器型 载。容易对指令进行编码， 指令所能够表示的寄存器个数。指 令的执行时钟周期数因操作数的来 （1，2） 目标代码比较紧凑 源（寄存器或存储器）不同而差别 比较大
破坏A和B的值。
堆 栈 push A push B add pop C
▲
累加器 load A add B
寄存器（RM型） load R1，A add R1，B
寄存器（RR型） load R1，A load R2，B add R3，R1，R2
store C
store R1，C
store R3，C
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Add R4 , #3
Add R4 , 100(R1) Add R4 , (R1) Add R3 , (R1 + R2) Add R1 , (1001)
Regs[R4]←Regs[R4]＋3