系统结构重点

系统结构重点：

第一章

1.层次结构的定义

层次划分

第0级和第1级是具体实现机器指定功能的中央控制部分

第2级是传统指令系统（机器语言）机器。

第3级是操作系统机器。操作系统是运行在第２级上的解释程序。

第4级是汇编语言机器。第5级是高级语言机器。第6级是应用语言机器。从学科领域来划分：第0和第1级属于计算机组织与结构，第3至第5级是系统软件，第6级是应用软件。

2.透明性概念：本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在。

例如：浮点数表示、乘法指令

对高级语言程序员、应用程序员透明

对汇编语言程序员、机器语言程序员不透明

3.系统结构的两种定义

定义一：程序员所看到的计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性；

定义二：计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定。4.计算机组成与实现的区别与联系：

计算机组成：指计算机系统结构的逻辑实现。

计算机实现：指计算机组成的物理实现。

5.计算机系统结构的分类：主要是Flynn分类方法

SISD：单指令流单数据流传统的顺序处理计算机

SIMD：单指令流多数据流阵列处理机和并行处理机为代表

MISD：多指令流单数据流

MIMD：多指令流多数据流多处理机

6.Amdahl定理：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总执行时间的比例有关。

7.局部性定理：

局部性的实质是:根据程序的最近情况可以较精确地预测出最近的将来将要用到哪些指令和数据。局部性分时间上的局部性和空间上的局部性两种。时间上的员都性是指最近访同过的代码是不将被访问的代码。空间上的局部性是指那此地址

下相邻近的代码可能会被一起访问，存诸器体系的相成就是以访向的局部性原理为基础的。

8.系统结构的评价标准：性能和成本

9.CPU性能：

10.计算机系统设计的主要方法：由上向下、由下向上、中间开始。

11软件兼容性即软件可移植性：是指一个软件可不经修改或只许少量修改便可由一台机器移植到另一台机器上去运行，即同一软件可应用于不同环境。

解决软件可移植性问题的方法：

（1）采用序列机。所谓序列机是指一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同的组成和实现的一系列不同型号的机器。兼容种类：向后、向前、向上、向下。其中向后兼容最重要，必须做到。向上（下）兼容是指按某档机器编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的机器。

（2）模拟（Simulation）与仿真（Emulation)。模拟方法是指用软件方法在一台现有的机器上实现另一台计算机的指令系统。用微程序直接解释另一台机器指令系统的方法称为仿真。

（3）采用统一的高级语言的方法

12.冯诺依曼结构与现代计算机系统结构的异同：

冯诺依曼结构：

（1）特点：存储程序，运算器为中心，集中控制

习题：见作业本

第二章

1.数据表示和数据类型的异同：

数据表示的定义：数据表示是指计算机硬件能够直接识别，

可以被指令系统直接调用的那些数据类型。

定点、逻辑、浮点、十进制、字符、字符串、堆栈和向量

数据类型：文件、图、表、树、阵列、队列、链表、栈、向量、串、实数、整

数、布尔数、字符等。

3.编址单位的种类：字编址、字节编址、位编址、块编址等

4.间接寻址方式与变址寻址方式的比较：

5.定位方式的种类：直接定位方式、静态定位、动态定位。

5.操作码的优化表示：（计算）

操作码的三种编码方法：固定长度，Huffman编码、扩展编码

改进操作码的编码方式能够节省程序的存储空间

Huffman编码法：（最优Huffman编码）能够使操作吗的平均长度最短，信息的冗余量最小，但是这种编码方法所形成的操作码很不规整。既不利于硬件的译码，也不利于软件的编译，也很难与地址码配合，因而折中，使用一种新的扩展编码法。

扩展编码法：为了实现分级译码，通常使用等长扩展法。

6.20%与80%规律：CISC中，大约20%的指令占据了80%的处理机时间。6.RISC和CISC的定义，特点，比较：

CISC是“复杂指令系统计算”的英文缩写，RISC是“精简指令系统计算”的英文缩写。CISC指令是为追求机器指令的功能更加接近于高级语言的语句而设计的，它具有如下特点：

(1)指令的功能复杂，通常一条指令的功能是多个简单功能的复合。

(2)机器指令的长度不统一。常用的指令较短，以提高程序的“存储效率”。

(3)各指令执行的周期数，因其功能或寻址方式的不同差别很大。

(4)处理器主要采用微程序控制技术，控制方便、灵活。

(5)访问内存的指令种类很多。

(6)操作数寻址方式较多。

(7)寄存器空间较小，便于任务切换。

RISC指令是为适应流水线的要求而设计的，它具有如下特点：

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

(1)指令功能单一，不复合。

(2)指令格式和长度统一规范。

(3)各指令执行周期数相差不大。

(4)处理器主要采用逻辑线路实现控制。

(5)只允许取数和存数指令访问存储器。

(6)操作数寻址方式较少。

(7)寄存器空间大，便于流水线操作，但不便于任务切换。

习题：

2.14 一台模型机共有7条指令，各指令的使用频率分别为35%，25%，20%，10%，5%，3%和2%，有8个通用数据寄存器，2个变址寄存器。

(1) 要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平均长度。

(2) 设计8字长的寄存器-寄存器型指令3条，16位字长的寄存器-存储器型变址寻址方式指令4条，变址范围不小于±127。请设计指令格式，并给出各字段的长度和操作码的编码。

2.15 某处理机的指令字长为16位，有双地址指令、单地址指令和零地址指令3类，并假设每个地址字段的长度均为6位。

(1) 如果双地址指令有15条，单地址指令和零地址指令的条数基本相同，问单地址指令和零地址指令各有多少条？并且为这3类指令分配操作码。

(2) 如果要求3类指令的比例大致为1：9：9，问双地址指令、单地址指令和零地址指令各有多少条？并且为这3类指令分配操作码。

(1) 首先，可以根据指令地址的数量来决定各种指令在指令空间上的分布：

如果按照从小到大的顺序分配操作码，并且按照指令数值从小到大的顺序，分别为双地址指令、单地址指令和零地址指令。

其次可以根据指令的条数来大致的估计操作码的长度：

双指令15条，需要4位指令来区分，剩下的12位指令平均分给单地址和零地址指令，每种指令可以用6