计算机系统结构的基本概念
计算机系统结构(第3版)教学课件第1章 计算机系统结构的概念
解释：每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行 一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，
依此重复进行。
解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的 存储空间较少。
▲
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1.2 计算机系统结构的概念
1.2.2 计算机系统结构的定义
1. 计算机系统结构的经典定义 程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能 特性。
部件加速比
＝
[
(1
－可改进比例)
可改进比例 + 部件加速比
]
×总执行时间改进前
▲
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1.3 定量分析技术
系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比
加速比 ＝ 总执行时间改进前 总执行时间改进后
＝
1
可改进比例
（1－可改进比例）+ 部件加速比
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1.3 定量分析技术
例1.1 将计算机系统中某一功能的处理速度提高到原来的 20倍，但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的40%，则采 用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高多少？ 解 由题可知，可改进比例 = 40% = 0.4，
部件加速比 = 20 根据Amdahl定律可知：
1
总加速比
=
0.6
+
0.4 20
= 1.613
采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高到原 来的1.613倍。
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1.3 定量分析技术
例1.2 某计算机系统采用浮点运算部件后，使浮点运算速 度提高到原来的20倍，而系统运行某一程序的整体性能提高到 原来的5倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。 解 由题可知，部件加速比 = 20，系统加速比 = 5
西安交大-计算机系统结构复习提纲(可打印)
1. 开发 ILP 的两种方法 硬件动态，软件静态
2. 流水线中的调度策略 集中式调度、分布式调度 动态调度——乱序 Tomasulo 算法 分布式检测：重命名（换名）
3. 动态分支预测 针对控制相关，由硬件处理， 分支历史表 BHT——历史状态， 分支目标缓冲器 BTB——历史目标地址
5. 指令结构功能设计 CISC 机：三个目标优化 （也反映了编译，操作系统和系统结构的关系） 面向目标程序、面向高级语言、面向操作系统
RISC 机： 导致 RISC 机产生的缘由； （2-8 定理；控制器负责；不易纠错修改） 设计 RISC 机遵循的基本原则；
三、计算与设计
1. 指令格式设计 2. 指令格式的优化
延迟转移技术（延迟槽） 9. 流水线中的中断处理
不精确断点、精确断点 10. 向量处理机
向量数据表示，向量指令 向量处理方式
三、计算与设计
1. 时空图 2. 性能分析 3. 非线性流水线最小平均启动时间
第四章：指令级并行
一、基本概念——名词
超标量，超流水，动态调度，静态调度，超长指令字，保留站，Tomasulo 算法，ILP，BHT， BTB，ROB，前瞻执行（先执行再确认）
计算机系统结构是机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就 是计算机的概念性结构和功能特性。
（还有一个系统结构定义，这是由于存在计算机系统层次结构，不同的人看到不同的计 算机结构） 2. 计算机系统结构、组成与实现的三者关系：
系统结构——存在某个部件 计算机组成——罗技实现，门一级实现 计算机实现——物理实现，器件一级实现
第三章：流水线技术
一、基本概念——名词
先行控制，流水线，单功能流水线，标量流水线，重定向，分支预取，专用通道，无冲突调 度方法，冲突向量，启动距离，性能分析，时空图，缓冲技术，预处理等
02325计算机系统结构复习资料
第一章计算机系统结构的基本概念从处理数据的角度看，并行级别有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。
位串字串和位并字串基本上构成了SIMD。
位片串字并的例子有：相联处理机STARAN，MPP。
全并行的例子有：阵列处理机ILLIACIV。
从加工信息的角度看，并行级别有存储器操作并行，处理器操作步骤并行，处理器操作并行，指令、任务、作业并行。
存储器操作并行是指可以在一个存储周期内并行读出多个CPU字的，采用单体多字、多体单字或多体多字的交叉访问主存系统，进而采用按内容访问方式，位片串字并或全并行方式，在一个主存周期内实现对存储器中大量字的高速并行操作。
例子有并行存储器系统，以相联存储器为核心构成的相联处理机。
处理器操作步骤并行是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。
例子有流水线处理机。
处理器操作并行是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。
擅长对向量、数组进行处理。
例子有阵列处理机。
指令、任务、作业并行是指多个独立的处理机分别执行各自的指令、任务、作业。
例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。
并行性的开发途径有时间重叠(Time Interl eaving )，资源重复(Resou rceReplication)，资源共享(ResourceSharing)。
时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。
例子有流水线处理机。
资源重复是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。
例子有阵列处理机，相联处理机。
资源共享是指用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源以提高资源的利用率，从而提高系统性能。
例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。
SISD:一个指令部件控制一个操作部件，实现一条指令对一个数据的操作。
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。
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
计算机体系结构基本概念
计算机体系结构基本概念计算机体系结构是指计算机系统中的各个组成部分之间的关系和交互方式。
它是计算机硬件与软件之间的接口，决定了计算机系统的工作方式、性能表现以及可扩展性。
本文将介绍计算机体系结构的基本概念和相关内容。
一、计算机体系结构的概述计算机体系结构是指计算机系统的结构组织，包括硬件和软件。
主要由计算机硬件、指令系统、运算方式和数据流组成。
计算机体系结构的目标是提供高性能、可靠性、可扩展性和高效能的计算机系统。
计算机体系结构的设计通常以指令集架构和微架构为基础。
二、指令集架构指令集架构是计算机体系结构中的一个重要概念。
它定义了计算机系统处理信息的方式。
指令集架构包括计算机的指令集、寄存器、数据类型和地址模式等。
根据指令集的不同，可以将计算机体系结构分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。
三、微架构微架构是指计算机体系结构的实现方式。
它包括处理器的内部结构、数据通路、控制流和存储相关的电路设计。
微架构的设计影响着计算机系统的性能和功能。
常见的微架构包括超标量、乱序执行和流水线等。
四、存储结构与存储器层级存储结构是指计算机系统中用于存储数据的层次结构。
存储器层级分为寄存器、高速缓存、内存和辅助存储器等。
不同层级的存储器具有不同的特点，如容量、速度和价格等。
存储结构的设计旨在提高计算机系统的访问速度和运行效率。
五、总线结构总线结构是计算机体系结构中连接各个组件的通信系统。
它包括地址总线、数据总线和控制总线等。
总线结构的设计影响着计算机系统的数据传输速度和可扩展性。
六、并行处理与多核技术并行处理是指多个处理器或计算单元同时执行指令，提高计算机系统的运行速度和性能。
多核技术则是将多个处理核心集成到同一个芯片上，实现并行运算。
并行处理和多核技术在高性能计算、科学计算和图像处理等领域得到广泛应用。
七、虚拟化技术虚拟化技术是指通过软件将计算机资源抽象为多个逻辑实体，实现多个操作系统和应用程序的隔离和共享。
计算机结构听课笔记
计算机结构听课笔记一、引言计算机结构是计算机专业中的一门基础课程，它主要研究计算机系统的组成、工作原理以及硬件和软件之间的相互关系。
掌握计算机结构的知识对于理解和设计计算机系统具有重要意义。
二、计算机结构的基本概念1.计算机系统的组成计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。
硬件系统包括中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出设备等；软件系统包括操作系统、应用软件等。
2.计算机工作的基本原理计算机工作原理可以概括为“存储程序”和“顺序执行”。
存储程序是指将编写的程序指令及数据存储在存储器中，顺序执行是指按照程序规定的顺序逐条执行指令。
3.计算机体系结构的发展历程从最早的单片机到现在的多核处理器，计算机体系结构不断发展，主要经历了四个阶段：单处理器结构、流水线结构、多处理器结构和并行处理器结构。
三、计算机硬件系统结构1.中央处理器（CPU）中央处理器是计算机系统的核心，负责执行程序指令。
其主要功能包括取指令、指令译码、数据读取/写入、运算等。
2.存储器存储器用于存储程序指令和数据。
主要包括主存储器和辅助存储器。
主存储器又称随机存储器（RAM），辅助存储器包括硬盘、光盘、U盘等。
3.输入/输出设备输入设备用于将外部信息输入计算机，如键盘、鼠标等；输出设备用于将计算机处理后的结果输出，如显示器、打印机等。
四、计算机指令系统1.指令的分类指令可分为数据操作指令、程序控制指令、存储器指令、输入/输出指令等。
2.指令的执行过程指令的执行过程包括取指令、指令译码、数据读取/写入、运算等步骤。
3.指令集体系结构（ISA）指令集体系结构是计算机硬件与软件之间的接口规范，它定义了计算机支持的指令种类、数据类型、寄存器结构等。
五、计算机性能评价1.性能指标计算机性能评价的指标包括运算速度、吞吐量、响应时间等。
2.性能评价方法性能评价方法主要有基准测试、事务处理性能委员会（TPC）等。
3.提高计算机性能的途径提高计算机性能的途径包括：提高处理器主频、增加处理器核心数、优化指令集、改进存储器性能等。
计算机系统结构填空
第一章计算机系统结构基本概念1、从(使用语言的）角度可以将系统看成是按（功能）划分的多个机器级组成的层次结构。
2、计算机系统结构的层次结构由高到低分别为（应用语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级，操作系统机器级，传统机器语言机器级，微程序机器级）。
3、应用程序语言经（应用程序包）的（翻译）成高级语言程序.4、高级语言程序经（编译程序）的（翻译）成汇编语言程序。
5、汇编语言程序经（汇编程序)的（翻译）成机器语言程序。
6、在操作系统机器级,一般用机器语言程序(解释)作业控制语句。
7、传统机器语言机器级，是用（微指令程序）来（解释）机器指令。
8、微指令由（硬件）直接执行。
9、在计算机系统结构的层次结构中，机器被定义为（能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构)的集合体。
10、目前M0由（硬件)实现，M1用（微程序（固件））实现，M2到M5大多用（软件）实现。
以(软件）为主实现的机器成为虚拟机.（虚拟机）不一定全用软件实现，有些操作也可用（固件或硬件）实现。
11、透明指的是（客观存在的事物或属性从某个角度看不到），它带来的好处是（简化某级的设计）,带来的不利是（无法控制）。
12、计算机系统结构也称（计算机体系结构），指的是（传统机器级的系统结构）。
它是（软件和硬件/固件）的交界面，是机器语言汇编语言程序设计者或编译程序设计者看到的（机器物理系统)的抽象。
13、计算机组成指的是(计算机系统结构的逻辑实现），包括（机器级内的数据流和控制流）的组成及逻辑设计等。
计算机实现指的是(计算机组成的物理实现），它着眼于（器件）技术和（微组装）技术.14、确定指令系统中是否要设乘法指令属于（计算机系统结构)，乘法指令是用专门的高速乘法器实现还是用加法器实现属于（计算机组成），乘法器和加法-移位器的物理实现属于（计算机实现）。
15、主存容量与编址方式的确定属于（计算机系统结构），主存是否采用多体交叉属于（计算机组成），主存器件的选定属于（计算机实现）.16、设计何种系列机属于（计算机系统结构），系列机内不同型号计算机的组织属于(计算机组成).17、是否采用通道方式输入输出的确定属于（计算机系统结构）,通道采用结合型还是独立型属于（计算机组成）.18、对PDP—11或V AX—11来说，单总线结构属于（计算机系统结构），其机器级的I/O连接和使用方式属于（计算机组成)。
计算机系统结构年串讲及汇总第一部分
第一章计算机系统结构的基本概念1. 从使用语言的角度可以将系统看成是按功能划分的多个机器级组成的层次结构;由高到低分别为：1应用语言机器级 2高级语言机器级 3汇编语言机器级 4操作系统机器级 5传统机器语言机器级 6微程序机器级;2. 应用程序语言经应用程序包的翻译成高级语言程序;3. 高级语言程序经编译程序的翻译成汇编语言程序;4.汇编语言程序经汇编程序的翻译成机器语言程序;5.在操作系统机器级,一般用机器语言程序解释作业控制语句;6.传统机器语言机器级,是用微指令程序来解释机器指令;7.微指令由硬件直接执行;8. 在计算机系统结构的层次结构中,机器被定义为能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体;9.透明指的是客观存在的事物或属性从某个角度看不到,它带来的好处是简化某级的设计,带来的不利是无法控制10.翻译：先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成底一级机器级上行将的程序,然后在低一级机器级上实现的技术11.解释：在低级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能,通过高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;12硬件取舍原则：1应考虑在现有硬器件主要是逻辑器件和存储器件条件下,系统要有高的性能价格比;2要考虑到准备采用和可能采用的组成技术,使它尽可能不要过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用;3不能仅从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技术的成果和便于发挥器件技术的进展,还应从“软”的角度把如何为编译和操作系统的实现以及为高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持放在首位;13. 计算机系统的设计思路：1由上往下2由下往上3由中间开始14. 软件的可移植性：指的是软件不修改或只经少量修改就可由一台机器搬到另一台机器上运行,同一软件可应用于不同的环境;15. 实现欠件移植的几个基本技术：1统一高级语言 2采用系列机 3模拟与仿真16. 为什么没有对各种应用真正通用的语言1不同的用途要求语言的语法、语义结构不同;2人们对语言的基本结构看法不一;3即使同一种高级语言在不同厂家的机器上也不能完全通用;4受习惯势力阻挠,人们不愿意抛弃惯用的语言;17 模拟：用机器语言程序解释实现软件移植的方法称为模拟;需经二重解释,速度低,实时性差模拟灵活,可实现不同系统间的软件移植,系统差异太大时效率速度急剧下降18 仿真：用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法称为仿真;速度上损失小,但不灵活,只在差别不大的机器上使用,两种机器差别太大时,就很难仿真19 模拟与仿真的区别：仿真是用微程序解释,其解释程序存入在控制存储器中；而模拟是用机器语言程序来解释,其解释程序存放在主存中;20 并行性：把解题中具有可以同时进行运算或操作的特性;并行性包括1同时性和2并发性同时性：指两个或多个事件在同一时刻发生并发性：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生21开发并行性途径：1时间重叠 2资源重复 3资源共享时间重叠：让多个处理过程在时间上相互错开,轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分,加快硬件周围来赢得速度;资源重复：通过得利设置硬件资源来提高可靠性或性能;资源共享：用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源来提高其利用率,相应也就提高了系统的性能;第二章数据表示与指令系统1.数据表示：指的是能由机器硬件直接识别昨引用的数据类型;2.数据结构反映了应用中要用的各种数据元素或信息单元之间的结构关系; 数据表示是数据结构的组成元素;3.数据结构和数据表示是软、硬件的交界面;数据表示的确定实质是软、硬件的取舍;4.高级数据表示：1自定义数据表示 2微量数组数据表示 3堆栈数据表示5.标志符数据表示：将数据类型和数据本身直接联系到一起;合存于同一存储单元中6.标志符数据表示的优点：1简化了指令系统和程序设计2简化了编译程序3便于实现一至性校验4能由硬件自动变换数据类型5支持了数据库系统的实现与数据类型无关的要求6为软件调试和应用软件开发提供了支持7.标志符数据表示可能带来的问题：1每个数据字因增设标志符,会增加程序所占的主存空间2采用标志符会降低指令的执行速度8.规模机器的特征：（1）有高速寄存器组成的硬件堆栈,并附加控制电路让它与主存中的堆栈区在逻辑上构成整体,使堆栈的访问速度是寄存器,容量是主存的（2）有丰富的堆栈操作指令且功能很强,直接可对堆栈中的数据进行各种去处和处理（3）有力地支持高级语言程序的编译（4）有力地支持子程序的嵌套和递归调用9.引入数据表示的原则：（1）看系统的效率有否提高,即是否减少了实现时间的存储空间（2）看引入这种数据表示后,其通用性和利用率是否高10.浮点数尾数的下溢处理方法：1截值法 2舍入法 3恒置1法 4查表舍入法11.寻址方式：指的是指令按什么方式寻长或访问到所需的操作数或信息;12.寻址方式在指令中的两种指明方式：1 占有操作码中的某些位 2在地址码部分专门设置寻址方式位字段指明13.逻辑地址是程序员编程用的地址;物理地址是程序在主存中的实际地址;14.静态再定位：在目的程序装入主存时,由装入程序用软件方法把目的程序的逻辑地址变换成物理地址15.动态再定位：在执行每条指令时才形成访存物理地址的方法16.指令由操作码和地址码两部分构成；操作码指明操作种类和所用操作数的数据类型；地址码包括操作数的地址、地址的附加信息、寻址方式等;17.指令格式的优化：指的是如何用最短的倍数来表示指令的操作信息和地址信息,使程序中指令的平均字长最短;18.操作码的优化表示,主要是为了缩短指令字长,减少程序总位数及增加指令字能表示的操作信息和地址信息;19.哈夫曼压缩概念的基本思想：当各种事件发生的概率不均等时,采用优化技术对发生概率最高的事件用最短的位数时间来表示处理,而对出现概率较低的,允许用较长的位数时间来表示处理,这样,就会导致表示处理的平均时间的缩短;20.操作码的表示方式通常有下列三种：1固定长度编码法 2哈夫曼编码法 3扩展操作码编码法21.指令系统的设计、发展和改进上的两种不同方向：1CISC 2RISC22.CISC：进一步增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原先由软子程序完成的功能,实现软件功能的硬化;23.CISC复杂指令系统计算机的优化实现：1 面各目标程序的优化2 面向高级语言的优化3 面向操作系统的优化24.面向目标程序的优化1 对存贮器语言程序及其执行情况进行统计各种指令和指令串的使用频度来加以分析和改进;静态使用频度：对程序中统计出的指令及指令串使用频度着眼于减少目标程序所占用的储存空间动态使用频度：在目标程序执行过程中对指令和指令串统计出的频度着眼于减少目标程序的执行时间2 增设强功能复合指令来取代原先是由常用宏指令或子程序实现的功能,用微程序解释实现;25.面向高级语言优化实现改进尽可能缩短高级语言和机器语言的语义差距,支持高级语言编译,缩短编译程序长度和编译时间1 通过对源程序中各种高级语言语句的使用频度进行统计来分析改进;2 如果面向编译,优化代码生成来改进;3 设法改进指令系统,使它与各种语言间的语义差距都有同等的缩小;4 让机器具有分别面向各种高级语言的多种指令系统、各种系统结构;5 发展高级语言计算机或称高级语言机器26.面向操作系统的优化1 对常用指令和指令串的使用频度进行统计分析来改进;改进指令系统2 考虑如何增设专用于操作系统的新指令;改进指令系统3 把操作系统中频繁使用的对速度影响大的某些软件子程序硬化或固化,改为直接用硬件或微程序解释实现;4 发展让操作系统由专门的处理机来执行的功能分布处理系统结构;27.CISC存在的问题：1 指令系统庞大,一般在200条指令以上;许多指令功能异常复杂;2 由于许多指令的繁杂,执行速度很低;3 指令系统庞大,故高级语言编译程序选择目标指令的范围大太,难以优化生成高效机器语言程序,编译程序也太长太复杂;4 由于指令系统庞大,各种指令的使用频度都不会太高,具差别很大,其中相当一部分指令的利用率很低;28.设计RISC的原则：1 只选择那些使用频度很高的指令,再增加少量其他功能的指令,使之一般不超过100条2 减少指令系统寻址方式各类,一般不超过两种,并让全部指令都是相同的长度;3 让所有指令都在一个机器周期内完成4 扩大通用寄存器数,尽量减少访存;仅存store、取load指令访存,其他指使一律对寄存器操作;5 大多数年指令都用硬联控制实现,少数指令用微程序实现;6 精简指令和优化设计编译程序,简单有效地支持高级语言的实现;29.设计RISC结构用的基本技术：1 按RISC一般原则设计2 逻辑实现用硬联和微程序结合3 用重叠寄存器窗口4 指令用流水和延迟转移5 优化设计编译系统30.采用RISC技术带来的好处：1 简化指令系统设计,适合VLSI实现2 提高机器的执行速度和效率3 设计成本,提高了系统的可靠性4 可直接支持高级语言的实现31.RISC的不足：1 由于指令少,一条CISC指令能完成的某些功能需要多条RISC指令才能完成,加重了汇编各方程序设计的负担,增加了机器语言程序的长度,占用在座空间多,加大了指令的信息流量;2 对浮点去处执行的虚拟存储器的支持虽有很大加强,但仍显不足;3 RISC机器的编译程序比CISC的难写;第三章总线、中断与输入输出系统1.输入输出系统包括输入输出设备、设备控制器及与输入输出操作有关的软硬件2.I/O系统设计主要考虑解决好CPU、主存和I/O设备在速度上的巨大差距;3.输入输出系统发展经历了三个阶段：1程序控制I/O 2直接存储器访问 3I/O处理机方式a.通道 b.外围处理机方式4.总线类型：按信息传送方向分：1单向传输 2双向传输按用法分：1专用 2非专用相关介绍及优缺点见P635.非专用总线总线控制方式：集中式控制：总线控制机构基本上集中在一起; 分布式控制：总线控制逻辑分散在各个部件中 P646.集中式总线控制：1串行链接控制 2定时查询方式 3独立查询方式P647.集中式串行链接式的总线分配过程：1.部件发总线请求;2.总线不忙时,总线控制器返回总线响应总线可用信号;3.没发总线请求信号的部件传送总线响应信号,发的部件截留响应信号;4.截留后,发总线忙状态,撤销请求,开始占用总线;5.传送结束撤销总线忙;6.总线不忙后,撤销总线响应;8.优点： 1.选择算法简单,控制线线数少; 2.部件增加容易,可扩充性好; 3.容易通过重复设置提高可靠性;9.缺点： 1.对“总线可用”线及其有关电路的失效敏感; 2.优先级是线连固定,不灵活; 3.限制了总线的分配速度;10.集中定时查询方式的总线分配过程：1.部件发总线请求;2.总线不忙时,总线控制器的查询计数器开始计数;3.定时查询各部件;4.部件接收计数值,并判断,若与部件号一致,则发总线忙,撤销请求,并占用总线;5.总线控制器收到总线忙,停止计数,停止查询;6.传送结束撤销总线忙;11.优点： 1.优先次序可用程序控制,灵活性强; 2.可靠性高;12.缺点： 1.总线线数较多; 2.部件数受限于定时查询线线数; 3.控制较为复杂; 4.总线分配的速度不能提高;13.集中式独立请求方式的总线分配过程：1.部件发总线请求;2.总线不忙时,按某种算法,发一个总线响应;3.被响应部件发总线忙状态,撤销请求,开始占用总线;4.传送结束,撤销总线忙;5.总线不忙后,撤销总线响应;14.优点：1.总线分配速度快; 2.可用选定的方式确定响应的部件; 3.能方便的隔离失效部件的请求;15.缺点：1.控制线数量过大; 2.总线控制器要复杂的多;16.总线的传送方式分为：1同步通信 2异步通信17.同步通信：两个部件之间的信息传送是通过定宽定距的系统时标进行同步的受同步时钟的控制18.同步通信的优点：信息传送速率高,受总线的长度影响小;19.同步通信的缺点：但会因时钟在总线上的时滞而造成同步误差, 且时钟线上的干扰信号易引起误同步;20.异步通信：用于I/O总线,连接不同速度的I/O设备;又可分为a.单向控制和b.双向请求/回答控制两种1单向控制：指的是通信过程只由目的或源部件中的一个单一控制;单向控制又有源控制和目的控制两种;优点：简单,高速;缺点：未能保证下一数据传送之前让所有数据线和控制线的电平信号恢复成初始状态,从而可能造成错误;2请求/回答双向控制：由源和目共同控制;特点：增加了信号总线来回传送的次数,使控制硬件变得复杂,但它能适应各种不同速度的I/O设备,保证数据传送的正确性,有较高的数据传送率;21.数据宽度：是I/O设备取得I/O总线使用权后在一次I/O总线分配期间内,所传送数据的总量;22.数据通路宽度：数据总线的位数,是数据传送的物理宽度;即一个时钟周期所传送的信息量,它直接取决于数据总线的线数;23.总线的线数越多,成本越高、干扰越大、可靠性越低、占用的空间也越大,当然传送速度和流量也越高;为此,越是长的总线,其线数就应尽可能减少;24.减少线数的方法：1同一根线多个功能复用; 2并/串—串/并转换 3编码25.中断源：引起中断的各种事件; 中断请求：中断源向中断系统发出请求中断的申请; 中断响应：允许中断请求中断CPU现行程序的运行,转去对该请求进行预处理,包括保存好断点现场,调出有关处理该中断的中断处理程序,准备运行;26.中断分类的目的：中断源数量很多,若形成单独入口,硬件复杂,代价大,故进行分类,把性质相近的中断源归为一类;同一类中断共用一个中断入口地址,再由软件形成实际入口地址;27.中断的分类：1机器校验中断第一级：设备故障,电源故障,主存出错;2管理程序调用访管中断第二级：访管指令;3程序性中断第二级：溢出,除数为零,数据格式错;4外部中断第三级：定时器,外部信号;5输入/输出中断第四级：I/O请求;6重新启动中断第五级：启动另一个程序;28.中断分级的目的：解决多个中断请求同时发生时的响应次序问题;29.分级原则： 1同一类的优先次序由软件管理一般情况下,同类同级,不同类不同级2不同类的中断根据中断的轻重缓急分成不同的级别;30.中断嵌套原则： 1禁止同级或低级中断; 2允许高级中断;31.中断响应次序和处理次序中断响应次序用排队器硬件实现,次序是由高到低定死的,但可以根据需要用软件改变实际的中断处理完次序简称中断处理次序;中断级屏蔽位的作用：决定某级中断请求能否进入排队器只要能进入,还是按上面讲的优先级次序由高到底响应中断中断响应次序由硬件定死;而处理次序由中断屏蔽位决定;32.中断系统的功能包括：中断请求的保存与清除,确定优先级,保护断点,保护现场,中断源分析,中断处理,中断返回等;33.中断系统的软、硬件功能分配实质是中断处理程序软件和中断响应硬件的功能分配;34.中断系统的软件与硬件的功能分配主要考虑如下两个因素：1中断响应时间 2灵活性;35.通道的功能：1接受CPU的输入输出操作指令,按指令要求控制外设接受指令2从主存读取通道程序,并执行即向设备控制器发送各种指令执行程序3组织和控制数据在内存与外设之间的传送操作传送数据4读取外设的状态信息,形成整个通道的状态信息,提供给CPU或保存在主存中通道状态5向CPU发出输入输出操作中断请求中断请求36.通道的工作过程：1用户在目态中安排广义I/O指令;包括访管指令和参数2当目态程序执行到访管指令后,产生访管中断;3CPU响应中断,第一次访管态,运行管态程序;4管理程序编制通道程序;根据参数：设备号、主存地址、信息长度等通道程序放在主存中,由通道执行5执行“启动I/O”指令：选择通道,校验第一条通道指令格式,选择设备并启动通道及设备;6通道启动后,<1>CPU退出管态,运行目态程序;<2>通道与设备开始传送数据;7通道传送结束后,向CPU发I/O中断;8CPU 响应中断,第二次转管态,对刚才的通道作“善后”处理;9返回目态,运行目态程序;37. 通道的种类：（1） 字节多路通道：适用于大量的像光电机等字符类低速设备;数据宽度：单字节多设备交叉（2） 数组多路通道：适合于连接多台像磁盘等调整设备;数据宽度：定长块多设备交叉（3） 选择通道：适合于优先级高的磁盘等调整设备,让它独占通道,只执行一台通道程序;数据宽度：可变长块独占38. 通道流量：通道在数据传送期内,单位时间内传送的字节数字节传输速率;它能达到的最大流量称通道极限流量;重要参数： TS : 选择一次设备的时间; TD :传送一个字节的时间; K ：定长块的字节长度; N ：传送的全部字节个数;39. 通道极限流量：字节多路通道：f max ·byte = 1/TS+TD 每选择一台设备,只传送一字节 数组多路通道：f max ·block = K/TS+K ·TD= 1/ＴS/K+TD 每选择一台设备,传送定长K 字节 选择通道： f max ·select = N/TS+N ·TD= 1/TS/N+TD显然,若通道的TS 、TD 一定, 且N>K 时,字节多路方式工作时所能达到的极限流量最小,数组多路方式工作的居中, 选择方式工作的最大;40. 如果通道上所挂p 设备都被启动,则设备对通道要求的的实际最大流量分别为：字节多路通道应为该通道所接各设备的字节传送速率之和, 即而对于其他两种类型的通道应为所接各设备的字节传送速率中之最大的那个, 即41. 保证第j 号通道上所挂的设备在满负荷的最坏情况下都不丢失信息的条件： 设备最大流量 <= 极限流量 ∑=⋅⋅=j p i j i j byte f f 1。
计算机系统结构复习总结
计算机系统结构复习总结计算机系统结构复习总结一、计算机系统结构概念1.1 计算机系统结构：程序员所看到的计算机的基本属性，即概念性结构与功能特性。
*注意：对不同层次上的程序员来说，由于使用的程序设计语言不同，可能看到的概念性结构和功能特性会有所不同。
1.2 计算机系统的层次结构现代计算机是一种包括机器硬件、指令系统、系统软件、应用程序和用户接口的集成系统。
现代计算机结构图*注意：计算机结构的层次模型依据计算机语言广义的理解，可将计算机系统看成由多级“虚拟”计算机所组成。
从语言层次上画分可得下图：计算机结构的层次模型1.3计算机系统结构组成与实现计算机系统结构：是计算机系统的软件与硬件直接的界面计算机组成：是指计算机系统结构的逻辑实现计算机实现：是指计算机组成的物理实现*计算机系统结构、组成与实现三者间的关系：计算机系统结构不同会影响到可用的计算机组成技术不同，而不同的计算机组成又会反过来影响到系统结构的设计。
因此，计算机系统结构的设计必须结合应用来考虑，要为软件和算法的实现提供更多更好的硬件支持，同时要考虑可能采用和准备采用哪些计算机组成技术，不能过多或不合理地限制各种计算机组成、实现技术的采用与发展。
计算机组成与计算机实现可以折衷，它主要取决于器件的来源、厂家的技术特长和性能价格比能否优化。
应当在当时的器件技术条件下，使价格不增或只增很少的情况下尽可能提高系统的性能。
1.4 计算机系统结构的分类计算机结构分类方式主要有三种：（1）按“流”分类按“流”分类法是Flynn教授在1966年提出的一种分类方法，它是按照计算机中指令流（Instruction Stream）和数据流（Data Stream）的多倍性进行分类。
指令流是指机器执行的指令序列，数据流是指指令流调用的数据序列。
多倍性是指在计算机中最受限制（瓶颈最严重）的部件上，在同一时间单位中，最多可并行执行的指令条数或处理的数据个数。
*注意：按“流”分类法，即Flynn分类法的逻辑结构类型：①SISD计算机②SIMD计算机③MISD计算机④MIMD计算机（2）按“并行性”和“流水线”分类（3）按计算机系统结构的最大并行度进行分类1.5计算机系统的设计与实现随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件间界限已经变得模糊了。
计算机系统结构自考笔记
计算机系统结构自考笔记一、计算机系统结构概述。
1. 计算机系统的层次结构。
- 从底层到高层：硬件、操作系统、系统软件、应用软件。
- 各层次的功能及相互关系。
例如，硬件为软件提供运行平台，软件控制硬件资源的使用等。
2. 计算机系统结构的定义。
- 经典定义：程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
- 包括指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机制等方面的属性。
3. 计算机系统结构的分类。
- 按指令流和数据流的多倍性分类。
- 单指令流单数据流（SISD）：传统的单处理器计算机。
- 单指令流多数据流（SIMD）：如阵列处理机，适合进行数据并行处理。
- 多指令流单数据流（MISD）：较少见的结构。
- 多指令流多数据流（MIMD）：多处理器系统，如对称多处理机（SMP）。
- 按存储程序原理分类。
- 冯·诺依曼结构：程序和数据存储在同一存储器中，按地址访问。
- 哈佛结构：程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的地址空间。
二、数据表示与指令系统。
1. 数据表示。
- 数据类型。
- 数值型数据（整数、浮点数）：不同的表示格式，如定点数的原码、反码、补码表示；浮点数的IEEE 754标准表示。
- 非数值型数据（字符、字符串、逻辑数据等）。
- 数据的存储方式。
- 大端存储与小端存储：大端存储是高位字节存于低地址，小端存储是低位字节存于低地址。
2. 指令系统。
- 指令格式。
- 操作码：表示指令的操作类型，如加法、减法等操作。
- 地址码：指出操作数的地址或操作数本身。
有零地址、一地址、二地址、三地址等指令格式，每种格式的特点及适用场景。
- 指令类型。
- 数据传送指令：在寄存器、存储器等之间传送数据。
- 算术运算指令：加、减、乘、除等运算。
- 逻辑运算指令：与、或、非等逻辑操作。
- 控制转移指令：如无条件转移、条件转移、子程序调用与返回等，用于改变程序的执行顺序。
三、存储系统。
1. 存储器层次结构。
- 高速缓冲存储器（Cache） - 主存储器 - 辅助存储器的层次结构。
计算机体系结构
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。
Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。
所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。
计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。
可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式，指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。
计算机组成是计算机结构的逻辑实现。
可以包含数据通路宽度，专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。
计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。
包括处理机，主存部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、插件底板的划分和连接。
从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为7级：0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。
3～6级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。
硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。
首先是应用领域对应的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。
如运算速度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。
体系结构设计的方法有三种：由上而下－从考虑如何满足应用要求开始设计；由下而上－基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的方法。
体系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。
计算机体系结构的分类：（1）弗林FLYNN分类法：按指令流和数据流将计算机分为4类：①单指令流、单数据流－Single Instruction Stream Single Data Stream，SISD。
计算机，即传统的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机systolic array；②单指令流、多数据流－Multiple，SIMD。
典型代表是并行处理机。
其并行性在于指令一级。
如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等；③MISD计算机；④MIMD计算机。
计算机系统结构(课后习题答案)
第一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。
note: 由题意可知：第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。
而现在第i 级有N条指令解释第i+1级的一条指令，那么，我们就可以用N/M来表示N/M 表示第i+1级需（N/M）条指令来完成第i级的计算量。
所以,当有一段第1级的程序需要运行Ks时，在第2级就需要(N/M)Ks，以此类推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。
但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。
在DOS操作系统时代，汉字系统是一个重要问题，早期的汉字系统的字库和处理程序都固化在汉卡（硬件）上，而随着CPU、硬盘、内存技术的不断发展，UCDOS把汉字系统的所有组成部份做成一个软件.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。
计算机体系结构在云计算中的应用
计算机体系结构在云计算中的应用随着互联网技术的不断发展，大数据时代已经到来，随之而来的就是云计算服务的崛起。
计算机体系结构在云计算中起着至关重要的作用。
本文将从计算机体系结构的角度，探讨计算机体系结构在云计算中的应用。
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指计算机硬件的逻辑结构和功能特性。
计算机体系结构包括处理器、内存、输入输出（I/O）等方面。
计算机体系结构决定了计算机的性能和功能，在不同的应用场景下，需要根据需求选择不同的计算机体系结构。
二、云计算的基本概念云计算是一种基于互联网的计算模式。
通过互联网技术，将大量的计算资源、存储资源和网络资源集中起来，以服务的形式提供给用户。
用户可以通过互联网获得所需的计算资源，并按需付费，从而降低了IT成本，提高了IT资源的利用率。
云计算包括三种不同的服务模式：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。
其中，IaaS提供虚拟化的计算机、存储和网络资源；PaaS提供应用程序开发和部署的平台；SaaS则提供已经开发好的应用程序。
云计算还包括四种不同的部署模式：公有云、私有云、混合云和社区云。
三、计算机体系结构在云计算中的应用1. 虚拟化技术虚拟化技术是云计算的核心技术之一。
通过虚拟化技术，可以将一台物理计算机分割成多个虚拟机，每个虚拟机可以运行一个或多个操作系统和应用程序。
通过虚拟化技术，可以提高计算资源的利用率，降低IT成本。
2. 分布式系统云计算中的计算资源通常是分布在不同的物理计算机上的。
为了协调这些计算资源，需要构建分布式系统。
分布式系统可以将多个计算节点视为一个整体，通过分布式算法，实现任务的调度和管理。
分布式系统可以提高计算资源的可靠性和可用性。
3. 大规模存储系统云计算中需要处理海量的数据，因此需要构建大规模存储系统。
大规模存储系统通常采用分布式文件系统，将数据分布在多个节点上，实现数据的备份和恢复。
同时，大规模存储系统还需要支持数据的高效访问和查询。
02325计算机系统结构复习资料全
第一章计算机系统结构的基本概念从处理数据的角度看，并行级别有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。
位串字串和位并字串基本上构成了SIMD。
位片串字并的例子有：相联处理机STARAN，MPP。
全并行的例子有：阵列处理机ILLIAC IV。
从加工信息的角度看，并行级别有存储器操作并行，处理器操作步骤并行，处理器操作并行，指令、任务、作业并行。
存储器操作并行是指可以在一个存储周期内并行读出多个CPU字的，采用单体多字、多体单字或多体多字的交叉访问主存系统，进而采用按内容访问方式，位片串字并或全并行方式，在一个主存周期内实现对存储器中大量字的高速并行操作。
例子有并行存储器系统，以相联存储器为核心构成的相联处理机。
处理器操作步骤并行是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。
例子有流水线处理机。
处理器操作并行是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。
擅长对向量、数组进行处理。
例子有阵列处理机。
指令、任务、作业并行是指多个独立的处理机分别执行各自的指令、任务、作业。
例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。
并行性的开发途径有时间重叠(TimeInterleaving)，资源重复(Resource Replication)，资源共享(Resource Sharing)。
时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。
例子有流水线处理机。
资源重复是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。
例子有阵列处理机，相联处理机。
资源共享是指用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源以提高资源的利用率，从而提高系统性能。
例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。
SISD:一个指令部件控制一个操作部件，实现一条指令对一个数据的操作。
计算机系统架构设计
计算机系统架构设计计算机系统架构设计是指在计算机系统开发过程中，为了满足系统需求和性能要求，而对计算机硬件和软件进行规划和设计的工作。
它关注的是如何将不同的硬件和软件组件组合在一起，使其相互协作，以实现计算机系统的稳定性、可扩展性和性能优化。
本文将从计算机系统架构设计的基本概念、重要原则和常见的架构模式进行讨论，并附带相关的答案和解析。
一、计算机系统架构设计的基本概念计算机系统架构设计是一种将计算机硬件和软件组织成一个整体的过程。
它包括以下基本概念：1.1 主机和外设主机是计算机硬件的核心部分，包括中央处理器（CPU）、内存、硬盘等。
外设是与主机相连的设备，如显示器、键盘、鼠标等。
1.2 总线总线是主机和外设之间传输数据的通道，它可以分为数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线传输数据，地址总线传输数据的地址，控制总线传输控制信号。
1.3 指令和数据指令是计算机执行的命令，数据是指令所操作的对象。
计算机通过取指令、解码、执行等步骤来完成指令的执行。
1.4 存储器层次结构存储器层次结构指的是计算机中不同速度和容量的存储器组合在一起，以满足计算机系统对存取数据速度和存储容量的要求。
常见的存储器层次结构包括寄存器、高速缓存、内存和硬盘等。
二、计算机系统架构设计的原则在进行计算机系统架构设计时，需要遵循一些重要的原则，以保证系统具有高性能、高可用性和高可扩展性。
2.1 简洁性架构设计应该尽可能简单明了，避免过于复杂的设计，以降低系统实现和维护的成本。
2.2 模块化架构设计应该模块化，将系统划分为多个模块，每个模块具有明确的职责和功能，便于系统的开发和维护。
2.3 松耦合不同模块之间应该松耦合，模块之间的依赖关系应该尽可能少，以提高系统的灵活性和可变性。
2.4 可扩展性架构设计应该具有良好的可扩展性，即可以根据系统需求的变化进行扩展，而无需对整个系统进行大规模的改动。
2.5 可靠性架构设计应该具有高可靠性，即系统能够在各种异常情况下正常工作，并能够快速恢复到正常状态。
计算机系统结构
1
1
SFPSQR (1 0.2) 0.2 0.82 1.22
10
SFP
1 (1 0.5)
0.5
1 0.75
1.33
2
3 CPU性能公式 CPU的性能取决于三个要素：
①时钟频率f(或时钟周期t)； ②每条指令所花的时钟周期数CPI； ③指令条数IC 一个程序所花的CPU时间(T)可以用两种方式来表示： CPU时间(T)=CPU时钟周期数(CPI×IC)*时钟周期长(t)
解：原系统的CPI=25%×4+75%×1.33=2 方案1(使FPSQR操作的CPI为2)系统
方案2(提高所有FP指令的处理速度)系统
我们也可以根据以下公式计算出方案2系统的CPI
显然，提高所有FP指令处理速度的方案要比提高FPSQR处 理速度的方案要好。
假设这两台机器的指令系统中，执行条件转移指令需2个时钟 周期，而其它指令只需1个时钟周期。
1.2 计算机系统设计技术
1.2.1计算机系统设计的定量原理 1 加快经常性事件的速度 这是计算机设计中最重要也最广泛采用的设计准则。使 经常性事件的处理速度加快能明显提高整个系统的性能。 在CPU中两个数进行相加运算时，相加结果可能出现溢出 现象，也可能无溢出发生，显然经常出现的事件是不发 生溢出的情况，而溢出是偶然发生的事件。因此，在设 计时应优化不发生溢出的情况，使这个经常性事件的处 理速度尽可能快，而对溢出处理则不必过多考虑优化。 因为发生溢出的概率很小，即使发生了，处理得慢一些 也不会对系统性能产生很大的影响。
MISD(Multiple Instruction stream Single Data stream) 采用流水结构的计算机
计算机系统结构__《张晨曦、王志英》课后习题参考答案
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。
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第一章计算机系统结构的基本概念1.注意每一章的名词解释，计算机体系结构的概念、分类、定义及其性价比，CPI的计算2.Amdahl定律的应用计算机体系结构的概念：建筑物的设计或式样, 通常指一个系统的外貌；从外部来研究计算机系统；使用者所看到的物理计算机的抽象；编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的计算机属性。
计算机系统结构定义：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功能特性指令系统及其执行模式•数据表示：硬件能够直接认别和处理的数据类型；•寻址技术：编址方式、寻址方式和定位方式等；•寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等；•指令系统：操作类型、格式，指令间的排序控制等；•中断系统：中断类型、中断级别和中断响应方式等；•存储系统：寻址空间、虚拟存储器、Cache存储器等；•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：数据交换方式、交换过程的控制等；•信息保护：信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。
<计算机组成技术：从内部研究计算机系统，计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现。
>性价比:是一个性能与价格之间的比例关系，具体公式：性价比=性能/价格。
通常不会在同一性能基础上比较或比较的机会较少。
性价比应该建立在你对产品性能要求的基础上，也就是说，先满足性能要求，再谈价格是否合适，由于性价比是一个比例关系，它存在其适用范围和特殊性，不能一概而论。
价格与性能的关系：•摩尔定理：速度每10年左右提高100倍，但价格基本维持不变•用当前同样的价格，在5年之后能买到性能高出10倍的计算机硬件与软件的价格比例：•硬件在整个计算机系统价格中所占的比例在下降，软件所占的比例在上升•目前软件价格已经超过硬件价格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、占用内存多计算机系统的分类按处理机性能分类: 1. 按大小划分种类：巨型、大型、中型、小型、微型机划分原则：以性能为特征，按价格来划分存在问题：划分的标准是随时间而变化，每５年左右降低一个等级设计方法：最高性能特殊用途 ; 最佳性能价格比一般商用计算机最低价格家用计算机等2. 按用途划分种类：科学计算、事务处理、实时控制、工作站、服务器、家用计算机等。
划分原则：科学计算：浮点计算速度; 事务处理：字符处理、十进制运算实时控制：中断响应速度、I/0能力; 工作站：图形处理能力服务器：数据处理速度，数据存储能力; 家用计算机：价格便宜，软件丰富发展方向：具备上述所有功能的通用处理机;各种专用处理机、协处理器、嵌入式处理机3. 按数据类型划分定点计算机、浮点计算机、向量计算机、堆栈计算机等4. 按处理机个数和种类划分单处理机并行处理机、多处理机、分布处理机关联处理机超标量处理机, 超流水线处理机, VLIW处理机5. 按所使用的器件划分按使用的器件划分计算机系统的时代第一代：电子管(Valve)计算机第二代：晶体管(Transistor)计算机第三代：集成电路(LSI)计算机第四代：大规模集成电路(VLSI)计算机第五代：智能计算机？目前的绝大部分计算机系统是VLSI计算机佛林分类法: 1966年由Michael.J. Flynn 提出,按照指令流和数据流的多倍性特征进行分类指令流：机器执行的指令序列数据流：由指令流调用的数据序列多倍性(multiplicity)：在系统性能瓶颈部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(1)单指令流单数据流 SISD单功能部件处理机;多功能部件处理机;流水线处理机: 指标量流水线处理机(2)单指令流多数据流 SIMD并行处理机、阵列处理机、向量处理机、相联处理机、超标量处理机、超流水线处理机多个PU按一定方式互连，在同一个CU控制下，对各自的数据完成同一条指令规定的操作；从CU看指令顺序执行，从PU看数据并行执行。
(3)多指令流单数据流 MISD几条指令对同一个数据进行不同的处理，实际上不存在(4)多指令流多数据流 MIMS紧密偶合:松散偶合：主要缺点：(1)分类太粗在SIMD中包括有多种处理机;对流水线处理机的划分不明确，标量流水线为SISD，向量流水线为SIMD(2)根本问题是把两个不同等级的功能并列对待,数据流受指令流控制，造成MISD不存在(3)非冯计算机的分类？其他新型计算机的分类库克分类法:1978年由 D. J. Kuck提出,按控制流和执行流分类，四种类型(1)单指令流单执行流SISE(Single Instruction Single Executionstream) 典型的单处理机(2)单指令流多执行流SIME(Single Instruction Multiple Executionstream) 多功能部件处理机、相联处理机、向量处理机、流水线处理机、超流水线处理机、超标量处理机、SIMD并行处理机(3)多指令流单执行流MISE(Multiple Instruction Single Executionstream) 多道程序系统(4)多指令流多执行流MIME(Multiple Instruction Multiple Executionstream) 典型的多处理机主要缺点: 有些系统，如分布处理机等，没有总控制器; 分类级别太低，没有处理机级和机器级分类太粗，如SIME中包含了多种处理机冯泽云分类法1972年美籍华人冯泽云提出，用最大并行度对计算机系统进行分类单位时间内能处理的最大二进制位数例如：同时处理的字宽为n，位宽为m，则最大并行度定义为：Pm ＝ m ｎ平均并行度：假设每个时钟周期 ti 内能同时处理的二进位数为Bi，则n个时钟周期内的平均并行度为：表示方法：处理机名(m，ｎ)(1)字串位串WSBS(Word Serial and Bit Serial) 串行计算机； m＝1,ｎ＝1；如：EDVAC(1, 1)(2)字并位串WPBS(Word Parallel and Bit Serial) 传统单处理机； m＝1,ｎ > 1；如：Pentium(32, 1)(3)字串位并WSBP(Word Serial and Bit Parallel) 并行计算机、MPP、相联计算机；m > 1,ｎ＝1；如：MPP(1, 16384), STARAN(1, 256)，DAP(4)字并位并WPBP(Word Parallel and Bit Parallel) 全并行计算机；m > 1, ｎ > 1；如：ASC(64, 32)，IILIAC IV(64, 64) , PEPE(32, 288)，Cmmp(16, 16)主要缺点：汉德勒分类法: 由Wolfgan Handler 于1977年提出,又称为ESC(Erlange Classification Scheme)分类法根据并行度和流水线分类,把计算机硬件结构分成三个层次， 并分别考虑它们的可并行性和流水处理程度。
(1)程序级k ：程序控制部件(PCU)的个数；(2)操作级d ：算术逻辑部件(ALU)或处理部件（PU ）的个数；(3)逻辑级w ：每个算术逻辑部件包含的逻辑线路(ELC)的套数。
表示方法：t(系统型号)＝(k ，d ，w)第二章 指令系统1.操作码的优化（掌握） Huffman 编码法 扩展编码法 掌握2-4 ，2-4-8扩展编码法2.精简指令系统（RISC ）的特点及所用到的关键技术指令格式的优化设计: 主要目标：节省程序的存储空间指令格式尽量规整，便于译码一般的指令主要由两部分组成：操作码和地址码地址码通常包括三部分内容：地址：地址码、立即数、寄存器、变址寄存器地址的附加信息：偏移量、块长度、跳距寻址方式：直接寻址、间接寻址、立即数寻址、变址寻址、相对寻址、寄存器寻址操作码主要包括两部分内容：操作种类：加、减、乘、除、数据传送、移位、转移、输入输出、程序控制、处理机控制等操作数描述：数据的类型：定点数、浮点数、复数、字符、字符串、逻辑数、向量进位制：2进制、10进制、16进制 ; 数据字长：字、半字、双字、字节操作码的优化表示:操作码的三种编码方法：固定长度、Huffman 编码、扩展编码优化操作码编码的目的：节省程序存储空间1. 固定长操作码 定长定域：IBM 公司的大中型机：最左边8位为操作码;Intel 公司的Intanium 处理机：14位定长操作码;许多RISC 处理机采用定长操作码主要优点：规整 , 译码简单主要缺点：浪费信息量（操作码的总长位数增加）2. Huffman 编码法 1952年由Huffman 首先提出 , 操作码的最短平均长度可通过如下公式计算：H=pi 表示第i 种操作码在程序中出现的概率 固定长编码相对于Huffman 编码的信息冗余量R 必须知道每种操作码在程序中出现的概率例2.16：假设一台模型计算机共有7种不同的操作码，如果采用固定长操作码需要3位。
已知各种操作码在程序中出现的概率如下表，计算采用Huffman余量。
解答：利用Huffman 树进行操作码编码（又称最小概率合并法） • 把所有指令按照操作码在程序中出现的概率大小，自左向右顺序排列。
• 选取两个概率最小的结点合并成一个概率值是二者之和的新结点，并把这个新结点与其它还没有合并的结点一起形成一个新的结点集合。
• 在新结点集合中选取两个概率最小的结点进行合并，如此继续进行下去，直至全部结点合并完毕。
• 最后得到的根结点的概率值为1。
• 每个新结点都有两个分支，分别用带有箭头的线表示，并分别用一位代码“0”和“1”标注。
• 从根结点开始，沿尖头所指方向寻找到达属于该指令概率结点的最短路径，把沿线所经过的代码排列起来就得到了这条指令的操作码编码。
采用Huffman 编码法的操作码平均长度为： ＝0.45×1＋0.30×2＋0.15×3＋0.05×4＋0.03×5＋0.01×6＋0.01×6＝1.97（位） 操作码的最短平均长度为：＝0.45×1.152＋0.30×1.737＋0.15×2.737＋0.05×4.322＋×采用3位固定长操作码的信息冗余量为（左）Huffman 编码法的信息冗余量仅为（右）： 与3位固定长操作码的信息冗余量353. 扩展编码法Huffman 操作码的主要缺点：操作码长度很不规整，硬件译码困难；与地址码共同组成固定长的指令比较困难 扩展编码法：由固定长操作码与Huffman 编码法相结合形成例2.18：将例2.16改为1-2-3-5扩展编码法，操作码最短平均长度为：H ＝0.45×1＋0.30×2＋0.15×3＋(0.05＋0.03＋0.01＋0.01)×5＝2.00信息冗余量为： 例2.19：将例2.17改为2-4等长扩展编码法，操作码最短平均长度为：H ＝(0.45＋0.30＋0.15)×2＋(0.05＋ 2.202-4等长扩展编码法信息冗余量为RISC ：(Reduced Instruction Set Computer ）精简指令系统，70年代后期至现在只保留功能简单的指令,功能较复杂的指令用软件实现，提高流水线效率<在CISC 中，大约20％的指令占据了80％的处理机执行时间。