第三章 计算机结构(计算机导论)
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RISC
IBM370CISC系统占总指令数仅20%的简单指令在 程序调用中占了80%，而占指令数80%的复杂指 令却只有20%的机会用到 RISC具有以下的特点：
指令系统简化，由一些基本的、必要的指令构成； 除LOAD/STORE指令外，所有指令只与寄存器打交道， 都在一个时钟周期内执行完毕； 绝大部分采用硬联线控制，不用或少用微程序实现； 使用较多的通用寄存器，没有专用寄存器； 采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序。
存储系统 (7)
替换策略
存储系统 (8)
替换算法比较
存储系统 (9)
更新策略
存储系统 (10)
主存储器的设计
提高带宽，减少平均访问时间，是主存储 器设计的主要问题
增加存储器的数据宽度，即增加数据位数； 采用存储器的多体交叉技术
“高位交叉”编址 “低位交叉”编址
存储系统 (11)
虚拟存储器（Virtual Memory）
存储系统 (1)
存储器的层次结构
局部性原理 （Principle of Locality）
时间局部性 （Spatial Locality） 空间局部性 （Temporal Locality）
存储系统 (2)
基本概念
命中率（Hit Rate） 失配率（Miss Rate） 命中时间（Hit Time） 失配损失（Miss Penalty）
3.5 流水线技术
理想流水线性能分析 流水线的加速比=非流水线指令的平均执行时间/ 流水线指令的平均执行时间 指令的平均执行时间=时钟周期 x 指令的平均CPI = CPI 流水操作中的主要障碍：
资源竟争 数据竟争 控制竟争
3.6 存储器
存储单元：位，字节，字，字长 存储单元的地址 存储单元的内容
虚拟存储器使存储系统既具有相当于辅存的容量 又有接近于主存的访问速度 设计虚拟存储系统需考虑的指标是主存空间利用 率和主存的命中率 虚拟存储器按存储映象算法有三种管理方式：
段式管理 页式管理 段页式管理
段式管理
页式管理
段页式管理
3.7 外围设备
指那些可以附加到计算机系统中用来加强 计算机功能的设备。 三类：
RISC
Reduced Instruction Set Computer，精简 指令集计算机
指令系统(3)
CISC
采用微程序设计方法实现指令的控制器 减轻编程的工作量，缩短程序代码 由于大量的复杂指令、可变的指令长度、 多种的寻址方式，大大增加了解码的难度， 代码难以优化，执行效率低
指令系统(4)
直接内存访问方式
在进行数据交换时，不需要CPU的参与。
通道方式
通道可以看作一个专门进行数据交换的处理器。CPU将 “传输控制”的功能下放给通道，CPU只负责“数据功 能”，从而将CPU从数据交换中解脱出来，避免了总线竞 争。
3.9 多处理器系统
1973 Flynn 把所有的计算机分为四类：
单指令单数据流（SISD） 单指令多数据流（SIMD） 多指令单数据流（MISD） 多指令多数据流（MIMD）
指令系统(5)
指令格式
指令字就是表示一条指令的二进制代码， 通常简称指令；指令格式，则是指令字用 二进制代码表示的结构形式 一条指令通常由操作码、地址码字段构成
操作码字段指定指令的功能特性 地址码字段指定操作数的地址
指令系统(6)
操作码
定长操作码，变长指令码 变长操作码，定长指令码
地址码
零地址指令 一地址指令 二地址指令 三地址指令
第三章 计算机结构
存储器 输出设备
输入设备
数据流
控制器
运算器
控制流 指令流
CPU
3.2 中央处理器
主要功能：
顺序控制 操作控制 时间同步 数据处理
主要部件:
运算器 控制器 寄存器组
Байду номын сангаас 运算器
算术运算：如加、减等算术操作 逻辑运算：如与、或非等逻辑操作。
控制器
功能：
根据当前程序计数器寄存器的值，从RAM 中相应 的地址取出指令，并将它们放到指令寄存器中； 然后对指令进行译码，并根据译码的结果发送信 号给数据总线（Data Bus），从RAM 中取出操作 Data Bus RAM 数，并发出适当的控制信号，控制运算器进行数 据的处理。
时钟周期
非访存指令的指令周期(1)
非访存指令的指令周期(2)
非访存指令的指令周期(3)
直接访存指令的指令周期(1)
直接访存指令的指令周期(2)
直接访存指令的指令周期(3)
间接访存指令的指令周期(1)
间接访存指令的指令周期(2)
间接访存指令的指令周期(3)
程序控制指令的指令周期(1)
程序控制指令的指令周期(2)
3.5 流水线技术
计算机的流水线技术是指从系统结构上考虑使计 算机在运行时各道“工序”都不能闲着，每时每 刻都要进行处理，即并行处理能力。 流水线技术特点：
一条流水线由多个流水段组成，流水段的数目，称为 流水线的浓度。 每个流水段有专门的功能部件对指令进行某种加工。 各流水段所需时间是一样。 流水线工作阶段可分为建立、满载和排空三个阶段。 在理想情况下，当流水线充满后，每隔⊿t时间即一个 流水节拍将会有一个结果流出流水线。
存储器设计目标
降低平均访问时间，而不是单单提高命中率 平均访问时间＝命中时间＋失配时间×失配率
层次化存储体系必须解决的问题
定位问题 替换问题 更新问题
存储系统 (3)
高速缓冲存储器（Cache）
通常由两部分组成：块表和快速存储器 两级Cache：内部Cache和外部Cache
Cache中的地址映象和变换
3.1 指令系统(1)
指令是指示计算机执行某种操作的命令。 从计算机组成的层次结构来说，计算机 的指令有三种：
微指令：
微程序级的命令，属于硬件部分
宏指令：
由若干条机器指令组成的软件指令，属于软件
机器指令：
介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令
指令系统(2)
CISC
Complex Instruction Set Computer，复杂 指令集计算机
交互设备：触摸屏、打印机、视频显示终端等 存储设备：磁盘、U盘等等 数据通信设备：网卡、调制解调器等等
3.8 输入输出方式
程序查询方式
当CPU与外部设备交换数据时，传送过程完全依靠程序进 行，实现起来简单，但效率很低。
中断方式
中断是外部设备在有数据交换的需求时，通过发出中断信号 主动通知CPU的一种方式。
直接映象 全关联映象 组关联映象
存储系统 (4)
直接映象 (Direct mapped) j ＝ i mod 2C
存储系统 (5)
全关联映象（Full Associative）
存储系统 (6)
组关联映象（Set Associative）
若每组中有n行，则称之为n路组关联映象 直接映象就是1路组关联，全关联映象就是M(＝2C)路组 关联
指令系统(7)
寻址方式
指令寻址方式
顺序寻址方式 跳跃寻址方式
数据寻址方式（即操作数寻址）
操作数寻址(1)
隐含寻址 立即寻址
操作数寻址(2)
直接寻址
间接寻址
操作数寻址(3)
寄存器寻址方式 相对寻址 变址和基值寻址方式
指令执行
指令周期
取出并执行一条指令的时间
机器周期
也称为CPU周期，通常用内存中读取一个 指令字的最短时间来规定CPU周期
按设计和实现的途径可分为三类：
硬连线控制器（Hardwired Controller） 微程序控制器（Microprogrammed Controller） 门阵列控制器
寄存器
数据寄存器（Data Register） 地址寄存器（Address Register） 累加寄存器（AC） 程序计数器（Program Counter，PC） 指令寄存器（Instruction Register） 状态条件寄存器
IBM370CISC系统占总指令数仅20%的简单指令在 程序调用中占了80%，而占指令数80%的复杂指 令却只有20%的机会用到 RISC具有以下的特点：
指令系统简化，由一些基本的、必要的指令构成； 除LOAD/STORE指令外，所有指令只与寄存器打交道， 都在一个时钟周期内执行完毕； 绝大部分采用硬联线控制，不用或少用微程序实现； 使用较多的通用寄存器，没有专用寄存器； 采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序。
存储系统 (7)
替换策略
存储系统 (8)
替换算法比较
存储系统 (9)
更新策略
存储系统 (10)
主存储器的设计
提高带宽，减少平均访问时间，是主存储 器设计的主要问题
增加存储器的数据宽度，即增加数据位数； 采用存储器的多体交叉技术
“高位交叉”编址 “低位交叉”编址
存储系统 (11)
虚拟存储器（Virtual Memory）
存储系统 (1)
存储器的层次结构
局部性原理 （Principle of Locality）
时间局部性 （Spatial Locality） 空间局部性 （Temporal Locality）
存储系统 (2)
基本概念
命中率（Hit Rate） 失配率（Miss Rate） 命中时间（Hit Time） 失配损失（Miss Penalty）
3.5 流水线技术
理想流水线性能分析 流水线的加速比=非流水线指令的平均执行时间/ 流水线指令的平均执行时间 指令的平均执行时间=时钟周期 x 指令的平均CPI = CPI 流水操作中的主要障碍：
资源竟争 数据竟争 控制竟争
3.6 存储器
存储单元：位，字节，字，字长 存储单元的地址 存储单元的内容
虚拟存储器使存储系统既具有相当于辅存的容量 又有接近于主存的访问速度 设计虚拟存储系统需考虑的指标是主存空间利用 率和主存的命中率 虚拟存储器按存储映象算法有三种管理方式：
段式管理 页式管理 段页式管理
段式管理
页式管理
段页式管理
3.7 外围设备
指那些可以附加到计算机系统中用来加强 计算机功能的设备。 三类：
RISC
Reduced Instruction Set Computer，精简 指令集计算机
指令系统(3)
CISC
采用微程序设计方法实现指令的控制器 减轻编程的工作量，缩短程序代码 由于大量的复杂指令、可变的指令长度、 多种的寻址方式，大大增加了解码的难度， 代码难以优化，执行效率低
指令系统(4)
直接内存访问方式
在进行数据交换时，不需要CPU的参与。
通道方式
通道可以看作一个专门进行数据交换的处理器。CPU将 “传输控制”的功能下放给通道，CPU只负责“数据功 能”，从而将CPU从数据交换中解脱出来，避免了总线竞 争。
3.9 多处理器系统
1973 Flynn 把所有的计算机分为四类：
单指令单数据流（SISD） 单指令多数据流（SIMD） 多指令单数据流（MISD） 多指令多数据流（MIMD）
指令系统(5)
指令格式
指令字就是表示一条指令的二进制代码， 通常简称指令；指令格式，则是指令字用 二进制代码表示的结构形式 一条指令通常由操作码、地址码字段构成
操作码字段指定指令的功能特性 地址码字段指定操作数的地址
指令系统(6)
操作码
定长操作码，变长指令码 变长操作码，定长指令码
地址码
零地址指令 一地址指令 二地址指令 三地址指令
第三章 计算机结构
存储器 输出设备
输入设备
数据流
控制器
运算器
控制流 指令流
CPU
3.2 中央处理器
主要功能：
顺序控制 操作控制 时间同步 数据处理
主要部件:
运算器 控制器 寄存器组
Байду номын сангаас 运算器
算术运算：如加、减等算术操作 逻辑运算：如与、或非等逻辑操作。
控制器
功能：
根据当前程序计数器寄存器的值，从RAM 中相应 的地址取出指令，并将它们放到指令寄存器中； 然后对指令进行译码，并根据译码的结果发送信 号给数据总线（Data Bus），从RAM 中取出操作 Data Bus RAM 数，并发出适当的控制信号，控制运算器进行数 据的处理。
时钟周期
非访存指令的指令周期(1)
非访存指令的指令周期(2)
非访存指令的指令周期(3)
直接访存指令的指令周期(1)
直接访存指令的指令周期(2)
直接访存指令的指令周期(3)
间接访存指令的指令周期(1)
间接访存指令的指令周期(2)
间接访存指令的指令周期(3)
程序控制指令的指令周期(1)
程序控制指令的指令周期(2)
3.5 流水线技术
计算机的流水线技术是指从系统结构上考虑使计 算机在运行时各道“工序”都不能闲着，每时每 刻都要进行处理，即并行处理能力。 流水线技术特点：
一条流水线由多个流水段组成，流水段的数目，称为 流水线的浓度。 每个流水段有专门的功能部件对指令进行某种加工。 各流水段所需时间是一样。 流水线工作阶段可分为建立、满载和排空三个阶段。 在理想情况下，当流水线充满后，每隔⊿t时间即一个 流水节拍将会有一个结果流出流水线。
存储器设计目标
降低平均访问时间，而不是单单提高命中率 平均访问时间＝命中时间＋失配时间×失配率
层次化存储体系必须解决的问题
定位问题 替换问题 更新问题
存储系统 (3)
高速缓冲存储器（Cache）
通常由两部分组成：块表和快速存储器 两级Cache：内部Cache和外部Cache
Cache中的地址映象和变换
3.1 指令系统(1)
指令是指示计算机执行某种操作的命令。 从计算机组成的层次结构来说，计算机 的指令有三种：
微指令：
微程序级的命令，属于硬件部分
宏指令：
由若干条机器指令组成的软件指令，属于软件
机器指令：
介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令
指令系统(2)
CISC
Complex Instruction Set Computer，复杂 指令集计算机
交互设备：触摸屏、打印机、视频显示终端等 存储设备：磁盘、U盘等等 数据通信设备：网卡、调制解调器等等
3.8 输入输出方式
程序查询方式
当CPU与外部设备交换数据时，传送过程完全依靠程序进 行，实现起来简单，但效率很低。
中断方式
中断是外部设备在有数据交换的需求时，通过发出中断信号 主动通知CPU的一种方式。
直接映象 全关联映象 组关联映象
存储系统 (4)
直接映象 (Direct mapped) j ＝ i mod 2C
存储系统 (5)
全关联映象（Full Associative）
存储系统 (6)
组关联映象（Set Associative）
若每组中有n行，则称之为n路组关联映象 直接映象就是1路组关联，全关联映象就是M(＝2C)路组 关联
指令系统(7)
寻址方式
指令寻址方式
顺序寻址方式 跳跃寻址方式
数据寻址方式（即操作数寻址）
操作数寻址(1)
隐含寻址 立即寻址
操作数寻址(2)
直接寻址
间接寻址
操作数寻址(3)
寄存器寻址方式 相对寻址 变址和基值寻址方式
指令执行
指令周期
取出并执行一条指令的时间
机器周期
也称为CPU周期，通常用内存中读取一个 指令字的最短时间来规定CPU周期
按设计和实现的途径可分为三类：
硬连线控制器（Hardwired Controller） 微程序控制器（Microprogrammed Controller） 门阵列控制器
寄存器
数据寄存器（Data Register） 地址寄存器（Address Register） 累加寄存器（AC） 程序计数器（Program Counter，PC） 指令寄存器（Instruction Register） 状态条件寄存器