计算机系统结构期末复习

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1、第一章计算机系统结构定义计算机＝软件＋硬件（+网络）两种定义：定义1：Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出：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2：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计算机系统的多级层次模型第6级专用应用语言机器特定应用用户（使用特定应用语言）（经应用程序翻译成高级语言）第5级通用高级语言机器高级语言程序员（使用通用高级语言）（经编译程序翻译成汇编语言）第4级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）第3级操作系统语言机器操作系统用户

2、（使用操作系统原语）（经原语解释子程序翻译成机器语言）第2级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）第1级微指令语言机器微指令程序员（使用微指令语言）（由硬件译码器解释成控制信号序列）第0级硬联逻辑硬件设计员第0级由硬件实现，第1级由微程序实现，第2级至第6级由软件实现，由软件实现的机器称为：虚拟机从学科领域来划分：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。它们之间仍有交叉。第0级要求一定的数字逻辑基础；第2级涉及汇编语言程序设计的内容；第3级与计算机系统结构密切相关。在特殊的计算机

3、系统中，有些级别可能不存在。计算机组成：是计算机系统结构的逻辑实现确定数据通路的宽度•确定各种操作对功能部件的共享程度•确定专用的功能部件•确定功能部件的并行度•设计缓冲和排队策略•设计控制机构•确定采用何种可靠性技术计算机实现：是指计算机组成的物理实现处理机、主存储器等部件的物理结构•器件的集成度和速度•专用器件的设计•器件、模块、插件、底版的划分与连接•信号传输技术•电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技术等计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。系统结构是计算机系统的软硬件的界面；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

4、机组成的物理实现。他们各自包含不同的内容，但又有紧密的联系。组成和实现的改进推动系统结构的进步。Amdahl定律：（定量原理）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占执行时间的比例有关。加速比公式：Sn=T0/Tn=1/((1-Fe)+Fe/Se)(应该大于1)加速比受Fe的限制，它越大就越有可能获得更大加速比例子：书10页例1.1和1.2CPU性能公式：Te=IC*CPI*CYCLE；例子：11页例1.3计算机系统结构的分类方法：Flynn分类（按照指令流和数据流的多倍性特征对计算机系统进行分类）冯氏分类（

5、用最大并行度来对计算机系统进行分类）、Handler分类计算机系统设计的主要方法：由下往上、由上往下、由中间开始设计计算机系统结构评价标准MIPS=指令条数/（指令执行时间*10^6）=Fz/CPI=Fz*IPCIPC为每个时钟周期平均执行的指令条数例1：计算PentiumII450处理机的运算速度。解：由于PentiumII450处理机的IPC＝2（或CPI＝0.5），Fz＝450MHzMIPS=FZ*IPC=2*450=900MIPS等效指令速度MIPS等效CPIWi：指令使用频度。通常：加、减法50％，乘法15％，除法5％，程序控制15％，其它15%

6、例2：我国最早研制的小型计算机DJS-130，定点16位，加法速度每秒50万次，但没有硬件乘法和除法等指令。用软件实现乘法和除法，速度降低100倍左右，求定点等效速度。解：MIPS=1/((0.8/0.5)+(0.2/0.005))=0.02MIPS即每秒2万次，由于乘法和除法用软件实现，等效速度降低了25倍。例3如果浮点开平方操作FPSQR的比例为2%，它的CPI为100，其他浮点操作的比例为23%，它的CPI＝4.0，其余指令的CPI＝1.33，计算该处理机的等效CPI。如果FPSQR操作的CPI也为4.0，重新计算等效CPI。解：•等效CPI1＝10

7、0×2％＋4×23％＋1.33×75％＝3.92等效CPI2＝4×25％＋1.33×75％＝2.00由于改进了仅占2％的FPSQR操作的CPI，使等效速度提高了近一倍第二章数据表示+数据结构=数据类型操作码的优化表示：定长编码、HUFFMAN编码、扩展编码（***课后题****）复杂指令系统计算机CISC：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RISC精简指令系统计算机：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较复杂的功能用子程序来实现RISC的思想精华：减少指令平均执行周期

8、数（CPI）RISC的特点(1)简单而统一格式的指令译码。(2)大