计算机体系结构重点
1、并行线索：时间，空间的并行
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
2、资源重复，时间重叠，资源共享
资源重复：通过重复设置硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。（多处理机系统）
时间重叠：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。（流水线）
资源共享：软件方法，使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。（多道程序、分时系统）
3、数据并行：字、位
（1）流水线的指令并行
（2）超流水线：细分时间
（3）超标量流水线：重复设置流水线
（4）向量机：流水线，数据并行
（5）提高cache命中率
（6）多机系统，线程级并行（CMP）
4、局部性
（1）存储系统原理
（2）提高cache命中率（victim cache，伪相联cache）
（3）cache有好程序（空间、时间局部性）
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（分章解读）
一、概论
1、计算机体系结构与组成原理，实现的关系，基本概念（兼容、模拟、仿真）
层次：微程序语言、机器语言、（操作系统虚拟机）、<-解释的方法实现
--------------用翻译的方法实现->汇编语言、高级语言、应用语言
硬件逻辑优点：速度快
虚拟机：由软件实现的机器，以区别于由硬件/固件实现的物理机器
计算机系统结构：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，包含物理机器中的数据通道和控制信号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。
计算机系统机构的研究对象：计算物理系统的抽象和定义；具体包括：
数据表示；寻址方式；寄存器定义；指令系统；存储结构；中断系统；机器工作状态定义和切换；I/O系统；
总线结构；系统安全与保密；
结构、组成和实现三者关系：
结构是计算机系统的软、硬件界面；
组成是计算机系统结构的逻辑实现；
实现是九三级组成的物理实现；
软件兼容：同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各个机器上，而且所得结果一致；
向上（下）兼容：低（高）档机器的目标程序不加修改就可以运行于高（低）档机器。一般向上兼容。
前后兼容：指按系列机投放市场先后，实现软件兼容。一般向后兼容。
模拟：用机器语言解释实现程序移植的方法；（用机器语言，程序在主存储器） 仿真：直接用微程序去解释另一种机器的指令系统；（用微程序，程序在微程序存储器） 2、Amdahl （定律加速比公式）S=
()∑∑?
?
?
?
?+-Si
Fi Fi 11
Fi ：可改进比例 Si ：部件加速比 应用见大题；
3、计算机体系结构设计的主要方法（三个方面。软硬件平衡） （1）确定用户对计算机系统的功能、价格和性能要求 （2）软、硬件平衡：性价比与实现的难易程度 （3）系统结构设计应符合今后发展方向
4、计算机体系结构的评价标准（
时钟频率时间CPI
*IC =
CPU ，CPI ，平均CPI ，MIPS ）
CPI ：
∑==n
i i
i IC IC CPI CPI 1
)
*
(（IC ：指令数；CPI ：每条指令周期）
5、冯诺依曼计算机（顺序执行（串行执行），程序存储，集中控制，以ALU 为核心）控制流计算机 (1)以ALU 为中心
(2)在存储器中，指令和数据同等对待
(3)存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个存储单元的位数是固定的 (4)指令是顺序执行的
(5)指令由操作码和地址码组成
(6)指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算
6、体系结构分类方法（Flynn 分类法：指令流，数据流，多倍性） Flynn ：按指令流和数据流的多倍性进行分类。 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：在系统受限的部件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大数目 SISD （单指令流单数据流（缩写））：传统的顺序处理计算机、标量流水线处理机 SIMD ：阵列处理机、向量流水线处理机、相联处理机 MISD ：无
MIMD ：大多数多处理机和多计算机系统；（处理机之间相互作用程度高，紧密耦合） 7、非冯诺依曼计算机（数据流驱动、需求驱动）
二、流水线（并行概念）
1、流水线基本概念（如何实现并行、多个取指、分析、执行部件） （1）流水线：加快指令的解释过程，提高指令的并行性 （2）如何实现：（重叠技术）
取指分析子过程在指令分析器里完成，执行子过程在执行部件实现。这两个部件是独立的。如果分析子过程所需时间=执行子过程所需时间（分析周期=执行周期），那么执行部件里处理第n 条指令的执行子过程时，分析器里处理的是第n+1条指令的分析子过程。
2、先行控制技术（预处理、缓冲），锁存技术
（1）先行控制技术：缓冲+预处理技术结合；通过对指令流和数据流的先行控制，尽量使指令分析部件和执行部件处于忙碌状态。
（2）缓冲技术：在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲器，用以平滑他们的工作 （3）预处理技术：预取指令、对指令进行加工以及预取操作数等。 3、指令并行的空间并行和时间并行性：时空图*****主要见大题 时钟周期 \ 指令 1 2
3
4
5
6
7
8
9
指令k IF ID EX MEM WB 指令k+1 IF ID EX MEM WB 指令k+2 IF ID EX MEM WB 指令k+3 IF ID EX MEM WB 指令k+4
IF
ID
EX
MEM
WB
IF-MEM 可能冲突 ID-WB 可能冲突
4、线性流水线（动静态）的性能分析（加速比、吞吐率、效率、瓶颈）
（1）静态流水线：在同一时间段内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作
（2）动态流水线：------------------------------------------------------可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能 （3）线性流水线：流水线的各段串行连接，没有反馈回路 （4）非线性流水线：------------------------------，还有反馈回路 （5）吞吐率（TP ）：单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量
个任务所用时间）（完成任务数n )
(k
T n TP =
)
,,,max(1
21max k t t t TP ???=
)()1(1
为最慢的一段时间实际吞吐率：j m
i j
i
t t n t
n
TP ??-+?=
∑=
（6）加速比（S ）：完成同样一批任务，不用流水线所用时间与使用之比
k s
T T S =
1
-+=
n k nk
S （流水线各段时间相等）
k n k nk
S n =-+=∞→1
lim max （流水线各段时间相等）
)
()1(S 1
1
为最慢的一段时间实际加速比：j j
m
i i
m
i i
t t n t
t n ??-+???=
∑∑==
（7）效率（E ）：流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比
指令周期 取处 存处
修改 IF （取指令周期）
存储器
指令寄存器IR PC+=4 ID （指令译码/读寄存器周期） IR 寄存器编号、通用寄存器组 读出操作数 EX （执行/有效地址计算周期） - -
- MEM （存储器访问/分支完成周期） 存储器（load 指令） （store 指令）存储单元 PC （分支指令）
WB （写回周期）
通用寄存器组
1
21-+=
?=
==n k n
T t n e e e k k （流水线各段时间相等） 121-+=
?=+++=
k n n
T t n k e e e E k k （流水线各段时间相等） 11
lim
max =-+=∞→n k n
E n （流水线各段时间相等）
)]
,,,max()1([211
1
k k
i i k
i i
t t t n t k t n E ???-+??=
∑∑== （各段时间不等）
（8）细分瓶颈段：把大的瓶颈分为若干等时间的小的段 （9）重复设置瓶颈段：把连续几次大的瓶颈并行
5、非线性流水线的调度问题（性能分析）***主要见大题，以下是会做的方便记的自我总结的方法 （1）禁止表F ：每行X （或√）相隔距离组合
（2）冲突向量：从右向左书写禁止表（有的地方写1，没的写0）
（3）状态有向图：不断右移冲突向量，出1继续移，出0按位或，得新状态再继续
（4）最优调度策略：所有策略列表，算平均时间间隔，如策略（x ，y ，z ）时间为（x+y+z ）△t/3 （5）实际吞吐率、加速比、效率：按照定义来算；
吞吐率：个任务所用时间）（完成任务数n )
(k
T n TP =
加速比：
k s T T S =
效率：流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比
6、
（1）流水线相关性分析（数据，名，控制相关） i,j,k 指令两两数据相关： ｉ：ｍｏｖ Ａ，Ｂ ｊ：ｍｏｖ Ｂ，Ｃ ｋ：ｍｏｖ Ｃ，Ｄ
i,j 指令名相关（反相关、输出相关）： ｉ：ＤＩＶ．Ｄ Ｆ２，Ｆ６，Ｆ４ ｊ：ＡＤＤ．Ｄ Ｆ６，Ｆ０，Ｆ１２ S1与p1控制相关： if p1 {S1；}；
（2）相应引起的冒险（冲突）（数据，结构，控制冒险）
结构冲突：因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的冲突（硬件资源冲突）
数据冲突：当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令的执行结果而发生的冲突（数据相关&名相关） 控制冲突：流水线遇到分支指令和其他会改变PC 值得指令所引起的冲突（控制相关） （3）处理方式***（见大题）
数据相关，结构冒险（写读、读写、写写） ①推后执行（加入stall ） ②设置相关专用通路（定向技术） ③静态调度技术（编译技术、乱序） ④动态调度技术（Tomasulo 算法->要求不高，理解；寄存器换名，动态监测，保留栈） 控制相关 ①延迟转移
②提前形成条件码
③编译技术（分支失败、分支成功、延迟槽（ReOrderBuffer））
④动态转移预测技术（分支历史表BHT）
7、精确断点与不精确断点
（1）不精确断点：流水线可以不断流；需要的硬件比较少，控制逻辑比较简单；中断响应时间加长；
（2）精确断点：流水线一定中断；要设置一定数量的后援寄存器
（3）定义：对于输入输出设备的中断服务，使中断指令现场和其后已进入流水线的指令得到保护，并保证流水线可以恢复中断。
8、超标量与超流水线处理机（概念指令并行度（ILP），区别，指令相关性分析，超标量发射性能分析）
（1）超流水线处理机：一个时钟周期内能够分时流出多条指令的处理机（指令流水线级数为8+）
（2）超标量处理机：使用了多指令流水线，每个时钟周期发射多条指令并产生多个结果
（3）不同：
处理机
超流水线处理机超标量处理机
不同
并行性时间并行性空间并行性
指令发射度2-5
ILP m>ILP>1(m条指令)
9、循环展开和指令调度
（1）循环展开：是一种牺牲程序的尺寸来加快程序的执行速度的优化方法。<-来自百度0.0!!!
增加指令间并行性，开发循环级并行性。循环的不同迭代之间存在的并行性。
三、向量机（并行性）->要求不高，概念，方式
1、向量机的基本概念和原理：流水线，多处理机（向量指令、内部寄存器），链接技术，半性能向量长度（1）向量处理机：设置了向量数据表示和相应的向量指令的流水线处理机
（2）半性能向量长度n1/2：向量处理机的运行性能达到其峰值性能R∞的一半时所必须满足的向量长度。越小越好
（3）流水线：讲一个重复的时序过程分解为若干子过程，而每个子过程都可以有效地在其专用功能上与其他子过程同时执行。
（4）多处理机：
包含两个或两个以上功能大致相同的处理器；
所有处理器共享一个公共内存；
所有处理器共享I/O通道、控制器和外围设备；
整个系统由统一的操作系统控制，在处理器和程序之间实现作业、任务、程序段、数组和数组元素等各级的全面并行。
2、满足运算器带宽要求的存储系统（存储器-存储器结构，寄存器-寄存器结构）
(1)存储器-存储器结构：主存由多个模块构成，流水处理部件与主存系统之间有三条独立的数据通路（两条输入，一条输出），个数据通路可以同时工作，但一个存储模块在某一个时刻只能为一个通路服务。
工作特点：源向量都取自主存，且结果向量也存放到主存中
(2)寄存器-寄存器结构：主存系统和向量功能部件之间插入了一个小容量的高速向量寄存器组，可以得到较大的带宽。大部分操作在向量寄存器之间进行，减少访存次数，降低对主存带宽要求。
工作特点：源向量都取自向量寄存器，且结果也存放到向量寄存器中
3、向量处理方式（横向，纵向，纵横向）：D=A*(B+C)
（1）横向处理方式：
for（i=1,i<=n,i++）{ki=bi+ci；di=ki*ai}
（2）纵向处理方式：
for（i=1,i<=n,i++）{ki=bi+ci}
for（i=1,i<=n,i++）{di=ki*ai}
（3）纵横向处理方式：
N=S*n+r ；(N 为向量长度，S 为组数，n 为每组长度，r 为余数) for （j=1,j<=S+1,j++） {
for （i=(j-1)n+1,i 4、向量处理机性能分析（指令执行时间，编队） ()chime start loop n nT T T MVL n T ++?? ????=* （1）向量指令流水线处理时间T VP ：C Vf S VP T n T T T )1(-++= 5、提高向量处理机性能常用方法（设置多个功能部件，向量链接技术，分段开采技术，向量递归） （1）链接技术：具有先写后读相关的两条指令，在不出现功能部件冲突和源向量冲突的情况下，可以把功能部件链接起来进行流水处理，以达到加快执行的目的。-------流水线的定向技术在向量处理机中的应用 ---省去每个元素多余的存储时间 （2）分段开采技术：向量的长度大于向量寄存器长度-->把长向量分成长度固定的段，然后循环分段处理，每一次循环只处理一个向量段。 （3）向量递归：对一维数组归约求值结果是一个标量------两种方法解决-----> 1、将归约操作分解为可向量化部分和递推求和部分； 2、或者在递推求和部分采用递归折叠技术，他是加快向量归约操作的有效方法。 四、存储系统（局部性） 1、体系结构的存储系统（虚拟存储器、容量、cache 存储系统，速度） （1）虚拟存储器：“主存-辅存”层次进一步发展的结果。 （2）容量、速度、价格的关系： 容量：数）（并行工作的存储器个存储器字数存储器字长m l bit W S M )()/(= 每位价格：M S C c /)S (M 价格位存储容量的存储器总具有= （3）Cache 存储系统： 作用：弥补主存速度不足 结构：分成块（行），每块由若干字（字节）组成 速度：主存的2-4倍 2、三个主要问题（地址映像、地址变换、替换算法）详见大题 （1）映像规则：全相联（n ：1）、直接相联（1：n ）、组相联（n ：n ） （2）替换算法：随机法；FIFO ；LRU 3、存储系统性能分析（访问周期、命中、访问效率、CPI ） 令：M 1和M 2两个存储器构成两级存储层次结构，假设M 1的容量、访问时间和每位价格分别为S 1、T A1、C 1；M 2的参数为S 2、T A2、C 2 （1）存储层次的平均每位价格C ：2 12 211S S S C S C C ++= （2）命中率H ：2 11 N N N H += （3）失效率F ：F=1-H （4）平均访存时间T A ：M A M A A FT T T H T T +=-+=11)1(：：T M 为失效开销 “（第三版的公式:)1(21A A A T H HT T -+=）”T A2为M 2的访问时间 （5）CPI 见上。。。。 4、虚拟存储器（同样的三个问题）段式、页式、段页式 （1）页式：把空间划分为大小相同的块-页面。机械划分 （2）段式：把空间划分为可变长的块-段。逻辑划分 （3）段页式：每段被划分成若干页面。 5、高速缓冲存储器（地址映像、地址变换、替换算法、写入）全相联 （1）地址变换：用硬件实现； （2）替换算法：采用堆栈算法或比较对法等硬化处理；绝大多数采用LRU 算法 （3）地址映像：一般采用组相联映像。全相联将使变换表容量过大而降低访问速度 （4）写入：采用预取算法：提高命中率（不一定提高） 6、替换算法（FIFO ，LRU ，LFU ，OPT ）大家都懂。。。 （1）FIFO 先进先出 （2）LRU 最近最久未使用 7、Cache Friendly （局部性） （1）程序访问局部化性质：Cache 得以实现的原理基础 （2）在一个较短的时间间隔内，程序所产生的访存地址往往集中在存储器地址空间的小范围内。 8、cache 一致性问题（写直达、写回法） （1）写直达法（存直达法）：执行“写”操作时，不仅把信息写入Cache 中相应块，而且也写入下一级存储器中相应块 （2）写回法（拷回发）：只把信息写入Cache 中相应块，该块只有在被替换时，才被写回主存。 9、改进cache 性能（三种失效3C 、失效率、失效开销、命中时间） 失效时间失效率命中时间平均访存时间*+= （1）降低失效率 （2）减少失效开销 （3）减少命中时间 （4）三种失效3C ： 强制性失效：当第一次访问一个块时，该块不在Cache 中，需从下一级存储器中调入Cache 。 容量失效：程序执行时所需的块不能全部调入Cache 中，则当某些块被替换后，被重新访问，就会失效。 冲突时效：在组相联或直接映像Cache 中，若太多的块映像到同一组块中，则会出现该组中某个块被别的块替换、然后又被重新访问的情况。 10、改进cache 性能方法： （1）增加cache 块大小 （2）提高相联度 （3）victim cache （4）伪相联cache （5）编译器优化 （6）非阻塞cache 技术 （7）多级cache （8）写缓冲合并 （9）结构简单的cache 五、互连网络：并行性（概念、理解） 1、互连网络基本概念：CPU 耦合（定时方法：同步异步；交换方法；控制策略；拓补结构） （1）互连网络：一种由开关元件按照一定的拓补结构和控制方式构成的网络，用来实现计算机系统中结点之间 的相互连接 （2）定时方式： 同步：使用一个统一的时钟（SIMD 阵列处理机）； 异步：没有统一时钟； （3）交换方法： 线路交换：源结点和目的结点之间的物理通路在整个数据传送期间一直保持连接； 分组交换：把信息分割成许多组（包），将他们分别送入互联网络。数据包可通过不同路径传送，到达目的后再拼合成原数据。结点之间不存在固定连接的物理通路； （4）控制策略： 集中式：有个全局的控制器接收所有的通信请求，并由他设置互联网络的开关连接； 分散式：不存在全局控制器，通信请求的处理和开关的设置由互联网络分散进行； （5）拓补结构： 静态：在各结点之间有专用的连接通路，且在运行过程中不能改变； 动态：可根据需要设置互联网络中的开关，从而对结点之间的连接通路进行重新组合，实现所要求的通信模式。 2、互连网络的特性和性能参数（网络规模、结点度、距离、网络直径） （1）特性： 网络规模：网络中结点的总数，反映网络连接的部件多少 结点度：与结点相连接的边数 距离：两个结点间相连的最少边数 网络直径：网络中任意两个结点之间距离的最大值 聚集带宽：从一半结点到另一半结点，每秒传输的最大位数（b/s ）或字节数（B/s ） 等分带宽：当某一网络被分成相等的两半时，沿分界面的最小边数 结点间的线长：两个结点间连线的长度 网络对称性：如果从网络任一结点看出去的拓补结构都是一样的，则称该网络为对称网络 （2）性能参数： 频宽：网络传输信息的最大速率，也称传输速率（b/s ） 传输时间：消息（报文）通过网络的时间，等于消息长度除以频宽 传播时延：报文的第一位到达接收方所用的时间，包括网络中转结点转发及其他硬件带来的时延 传输时延：等于传输时间和传播时延之和 发送方开销：发送方通信处理器把消息（报文）送上网络的时间 接收方开销：接收方通信处理器从网络上把到达的消息（报文）取出的时间 3、互连函数（恒等置换、交换置换、方体置换、cube 、均匀洗牌置换shuffle 、碟式置换、PM2I 函数） （1）互连函数：用来描述互联网络种类，特性； 012110)(,,)(,)(x x f x x f x x f j ===- j 称为该循环的长度。 （2）交换函数： 定义：用于实现二进制地址编码中第k 位互反的输入端与输出端之间的连接； 作用：主要用来构造立方体互连网络和各种超立方体互联网络 公式：011121011121)(x x x x x x x x x x x x x x E k k k n n k k k n n -+---+--= （3）均匀洗牌函数： 定义：将输入端分成数目相等的两半，前一半和后一半按类似均匀混洗扑克牌的方式交叉地连接到输出端； 作用：构成Omega 网络 公式：101320121)(-----=n n n n n x x x x x x x x x S （4）碟式函数： 定义：把输入端的二进制编号的最高位与最低位互换位置，便得到了输出端的编号 作用：构成方体多级网络的基础 公式：11200121)(----=n n n n x x x x x x x x B （5）PM2I 函数： 定义：将各输入端都循环移动一定的位置后连到输出端； 作用：构成数据变换网络的基础 公式：N x x PM i i mod )2()(2+=+ N x x PM i i mod )2()(2-=- 其中N n n i N x 2log ,10,10=-≤≤-≤≤；N 为结点数。PM2I 有2n 个互连函数 4、互联网络种类 （1）静态互连网络：线性阵列；环和帯弦环；循环移数网络；树形和星形；胖树形；网格型和环网型；超立方体； （2）动态互连网络：总线网络；多级互连网络；交叉开关网络； 5、多级互联网络 （1）定义：指将多套单级互连网络通过交换开关或交叉开关串联扩展而成的 （2）MIMD 和SIMD 都属于； 6、Ω（Omega ）网络构建互联函数 由混洗和逆混洗互连函数为代表，结合交换开关多级组合可构成Omega 网络或逆Omega 网络 7、多机系统（MIMD ） （1）集中式共享存储器结构 （2）分布式存储器结构 （3）存储器的结构和通信模型 试卷： 单选：10题----20分 名词解释：5题----20分 简答题：4题----25分 问答题及分析：4题----35分 第 1 章计算机系统结构的基本概念 1.1 解释下列术语 层次结构：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。 然后再在这低翻译：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， 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。 而是相对地簇聚。包程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的， 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。 计算机系统结构发展历程及未来展望 一、计算机体系结构 什么是体系结构 经典的关于“计算机体系结构（computer Architecture）”的定义是1964年C.M.Amdahl在介绍IBM360系统时提出的，其具体描述为“计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性” 。 按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。一般来说，低级机器的属性对于高层机器程序员基本是透明的，通常所说的计算机体系结构主要指机器语言级机器的系统结构。计算机体系结构就是适当地组织在一起的一系列系统元素的集合，这些系统元素互相配合、相互协作，通过对信息的处理而完成预先定义的目标。通常包含的系统元素有：计算机软件、计算机硬件、人员、数据库、文档和过程。其中，软件是程序、数据库和相关文档的集合，用于实现所需要的逻辑方法、过程或控制；硬件是提供计算能力的电子设备和提供外部世界功能的电子机械设备(例如传感器、马达、水泵等)；人员是硬件和软件的用户和操作者；数据库是通过软件访问的大型的、有组织的信息集合；文档是描述系统使用方法的手册、表格、图形及其他描述性信息；过程是一系列步骤，它们定义了每个系统元素的特定使用方法或系统驻留的过程性语境。 体系结构原理 计算机体系结构解决的是计算机系统在总体上、功能上需要解决的问题，它和计算机组成、计算机实现是不同的概念。一种体系结构可能有多种组成，一种组成也可能有多种物理实现。 计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。其目标是合理地把各种部件、设备组成计算机，以实现特定的系统结构，同时满足所希望达到的性能价格比。一般而言，计算机组成研究的范围包括：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、设计控制机构和确定采用何种可靠技术等。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，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，信号传输技术，电源、冷却及装配等技术以及相关的制造工艺和技术。 主要研究内容 1·机内数据表示：硬件能直接辨识和操作的数据类型和格式 2·寻址方式：最小可寻址单位、寻址方式的种类、地址运算 3·寄存器组织：操作寄存器、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 4·指令系统：机器指令的操作类型、格式、指令间排序和控制机构 5·存储系统：最小编址单位、编址方式、主存容量、最大可编址空间 6·中断机构：中断类型、中断级别，以及中断响应方式等 1. 多级层次结构 从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构。 2. 透明性： 在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好象不存在的概念称为透明性。 3. 对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指：（选择题） (1) 数据表示 （硬件能直接辩认和处理的数据类型） (2) 寻址规则 （包括最小寻址单元、寻址方式及其表示） (3) 寄存器定义 （包括各种寄存器的定义、数量和使用方式） (4) 指令集 （包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构等） (5) 中断系统 （中断的类型和中断响应硬件的功能等） (6) 机器工作状态的定义和切换 （如管态和目态等） (7) 存储系统 （主存容量、程序员可用的最大存储容量等） (8) 信息保护 （包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持） (9) I/O 结构（包括I/O 连接方式、处理机/存储器与I/O 设备间数据传送的方式和格式以及I/O 操作的状态等） 4. 计算机组成 计算机系统的逻辑实现。 5. 计算机实现 计算机系统的物理实现。 (两者的区别 第5页) 6. 系列机 在一个厂家内生产的具有相同的体系结构，但具有不同组成和实现的一系列 不同型号的机器。 7. 冯氏分类法 用系统的最大并行度对计算机进行分类。 最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理 8. Flynn 分类法 按照指令流和数据流的多倍性进行分类。 9. 4个定量原理：（有理解，有简答） 第6级 第5级 第4级 第3级 第2级 第1级 以经常性事件为重点=大概率事件优先规则 10.CPU性能公式： CPU时间= 执行程序所需的时钟周期数×时钟周期时间= IC ×CPI ×时钟周期时间 其中，时钟周期时间是系统时钟频率的倒数。 每条指令执行的平均时钟周期数CPI CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC IC：所执行的指令条数 11.程序的局部性原理（构成存储层次的理论依据） 包括程序的时间局部性，程序的空间局部性 12.冯·诺依曼结构的主要特点 以运算器为中心。 在存储器中，指令和数据同等对待。 存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。 指令的执行是顺序的。 指令由操作码和地址码组成。 指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。 13.实现可移植性的常用方法 采用系列机，模拟与仿真，统一高级语言。 14.软件兼容方式： 向前（后）兼容,向上（下）兼容四种。 向后兼容一定要保证，他是系列机的根本特征（填空） 15.模拟：用软件的方法在一台现有的机器（称为宿主机）上实现另一台机器（称为虚拟机） 的指令集。 16.仿真：用一台现有机器（宿主机）上的微程序去解释实现另一台机器（目标机）的指令 集。 17.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。 同时性和并发性（填空） 18.从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为： 指令内部并行 指令级并行 线程级并行 任务级或过程级并行 作业或程序级并行 19.提高并行性的技术途径： 时间重叠，资源重复，资源共享 20.耦合度分为：（了解区别） 紧密耦合系统（直接耦合系统）：在这种系统中，计算机之间的物理连接的频带较高，一般是通过总线或高速开关互连，可以共享主存。 松散耦合系统（间接耦合系统）：一般是通过通道或通信线路实现计算机之间的互连，可以共享外存设备（磁盘、磁带等）。机器之间的相互作用是在文件或数据集一级上进行的。 21.CISC指令集结构存在的问题： 各种指令的使用频度相差悬殊 指令集庞大，指令条数很多，许多指令的功能又很复杂， 许多指令由于操作繁杂，其CPI值比较大，执行速度慢。 计算机体系结构论文 论文题目：计算机系统结构中多处理机技术姓名：XXX 班级：XXX 学号：XXXX 摘要：多处理机是指能同时执行多个进程的计算机系统.多处理机通过共享的主存或输入/输出子系统或高速通信网络进行通信。利用多台处理机进行多任务处理，协同求解一个大而复杂的问题来提高速度，或者依靠冗余的处理机及其重组能力来提高系统的可靠性、适应性和可用行。该文介绍了微处理器的发展、多处理机的总线以及处理机系统中通信和存储技术的发展和两种特殊的多处理机系统结构，以及现今几种典型的并行计算机体系结构及处理机分配与调度策略。而本篇论文主要根据所阅读的文章进行扩展延伸，主要介绍了多处理机技术，它的总线以及分配调度方面。 关键字：多处理机；体系结构；总线；调度 引言： 微电子技术和封装技术的进步，使得高性能的VLSI微处理器得以大批量生产，性能价格比不断合理，这为并行多处理机的发展奠定了重要的物质基础。计算机系统性能增长的根本因素有两个：一个是微电子技术，另一个是计算机体系结构技术。五十年代以来，人们先后采用了先行控制技术、流水线技术、增加功能部件甚至多机技术、存储寻址和管理能力的扩充、功能分布的强化、各种互联网络的拓扑结构以及支持多道、多任务的软件技术等_系列并行处理技术，提高计算机处理速度，增强系统性能。多处理机体系结构是计算机体系结构发展中的一个重要内容，已成为并行计算机发展中人们最关注的结构。 多处理机的介绍： 多处理机是指能同时执行多个进程的计算机系统。 由于超大规模集成电路(VLSI)技术迅速发展的结果，多处理技术能够充分地发挥高性能的32位微处理机的有效性，用大量低价格的部件配置高性能的计算机结构系统.以典型的 目录 第一章计算机系统结构基本概念 (2) (一) 概念 (2) (二) 定量分析技术 (3) (三) 计算机系统结构发展 (4) (四) 计算机的并行性 (5) 第二章计算机指令集结构 (7) 一. 指令集结构的分类 (7) 二. 寻址方式 (7) 三. 指令集结构的功能设计 (8) 四. 指令格式的设计 (10) 五. MIPS指令集结构 (10) 第三章流水线技术 (14) 一. 流水线的基本概念 (14) 二. 流水线的性能指标 (14) 三. 流水线的相关与冲突 (16) 四. 流水线的实现 (18) 第四章指令集并行 (18) 付志强 第一章计算机系统结构基本概念 (一)概念 什么是计算机系统结构: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成为透明性. 常见计算机系统结构分类法 冯氏分类法(冯泽云):按最大并行度对计算机进行分类. Flynn分类法:按指令流和数据流多倍性进行分类 ①单指令流单数据流 ②单指令流多数据流 ③多指令流单数据流(不存在) ④多指令流多数据流 付志强 (二)定量分析技术 Amdahl定律:加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比,受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比. 加速比=系统性能 改进后 系统性能 改进前 = 总执行时间 改进前 总执行时间 改进后 加速比依赖于以下两个因素 ①可改进比例 ②部件加速比 CPU性能公式 CPU时间 CPU时间=执行程序所需时间的时钟周期数x时钟周期时间(系统频率倒数) CPI(Cycles Per Instruction) CPI =执行程序所需时钟周期数/所执行指令条数 ∴CPU时间= IC x CPI x 时钟周期时间 可知CPU性能取决于一下三个方面 ①时钟周期时间:取决于硬件实现技术和计算机组成 付志强 1. 计算机系统的多级层次结构： 第6级 第5级 第4级 第3级 第2级 第1级 2. 系统结构的概念： 计算机系统结构指的是计算机系统的软、 硬件的界面， 即机器语言程 序员或编译程序设计者所能看到的传统机器级所具有的属性。 3. 在计算机技术中， 对本来存在的事物或属性， 但从某种角度看又好象不存在的概念称为 透明性。 4. 对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指： （选择题） 1） 指令系统（包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构等） 2） 数据表示 （硬件能直接辩认和处理的数据类型） 3） 寻址规则 （包括最小寻址单元、寻址方式及其表示） 4） 寄存器定义 （包括各种寄存器的定义、数量和使用方式） 5） 中断系统 （中断的类型和中断响应硬件的功能等） 6） 机器工作状态的定义和切换 （如管态和目态等） 7） 存储系统 （主存容量、程序员可用的最大存储容量等） 8） 信息保护 （包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持） 9） I/O 结构（包括 I/O 连接方式、处理机 /存储器与 I/O 设备间数据传送的方式和 格式 以及 I/O 操作的状态等） 5. 计算机组成指的是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。 6. 计算机实现指的是计算机组成的物理实现。 7. 数据表示是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。 8. 数据类型、数据结构、数据表示之间的关系 名词解释 填空 选择 简答 计算 L1：微程序机器 9.系列机指由同一厂商生产的具有相同体系结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型 号的机器。 10.常见的计算机系统结构分类法有两种：Flynn 分类法和冯氏分类法。冯氏分类法是用系 统的最大并行度对计算机进行分类；Flynn 分类法是指按照指令流和数据流的多倍性进行分类。 11.定量分析技术（简答题）： 1）以经常性事件为重点：在计算机系统设计中，经常需要在多种不同的方法之间进行折中，这时应按照对经常发生的情况采用优化方法的原则进行选择。 2）Amdahl 定律：加速某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。 3）CPU性能公式：执行一个程序所需的CPU 时间=执行程序所需的时钟周期数*时钟周期时间 4）程序的局部性原理：指程序执行时所访问的存储器地址分布不是随机的，而是相对簇聚的。分为时间局部性和空间局部性。 12.冯诺依曼结构的特点：以运算器为中心；在存储器中，指令和数据同等对待；存储器是 按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个存储单元的位数是固定的；指令是按顺序执行的；指令由操作码和地址码组成；指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。 13.实现可移植性的常用方法有三种：采用系列机、模拟与仿真、统一高级语言。 14.系列机在兼容方面，向后兼容一定要保证，尽量保证向上兼容 15.模拟是指用软件的方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令集。（软件方法） 16.仿真是指用一台现有计算机上的微程序去解释实现另一台计算机的指令集。（硬件方法） 17.并行性包括同时性和并发性。 18.从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为：（简答） 1）指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行 2）指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令 3）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。 4）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，以子程序或进程为调度单位。 5）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。 19.提高并行性的技术路径（12 字）：时间重叠、资源重复、资源共享 20.能够对紧密耦合系统和松散耦合系统进行区分：紧密耦合系统共享主存，松散耦合系统共 享外设 21.CISC 指令集结构存在的问题： 1)各种指令的使用频度相差悬殊 计算机测试系统发展综述 来源：牌技研究中心 https://www.doczj.com/doc/bc6670386.html, 摘要: 计算机测试系统通常作为设备或武器系统的一个不可缺少的组成部分,其测试性能是衡量设备或武器系统优劣的一项重要指标。其应为基于标准总线的、模块化的开放式体系结构且具备虚拟仪器特点。通过分析和比较VXI总线和PXI总线特点,给出了计算机测试系统的发展方向。归纳出了计算机测试系统应具备的9个方面功能。给出了设计和研制计算机测试系统应遵循的基本原则。 关键词: 测试系统;VXI总线; PXI总线 测试技术涉及到众多学科专业领域,如传感器、数据采集、信息处理、标准总线、计算机硬件和软件、通信等等。测试技术与科学研究、工程实践密切相关,两者相辅相成,科学技术的发展促进了测试技术的发展,测试技术的发展反过来又促进了科学技术的进步。 测试仪器发展至今,大体经历了5 代: 模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。自上个世纪80年代以来,伴随微电子技术和计算机技术飞速发展,测试技术与计算机技术的融合已引起测试领域一场新的革命。1986 年美国国家仪器公司提出“虚拟仪器”即“软件就是仪器”的概念。虚拟仪器是卡式仪器的进一步发展,是计算机技术应用于仪器领域而产生的一种新的仪器类型,它以标准总线作为测试仪器和系统的基本结构框架,配置测量模块,通过软件编程实现强大的测量功能。在虚拟仪器系统中,用灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件,用人的智力资源代替物质资源,特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析,使仪 器中的一些硬件、甚至整件仪器从系统中“消失”,而由计算机的硬软件资源来完成它们的功能。另外,通过软件可产生许多物理设备难以产生的激励信号以检测并处理许多以前难以捕捉的信号。虚拟仪器是计算机技术和测试技术相结合的产物,是传统测试仪器与测试系统观念的一次巨大变革。 测试技术和设备涉及国民经济和国防建设的各行各业,先进的电子测试设备在众多行业的科研、生产和设备维护使用过程中起着举足轻重的作用。特别是在电子产品、航空航天、武器装备、工业自动化、通信、能源等诸多领域,只要稍微复杂一点的涉及到弱电的系统(或装置)都要考虑测试问题。测试系统是设备或装备的一个必不可少的组成部分,如武器系统的维护维修离不开测试设备。一个系统(或装置)测试功能的完备与否已成为衡量其设计是否合理和能否正常运行的关键因素之一。 测试仪器和系统在国民经济和国防建设中起着把关和指导者的作用,它们广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和国防科研等行业。测试仪器和系统从生产现场各个环节获得各种数据,进行处理、分析和综合,通过各种手段或控制装置使生产环节得到优化,进而保证和提高产品质量。在武器系统科研试验现场,测试仪器和系统可获得试验中各个阶段和最终试验数据,用于及时发现试验中出现的问题和给出试验结论,并为后续相关试验提供依据。因此,测试仪器与系统对于提高科研和试验效率,加快武器试验进程和保证试验安全至关重要。以雷达、综合电子战为代表的军事电子领域,以预警机、战斗机、卫星通信、载人航天和探月工程为代表的航空、航天领域及以导弹武器系统为代表的兵器领域等都离不开测试设备,它是这些装备和系统正常使用和日常维护及维修所必备的。 1 系统类型 现代的测试系统主要是计算机化系统,它是计算机技术与测量技术深层次结合的产物。随着计算机技术的发展,构成测试系统的可选择性不断加大,按照测试功能要求,可构成多种类型的计算机测试系统。在计算机测试系统分类问题上并没有严格的统 计算机体系结构试题及答案 1、计算机高性能发展受益于：(1) 电路技术的发展；(2) 计算机体系结构技术的发展。 2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。第六级：应用语言虚拟机-> 第五级：高级语言虚拟机-> 第四级：汇编语言虚拟机-> 第三级：操作系统虚拟机->第二级：机器语言(传统机器级) -> 第一级：微程序机器级。 3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。 4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。 5、Amdahl 提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。 6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。 7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。 8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？ 答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。 9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。 10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的 各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。 11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。 12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。 13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。 14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。 15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。（b）流量：单位时间内所完成的工作量。（c ）假定两台计算机x 、y；x 比y 快意思为：对于给定任务，x 的响应时间比y少。x的性能是y的几倍是指：响应时间x / 响应时间y = n ，响应时间与性能成反比。 软件体系结构研究综述 班级：软件092 学号：17 姓名：陈世华摘要: 近年来,软件体系结构逐渐成为软件工程领域的研究热点以及大型软件系统与软件产品线开发中的关键技术之一.归纳了软件体系结构技术发展过程及其主要研究方向.在分析了典型的软件体系结构概念之后,给出了软件体系结构的定义.通过总结软件体系结构领域的若干研究活动,提出了软件体系结构研究的两大思路,并从7个方面介绍了软件体系结构研究进展.探讨了软件体系结构研究中的不足之处,并分析其原因.作为总结,给出了软件体系结构领域最有前途的发展趋势. 关键词: 软件体系结构;基于体系结构的软件开发;软件体系结构描述语言;软件体系结构描述方法;软件体系结构演化;软件体系结构发现;软件体系结构分析;软件体系结构验证;特定域软件体系结构(DSSA) Abstract: Software architecture (SA) is emerging as one of the primary research areas in software engineering recently and one of the key technologies to the development of large-scale software-intensive system and software product line system. The history and the major direction of SA are summarized, and the concept of SA is brought up based on analyzing and comparing the several classical definitions about SA. Based on summing up the activities about SA, two categories of study about SA are extracted out, and the advancements of researches on SA are subsequently introduced from seven aspects. Additionally, some disadvantages of study on SA are discussed, and the causes are explained at the same time. Finally, it is concluded with some significantly promising tendency about research on SA. Key words: software architecture; architecture-based development; architecture description language; architectural representation and description; architectural evolution and reuse; architectural discovery; architectural analysis; architectural verification and evaluation; domain-specific software architecture (DSSA) 计算机系统结构复习题和重点（附答案） 一、单项选择题 1．实现汇编语言源程序变换成机器语言目标程序是由（） A．编译程序解释B．编译程序翻译 C．汇编程序解释D．汇编程序翻译 2．系列机软件必须保证（） A．向前兼容，并向上兼容B．向前兼容，并向下兼容 C．向后兼容，力争向上兼容D．向后兼容，力争向下兼容 3．浮点数尾数基值r m=8，尾数数值部分长6位，可表示规格化正尾数的个数是（）A．56个B．63个 C．64个D．84个 4．在IBM370系统中，支持操作系统实现多进程共用公用区管理最有效的指令是（）A．“执行”指令B．“程序调用”指令 C．“比较与交换”指令D．“测试与置定”指令 5．关于非专用总线三种控制方式中，下列叙述错误 ．．的是（） A．集中式定时查询，所有部件共用同一条“总线忙”线 B．集中式定时查询，所有部件都用同一条“总线请求”线 C．集中式独立请求，所有部件都用同一条“总线请求”线 D．集中式串行链接，所有部件都用同一条“总线请求”线 6．磁盘外部设备适合于连接到（） A．字节多路通道B．数组多路通道或选择通道 C．选择通道或字节多路通道D．数组多路通道或字节多路通道 7．在Cache存储器中常用的地址映象方式是（） A．全相联映象B．页表法映象 C．组相联映象D．段页表映象 8．在指令级高度并行的超级处理机中，下列叙述正确的是（） A．超标量处理机利用资源重复，要求高速时钟机制 B．超流水线处理机利用资源重复，要求高速时钟机制 C．超标量处理着重开发时间并行性，要求高速时钟机制 D．超流水线处理机着重开发时间并行性，要求高速时钟机制 9．间接二进制n方体网络是一种（） A．多级立方体网络B．多级全排列网络 1、、Amdahl定律:某部件应用越频繁,当提高该部件性能时,整机性能也提高得越多;整机得性能加速不可能大于在原机器中除该部件外所有其它部件运行时间得百分比得倒数1/(1-F)。 F定义为采用先进高速部件得那部分程序在未采用先进高速部件得计算机上运行得时间占总时间得百分比,则F= 采用高速部件得任务在老计算机上运行得时间 整个任务在老计算机上运行得时间 同时将S定义为先进高速部件与老部件得性能,则 S= 老部件完成该功能得时间 先进高速部件完成该功能得时间 而采用了高速部件后整机性能提高比,即 Speedup = T old = 1 T new (1－F)+F/S 某种硬件增强技术,可使执行速度提高10倍,在采用增强技术得计算机上测出其使用率就是50%。根据Amdahl定律计算: ⑴采用增强技术后计算机性能加速比就是多少？ ⑵未采用增强技术运行得部件在不采用增强技术得机器上运行时得时间比例。 2、(1)90/10局部性规则:程序花费90%得执行时间运行指令集中10%得指令代码。这就就是说在指令集中所有得指令只有10%指令就是常用得,而另外90%指令得使用率合起来只有10%。 (2)时间局部性:如果某一参数被引用,那它不久将再次被引用。这里指出了程序执行时在时间上得局部性 (3)空间局部性:如果某一参数被引用,那它附近得参数不久也将被引用。指出程序执行时地址空间上得局部性。 3、计算机得性能就是指在计算机上完成用户得应用任务所需得时间长短。完成同样任务所需得时间越短,计算机得性能越好。(考判断) 4、衡量计算机性能得参数:响应时间就是指计算机系统完成某一任务(程序)所花费得时间。 5、如果用速度来评价性能,我们称“高”为性能好;如果用响应时间来评价性能,我们称“短”为性能好。(考判断) 6、计算机整机性能分成两部分:一就是CPU执行程序得时间,二就是等待时间。 提高计算机性能就就是提高CPU性能与减少等待时间。 cpu性能因子CPI:每条指令得平均时钟周期数(clock cycles per instruction), CPI=CPU花费得时钟数/CPU执行得总指令数 CPUtime =指令数× CPI ×时钟周期==I× CPI ×τ 8、CPU性能因子:(1)时钟频率(f)(2)CPI(3)指令数(I) (考填空) CPU性能 =1/CPU time= f / ( I×CPI ) 计算机性能常用指标:(1)MIPS(million instruction per second)MIPS得意思就是每秒钟执行得百万条指令数。 MIPS= 指令数/ ( 执行时间×106 ) = 时钟频率 / ( CPI×106 ) =f / ( CPI×106 ) MFLOPS(million floating-point operation per second)每秒钟执行得百万个浮点操作数MFLOPS=浮点操作数 / 执行时间×106 10、工作负载基准程序(workload benchmark): (1)实际程序(2)核心基准程序(3)简单基准程序(4)合成基准程序 (考填空) 11、基准程序得一般设计原则: (1)具有代表性,反映用户得实际应用。 (2)不能对基准程序进行优化。 (3)复现性。能重复测试,其环境相同,结果能重复出现。(4)可移植性。系统相关性要小。 (5)紧凑性。基准程序不宜太庞大。 (6)成本-效率要高。 12、测量结果得统计与比较----性能报告:SPEC(system performance evaluation cooperative)基准程序 13、指令设计时主要以下几个方面来考虑: (考填空) ⑴应用范围;⑵指令得使用概率;⑶常用指令分析;⑷特殊指令设计。 第一部分：计算机系统组成及说明 一、计算机系统组成 一个完整的计算机系统通常是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。（一）硬件（hardware） 硬件是指计算机的物理设备，包括主机及其外部设备。具体地说，硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。 ①存储器。存储器是计算机用来存放程序和原始数据及运算的中间结果和最后结果的记忆部件。 ②运算器。运算器对二进制数码进行算术或逻辑运算。 ③控制器。控制器是计算机的“神经中枢”。它指挥计算机各部件按照指令功能的要求自动协调地进行所需的各种操作。 ④输入/输出设备（简称I/O设备）。计算机和外界进行联系业务要通过输入输出设备才能实现。输入设备用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们转换成计算机所能识别的形式（二进制）存放到内存中。输出设备的主要功能是把计算机处理的结果转变为人们能接受的形式，如数字、字母、符号或图形。 （二）软件（software） 软件是指系统中的程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档的集合。包括计算机本身运行所需的系统软件和用户完成特定任务所需的应用软件（三）硬件和软件的关系 硬件是计算机的基础，软件对硬件起辅助支持作用，二者相辅相成，缺一不可，只有有了软件的支持，硬件才能充分发挥自己的作用。 二、计算机工作原理 （一）冯·诺依曼设计思想 计算机问世５０年来，虽然现在的计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域和价格等方面与当时的计算机有很大的差别，但基本体系结构没有变，都属于冯·诺依曼计算机。 冯·诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点： ①计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。 ②计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中，操作码表示运算性质，地址码指出操作数在存储器的位置。 ③将编好的程序和原始数据送入内存储器中，然后启动计算机工作，计算机应在不需操作人员干预的情况下，自动逐条取出指令和执行任务。 冯·诺依曼设计思想最重要之处在于他明确地提出了“程序存储”的概念。他的全部设计思想，实际上是对“程序存储”要领的具体化。 .. . … . word. … 第一章 计算机系统结构的基本概念 【学习指南】 一.本章是全书的基础，所以要透切理解本章所介绍的基本概念,例如计算机系统层次结构，系统结构定义，计算机组成定义，计算机实现定义，系统结构、组成与实现的三者关系，透明性，Amdahl 定律，CPU 性能公式，局部性原理，MIPS 定义，MFLOPS 定义等等。 1. 计算机系统由硬件和软件组成，按功能划分为多级层次结构。 2. 计算机系统结构作为一门学科，主要是研究软件，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。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。计算机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；计算机实现是计算机组成的物理实现。 3. 计算机系统结构的分类 (1) 通常把计算机系统按照其性能和价格的综合指标分为巨型、大型、中型、小型、 微型等。 (2) 按用途可分为科学计算、事务处理、实时控制、家用等。 (3) 按处理机个数和种类，可分为单处理机、多处理机、并行处理机、关联处理机、 超标量处理机、超流水线处理机、SMP （对称多处理机）、MPP （大规模并行处理 机）、机群系统等。 (4) Flynn 分类法。按照指令流和数据流的不同组织方式，将计算机系统结构分为以下 四类： ? 单指令流单数据流SISD （Single Instruction stream Single Datastream ） ? 单指令流多数据流SIMD （Single Instruction stream Multiple Datastream ） ? 多指令流单数据流MISD （Multiple Instruction stream Single Datastream ） ? 多指令流多数据流MIMD （Multiple Instruction stream Multiple Datastream ） （5）式分类法。提出用最大并行度对计算机系统结构进行分类。分为： ? 字串位串WSBS （Word Serial and Bit Serial ） ? 字并位串WPBS （Word Parallel and Bit Serial ） ? 字串位并WSBP （Word Serial and Bit Parallel ） ? 字并位并WPBP （Word Parallel and Bit Parallel ） 4．计算机系统设计的定量原理 (1) 加快经常性事件的速度(Make the common case fast)。 (2) Amdahl 定律：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总执行时间的比例有关。 Fe 表示（改进前可改进部分占用的时间）/（改进前整个任务的执行时间），Se 表示（改进前改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间），则： ? 改进后的整个任务的执行时间为： )1(0Se Fe Fe T T n +-=, 其中0T 为改进前的整个任务的执行时间。 ? 改进后的整个系统加速比为： 《计算机系统结构》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程代码: 课程名称：计算机系统结构 英文名称：Computer Architecture 课程类别: 专业课 学时：72(其中实验18学时) 学分: 3.5 适用对象: 计算机科学与技术、网络工程专业 考核方式：考试（其中平时成绩占30%，期末考试成绩占70%） 先修课程：计算机组成原理、操作系统 二、课程简介 本课程是计算机专业一门重要的专业基础课，对于培养学生的抽象思维能力和自顶向下、系统地分析和解决问题的能力有非常重要的作用。其目标是使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计和分析方法，并对计算机系统结构的发展历史和现状有所了解。通过学习本课程，能把在“计算机组成原理”等课程中所学的软、硬件知识有机地结合起来，从而建立起计算机系统的完整概念。 This course is a computer professional important foundation for the professional class, for training students in abstract thinking, and top-down, System analysis and the ability to solve problems is a very important role. The goal is to enable students to master computer system structure the basic concepts, basic principles and basic structure, basic design and analysis methods and computer system architecture and the history of the development of an understanding of the status quo. Through the study of this course, can in "Principles of Computer Organization", y the school curriculum of the software and hardware knowledge combined organic, Computer systems in order to establish the integrity of the concept. 三、课程性质与教学目的 《计算机系统结构》的教学对象为计算机相关专业的高年级本科生专业技术基础课程，目的是介绍计算机体系结构的概念、技术和最新动态，着重介绍软，硬件功能分配以及如何最佳、最合理地实现软、硬件功能分配。要求了解基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法。使学生对计算机系统结构、组成和实现有一个整体掌握。 四、教学内容及要求 第一单元计算机系统结构的基本概念 计算机系统结构论文 计算机系统结构中多处理机技术 摘要：多处理机通过共享的主存或输入/输出子系统或高速通信网络进行通信。利用多台处理机进行多任务处理，协同求解一个大而复杂的问题来提高速度，或者依靠冗余的处理机及其重组能力来提高系统的可靠性、适应性和可用行。该文介绍了微处理器的发展、多处理机的总线以及处理机系统中通信和存储技术的发展和两种特殊的多处理机系统结构。 关键词：多处理机；体系结构；总线 微电子技术和封装技术的进步，使得高性能的VLSI 微处理器得以大批量生产，性能价格比不断合理，这为并行多处理机的发展奠定了重要的物质基础。 计算机系统性能增长的根本因素有两个：一是微电子技术，另一个是计算机体系结构技术。五十年代以来，人们先后采用了先行控制技术、流水线技术、增加功能部件甚至多机技术、存储寻址和管理能力的扩充、功能分布的强化、各种互联网络的拓扑结构以及支持多道、多任务的软件技术等一系列并行处理技术，提高计算机处理速度，增强系统性能。多处理机体系结构是计算机体系结构发展中的一个重要内容，已成为并行计算机发展中人们最关注的结构。 1 微处理器的发展 20 世纪80 年代中期，RISC 精简指令集计算机，用20%指令的组合实现了CISC 计算机指令系统不常用的80%指令的功能。在提高性能方面，RISC 采用了超级流水线、超级标量、超长指令字并行处理结构；多级指令Cache；编译优化等技术，充分利用RISC 的内部资源，发挥其内部操作的并行性，从而提高流水线的执行效率。20 世纪80 年代后期，RISC 处理机的性能指标几乎以每年翻一番的速度发展，它对于提高计算机系统的性能和应用水平起着巨大的作用。 目前，由Intel 和HP 两家公司联合开发的基于IA—64 架构的Merced 芯片，并由其共同定义的显式并行指令计算技术EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing )，将为微处理器技术的发展带来突破性进展。EPIC 技术主要指编译器在微处理器执行指令之前就对整个程序的代码作出优化安排，编译器分析指令间的依赖关系，将没有依赖关系的指令(最多3 个)组成一“组”，由Merced内置的执行单元读入被分成组的指令群并执行。从理论上讲，EPIC 可以并行执行3 倍于执行单元数的指令。64 位体系结构的Merced 芯片还采用了指令预测、数据预装等技术，可以显著地减少实际执行程序的长度，同时增强语句执行的并行性，经过代码的重组，程序的执行时间比基于传统体系结构 第一章计算机体系结构的基本概念 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。 2.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。 3.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。 4.常见的计算机系统结构分类法有两种：Flynn分类法、冯氏分类法Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类： 单指令流单数据流(SISD) 单指令流多数据流(SIMD) 多指令流单数据流(MISD) 多指令流多数据流(MIMD) 5. 改进后程序的总执行时间 系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比 6.CPI（Cycles Per Instruction）:每条指令执行的平均时钟周期数 CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC 7.存储程序原理的基本点：指令驱动 8.冯·诺依曼结构的主要特点 1.以运算器为中心。 2.在存储器中，指令和数据同等对待。 指令和数据一样可以进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。 3.存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。 4.指令的执行是顺序的 5.指令由操作码和地址码组成。 6.指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。 9.软件的可移植性 一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上正确地运行。差别只是执行时间的不同。我们称这两台计算机是软件兼容的。 实现可移植性的常用方法:采用系列机、模拟与仿真、统一高级语言。 软件兼容： 向上（下）兼容：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。 向前（后）兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之前（后）投入市场的机器。 向后兼容是系列机的根本特征。 兼容机：由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。计算机系统结构重点题解自考复习资料
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