计算机体系结构分析

计算机体系结构计算机系统结构复习计算机系统结构计算机体系结构计算机系统结构复习考试题型术语解释选择题填空题问答题计算题计算机体系结构计算机系统结构1.1计算机系统的多级层次结构计算机系统＝软件＋硬件/固件可以从多个角度考察计算机系统的结构一种观点：从使用语言的角度，可以将计算机系统按功能划分为多级层次结构第一章计算机体系结构计算机系统结构1.1计算机系统的多级层次结构计算机系统层次结构第0级由硬件实现。第1级由微程序实现。第2级至第5级由软件实现。第1级是传统指令系统（机器语言）机器。第2级是操作系统机器。第3级是汇编语言机器。第4级是高级语言机器。第5级是应用语言机器。第一章计算机体系结构计算机系统结构虚拟机概念从不同角度所看到的计算机系统的属性是不同的，大部分人对计算机的认识只需要在某一个层次上。虚拟计算机即是由软件实现的机器。从学科领域来划分第0和第1级属于计算机组成与系统结构第2至第4级是系统软件第5级是应用软件第一章计算机体系结构计算机系统结构翻译(Translation)：先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成低一级机器级上可运行的等效程序，然后再在低一级机器级上去实现的技术。（先翻译后执行）解释（Interpretation）：在低一级机器级上用它的一串语句或指令来等效高一级机器上的一条语句或指令的功能，通过对高一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。（边解释边执行）第一章计算机体系结构计算机系统结构翻译和解释是语言实现的两种基本技术。一般来说，解释执行比翻译花的时间多，但占用存储空间较少。软件和硬件实现在逻辑功能上等效。计算机系统结构设计者的主要任务就是要确定软硬件的分界；软件、硬件和固件的功能分配。第一章计算机体系结构计算机系统结构1.2计算机系统结构、组成与实现我们这里所称的计算机系统结构或计算机体系结构(ComputerArchitecture)指的是层次结构中传统机器级的系统结构，其界面之上的功能包括操作系统级、汇编语言级、高级语言级和应用语言级中所有软件的功能。界面之下的功能包括所有硬件和固件的功能。第一章计算机体系结构计算机系统结构计算机系统结构的定义1.定义一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。2.定义二计算机系统结构是对计算机系统中各级界面的划分、定义及其上下的功能分配。第一章计算机体系结构计算机系统结构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。计算机组成计算机组成是指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以及逻辑设计等。计算机实现计算机实现是指计算机组成的物理实现。它主要着眼于器件技术和微组装技术。第一章计算机体系结构计算机系统结构计算机系统结构、组成与实现三者关系：1、系统结构要考虑组成和实现的发展，不要有过多或不合理的限制；2、组成要考虑系统结构和实现，决定于系统结构，受限于实现；3、组成与实现不是被动的，折中权衡；4、实现是物质基础。第一章计算机体系结构计算机系统结构1.3软硬取舍与计算机系统的设计思路软硬取舍的基本原则第一个基本原则是，在现有硬件和器件条件下，系统要有高的性能价格比。第一章计算机体系结构计算机系统结构第二个基本原则是，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。第三个基本原则是，不能仅从“硬”的角度去考虑如何便于应用组成技术的成果和发挥器件技术的进展，还应从“软”的角度把为编译和操作系统的实现，以至高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持放在首位。第一章计算机体系结构计算机系统结构计算机系统设计的主要方法方法1：由上向下（Top-Down）方法2：由下向上（Bottom-Up)方法3：中间开始（Middle-Out)应用虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机操作系统虚拟机传统机器级微程序级硬联逻辑级向上向下第一章计算机体系结构计算机系统结构1.4计算机设计的量化准则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。在Amdahl定律中，加速比与两个因素有关：时间改进后改进部分的执行时间改进前改进部分的执行，时间改进前整个任务的执行可改进部分占用的时间SeFe第一章计算机体系结构计算机系统结构改进后整个任务的执行时间为：其中Ｔ0为改进前的整个任务的执行时间。改进后整个系统的加速比为：其中（1-Fe)表示不可改进部分。TTFFSneee01()STTFFSnneee011()第一章计算机体系结构计算机系统结构CPU性能公式程序执行的CPU时间为：时钟频率时钟周期数时间CPUCPU时钟频率时间CPIICCPUn1iiiin1i)ICICPI(ICICPICPI第一章计算机体系结构计算机系统结构系统结构的评价标准1.时钟频率（主频）：用于同类处理机之间。2.指令执行速度一种很经典的表示方法MIPS(MillionInstructionsPerSecond),KIPS,GIPS,TIPS第一章MIPS10FzCPIIPCFz6指令条数执行时间计算机体系结构计算机系统结构3.等效指令速度：吉普森（Gibson）法）（等效　等效指令速度等效指令执行时间niiiniiiniiiWCPICPIMIPSWMIPSTWT111/1)(第一章计算机体系结构计算机系统结构1.5软件、应用、器件对系统结构的影响软件可移植性的定义软件不用修改或只需少量加工就能由一台机器搬到另一台机器上运行，即同一软件可以应用于不同的环境。实现软件可移植性的几种技术技术一：统一高级语言技术二：采用系列机思想技术三：模拟与仿真第一章计算机体系结构计算机系统结构1.采用统一的高级语言方法方法：采用同一种不依赖于任何具体机器的高级语言编写系统软件和应用软件。第一章计算机体系结构计算机系统结构2.采用系列机方法系列机定义：同一厂家生产的具有相同的系统结构，不同组成和实现的一系列计算机系统。实现方法：在系统结构基本不变的基础上，根据不同性能的要求和当时的器件发展情况，设计出各种性能、价格不同的计算机系统。一种系统结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现。第一章计算机体系结构计算机系统结构软件兼容性设计方法原因：软件相对于硬件的成本越来越贵，已积累了大量成熟的系统软件和应用软件。兼容种类向后兼容在某一时间生产的机器上运行的目标软件能够直接运行于更晚生产的机器上。向前兼容向上兼容在低档机器上运行的目标软件能够直接运行于高档机器上。向下兼容第一章计算机体系结构计算机系统结构其中向后兼容最重要，必须做到，向上兼容尽量做到，向前兼容和向下兼容，可以不考虑。兼容机定义：不同厂家生产的具有相同的系统结构的计算机系统。计算机体系结构计算机系统结构3.采用模拟与仿真方法定义：在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。全部用软件实现的叫模拟。用硬件、固件或软件、硬件、固件混合实现的叫仿真。第一章计算机体系结构计算机系统结构第一章模拟的实现方法：在A计算机上通过解释方法实现B计算机的指令系统，即B机器的每一条指令用一段A机器的程序进行解释执行。A机器称为宿主机，B机器称为虚拟机。仿真的实现方法：直接用A机器的一段微程序解释执行B机器的每条指令。A机器称为宿主机，B机称为目标机。仿真——微程序——控存中模拟——机器语言——主存中计算机体系结构计算机系统结构软件移植方法区别：A统一高级语言解决结构相同或完全不同的各种机器上的软件移植，是重要方向。问题：语言标准化很重要，短期很难，只能相对统一。B系列机普遍采用，只解决同一系列结构内的软件兼容。问题：兼容的约束阻碍系统结构取得突破进展。第一章计算机体系结构计算机系统结构C模拟灵活性较大，可实现不同系统间的软件移植。问题：结构差别大时，效率和速度急剧下降。D仿真速度损失小，可实现不同系统间的软件移植。问题：灵活性较小，只能在结构差别不大的机器间采用。需结合模拟。第一章计算机体系结构计算机系统结构1.6系统结构中的并行性及计算机系统的分类并行性概念并行性包含同时性和并发性二重含义。同时性——两个或多个事件在同一时刻发生。并发性——两个或多个事件在同一时间间隔内发生。第一章计算机体系结构计算机系统结构并行性开发的途径•时间重叠•资源重复•资源共享第一章计算机体系结构计算机系统结构并行处理计算机的结构并行处理计算机是强调并行处理的系统，除了分布处理系统外，按其基本结构特征，可以分成流水线计算机、阵列处理机、多处理机系统和数据流计算机等4种不同的结构。计算机体系结构计算机系统结构如果多台计算机通过通道或通信线路实现互连，共享某些如磁带、磁盘等外设，则称为松散耦合系统。如果多台计算机之间通过总线或高速开关互连，共享主存，则称为紧密耦合系统。第一章计算机体系结构计算机系统结构佛林（Flynn）分类法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。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，包括输入数据和中间结果。多倍性：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。第一章计算机体系结构计算机系统结构四种类型单指令流单数据流SISD(SingleInstructionSingleDatastream);单指令流多数据流SIMD(SingleInstructionMultipleDatastream);多指令流单数据流MISD(MultipleInstructionSingleDatastream);多指令流多数据流MIMD(MultipleInstructionMultipleDatastream)第一章计算机体系结构计算机系统结构2.1数据表示数据类型包括数据表示和数据结构。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。第二章计算机体系结构计算机系统结构自定义数据表示1、带标志符的数据表示法带有标志符的数据表示方式标志符数值第二章2、数据描述符表示法数据描述符与标志符的区别：标志符与数据合存于一个存储单元中，用于描述单个数据的类型和属性（作用于一个数据）；而描述符则和数据分开存放，主要用于描述成块数据的特征（作用于一组数据）。计算机体系结构计算机系统结构最高三位为101时表示数据描述符，最高三位为000时表示数据。数据描述符101地址标志位长度数据000数值第二章计算机体系结构计算机系统结构2.2寻址技术寻址方式：寻找操作数及数据存放单元的方法。主要内容：寻址方式的设计思想和设计方法。方法：分析各种寻址技术的优缺点，如何选择和确定寻址技术。第二章计算机体系结构计算机系统结构定位方式程序需要定位的主要原因：程序的独立性；程序的模块化设计；数据结构在程序运行过程中，其大小往往是变化的；有些程序本身很大，大于分配给它的主存物理空间。第二章计算机体系结构计算机系统结构直接定位方式：在程序装入主存储器之前，程序中的指令和数据的主存物理地址就已经确定了的称为直接定位方式。静态定位：在程序装入主存储器的过程中随即进行地址变换，确定指令和数据的主存物理地址的称为静态定位方式。动态定位：在程序执行过程中，当访问到相应的指令或数据时才进行地址变换，确定指令和数据的主存物理地址的称为动态定位方式。第二章计算机体系结构计算机系统结构2.3指令系统的设计和改进主要目标：节省程序的存储空间指令格式尽量规整，便于译码研究内容：操作码的优化表示；地址码的优化表示第二章计算机体系结构计算机系统结构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、扩展编码第二章计算机体系结构计算机系统结构Huffman编码法操作码的最短平均长度（理想情况），又称信息源熵，可通过下式计算：其中：Pi表示第i种操作码在程序中出现的概率。信息冗余量：第二章n1ii2iplogpH实际平均码长H1R计