1、計算機系統結構復習總結計算機系統結構概念1.1 計算機系統結構：程序員所看到的計算機的基本屬性，即概念性結構與功能特性。*注意：對不同層次上的程序員來說，由于使用的程序設計語言不同，可能看到的概念性結構和功能特性會有所不同。1.2 計算機系統的層次結構 現代計算機是一種包括機器硬件、指令系統、系統軟件、應用程序和用戶接口的集成系統。現代計算機結構圖*注意：計算機結構的層次模型依據計算機語言廣義的理解，可將計算機系統看成由多級“虛擬”計算機所組成。從語言層次上畫分可得下圖：計算機結構的層次模型1.3計算機系統結構組成與實現 計算機系統結構：是計算機系統的軟件與硬件直接的界面 計算機組成：是指計算

2、機系統結構的邏輯實現 計算機實現：是指計算機組成的物理實現*計算機系統結構、組成與實現三者間的關系：計算機系統結構不同會影響到可用的計算機組成技術不同，而不同的計算機組成又會反過來影響到系統結構的設計。因此，計算機系統結構的設計必須結合應用來考慮，要為軟件和算法的實現提供更多更好的硬件支持，同時要考慮可能采用和準備采用哪些計算機組成技術，不能過多或不合理地限制各種計算機組成、實現技術的采用與發展。計算機組成與計算機實現可以折衷，它主要取決于器件的來源、廠家的技術特長和性能價格比能否優化。應當在當時的器件技術條件下，使價格不增或只增很少的情況下盡可能提高系統的性能。1.4 計算機系統結構的分類計

3、算機結構分類方式主要有三種：按“流”分類 按“流”分類法是Flynn教授在1966年提出的一種分類方法，它是按照計算機中指令流（Instruction Stream）和數據流（Data Stream）的多倍性進行分類。指令流是指機器執行的指令序列，數據流是指指令流調用的數據序列。多倍性是指在計算機中最受限制（瓶頸最嚴重）的部件上，在同一時間單位中，最多可并行執行的指令條數或處理的數據個數。*注意： 按“流”分類法，即Flynn分類法的邏輯結構類型：SISD計算機SIMD計算機MISD計算機MIMD計算機按“并行性”和“流水線”分類按計算機系統結構的最大并行度進行分類1.5計算機系統的設計與實現

4、 隨著大規模集成電路技術的發展和軟件硬化的趨勢，計算機系統軟、硬件間界限已經變得模糊了。因為任何操作可以由軟件來實現，也可以由硬件來實現；任何指令的執行可以由硬件完成，也可由軟件來完成。對于某一功能是采用硬件方案還是軟件方案，取決于期間價格、速度、可靠性、儲存容量、變更周期等因素。*計算機系統的設計原則：（1）加快經常性事件的速度-這是最重要也是被廣泛采用的設計準則 使經常性事件的處理速度加快能明顯提高整個系統的性能Amdahl定律 Amdahl定律：系統優化某部件所獲得的系統性能的改善程度，取決于該部件被使用的頻率，或所占總執行時間的比例。主要應用：改善“系統瓶頸”性能。 Amdahl定律定

5、義了加速比：n個處理器加速因子S=n/1+(n-1)f:f為非平行百分比，n越大，S不能超過1/f （3）訪問局部性原理程序訪問局部性原理說明了計算機在程序執行過程中呈現出的一種規律，即程序往往重復使用它剛剛使用過的數據和指令。局部性分為時間上的局部性和空間上的局部性兩種。所謂時間局部性是指近期被訪問的代碼，很可能不久又將再次被訪問；空間局部性是指地址上相鄰近的代碼可能會被連續地訪問。*計算機系統設計的主要任務： （1）確定用戶定計算機系統的功能、價格和性能要求 功能要求包括：應用領域、軟件兼容性、操作系統的要求、各種通用國際標準的要求。 價格要求：考慮用戶或市場對計算機功能和性能要求的前提下

6、，盡量降低成本。 性能要求包括：速度、容量、輸入/輸出的種類、可靠性、可維護性、安全性、容錯能力、人機交互的能力等。 （2）軟硬件的平衡 硬件實現：速度快、成本高；靈活性差、占用內存少 軟件實現：速度低、復制費用低；靈活性好、占用內存多計算機系統的設計必須考慮硬件和軟件的合理分配，同時還應該考慮設計的復雜性及軟硬件實現的難易程度。設計出符合今后發展方向的系統結構一個成功的系統結構應該能經得起軟、硬件技術的發展以及應用的變化。因此設計者必須特別注意計算機應用和計算機技術的發展趨勢，這樣才能延長一種機器的使用壽命。發展趨勢：硬件實現的比例越來越高，軟件所占的成本越來越高1.6計算機系統性能評測CP

7、U性能 CPU的性能是指CPU執行程序所用的時間，也就是CPU連續地執行一條條指令的時間，不包括I/O等待時間。 CPU的性能取決于三個要素：時鐘頻率f每條指令所花的時鐘周期數CPI指令條數IC其中，Ii表示i指令在程序中執行的次數，CPIi表示i指令所需的平均時鐘周期數，n為指令種類數。MIPS和MFLOPS1）MIPS表示每秒百萬條指令數，對于一個給定的程序MIPS的定義為：程序的執行時間為：其中：Te為程序執行時間，CPI為每條指令的平均時鐘周期，時鐘頻率為美妙周期數即每周期的時間的倒數。 極其愈快其MIPS值愈高，但MIPS對指令系統和程序的依賴性很大，在某些情況下不能準確反映系統的性

8、能2）MFLOPS表示每秒百萬次浮點操作次數MFLOPS的定義為：，MFLOPS用于衡量機器浮點操作的性能，同一程序在不同機器上執行的指令可能不同，但執行的浮點運算卻是完全相同的。但MFLOPS不能體現機器的整體性能，MFLOPS取決于機器和程序兩個方面，不同機器浮點運算集不同，因此不同浮點操作的時間也不同。1.7 計算機系統結構的演變 早期的計算機以運算器為中心。以后50多年逐步演變以存儲器為中心，并采用流水線、多處理器、多處理機的并行處理技術，使其功能得到不斷地提高。1.8 并行處理技術并行處理技術是提高計算機性能的最佳途徑，也是計算機未來的發展方向。并行處理以發展多處理器和并行計算為基礎

9、，出現了陣列機和多處理機系統；隨著計算機網絡的發展，又發展各種適應于網絡環境的計算機，以便更大范圍地實現并行處理與資源共享。采用多處理器：以支流水線和并行處理技術，加快指令的執行和數據處理的速度，比如產生了針對向量運算的向量機、脈動陣列機等。采用多個處理機：構成并行處理機系統，如設置浮點運算協處理機、I/O處理機等，以提高整機的數據處理能力和I/O速率；在此基礎上，發展為多個處理機的并行處理機系統。網絡計算機：各種計算機都配置了調制解調器，以便聯網，以實現更大范圍的多機并行處理和資源共享。*特別關注： 馮諾依曼計算機是一種控制驅動方式，它的基本原理是程序存儲。他的組成及工作原理如下圖：1.9

10、應用需求對計算機系統結構的影響 （1）應用需求對計算機系統結構的影響 由于社會的應用需求，產生了第一臺電子計算機，同時，也正是應用需求，一直在推動計算機發展。為了滿足應用需求對計算機性能的需要，計算機系統結構一直處于發展和變化之中，主要表現在運算速度、存儲器容量和I/O吞吐率等方面。為滿足科學計算和大量數據信息的處理，計算機有小型機發展到中型機、大型機乃至于巨型機，在系統結構上產生了浮點運算器、陣列機、并行處理機以及各種多處理機系統等；為滿足自動控制、信號傳輸與通信的需要，產生了包括I/O處理機在內的各種專用計算機；為實現智能化的控制與管理，出現了模糊處理機和模糊存儲器；為適應智能儀器儀表的發

11、展，嵌入式計算機芯片大量地涌現了出來。（2）選擇合理的性能價格比 為了滿足不同領域的特殊需求，需要為之設計高效率系統結構的計算機。主要的應用領域有：高結構化的數值運算：流體力學、氣象模型、有限元分析等；非結構化的數值運算：蒙特卡洛模擬、稀疏矩陣等；實時多因素處理：語音識別、圖形圖像處理、計算機視覺等；大容量及高I/O密度的處理：數據庫系統、事務處理、大容量交換機等；人工智能：面向知識系統、推理系統、自學習系統、智能管理與控制等。 如果讓一臺計算機具有上述所有的功能，成本太高，使用效率不高。因此，可把專用系統結構與通用系統結構結合起來，確定一個合理的價格比。2.0 器件對計算機系統結構的影響 在

12、計算機中，器件的類型非常多，通常起主要作用的主要表現在以下幾個方面：邏輯電路的綜合功能在不斷地提高，單個芯片中晶體管的數量以每年（60%80%）的速率在增長，CPU的速度在不斷地提高.動態存儲器DRAM的芯片的密度每年以（50%60%）的速率在增長，存儲周期大約10年下降1/3。磁盤密度每年大約以50%的速率增長，三年增長4倍，存取時間大約10年下降1/3. 除此之外，其他器件、外圍設備的性能，也在大幅度地提高。這些對計算機系統結構的發展也起到很大的處境作用。提高主頻 主頻是計算機的一項主要參數。如今期間發展了，速度提高了，一方面可簡化具體的電路；另一方面，可容易地提高CPU的速度。對系統結構

13、的影響 由于構成計算機的器件發展為大規模和超大規模集成電路，每一個芯片中包含有數以千萬計的晶體管電路，可為CPU配置大量的寄存器，構成寄存器窗口；為主CPU配置浮點計算器、I/O處理器；構成多CPU陣列、多處理機系統等。對性能價格比的影響 隨著大規模、超大規模集成電路的發展，器件的規模不斷擴大，功能不斷增強，體積不斷減小，可高興不斷提高。使得大型機的功能向中小型機上轉移，中小型機上的功能向微型機上轉移，微型機的功能縮小為單片機、嵌入式微程序控制器等。同時，使用LSI/VLSI技術還可使各類器件芯片的研發成本、生產成本下降。因此其性能價格比提高。二、名詞概念虛擬機：用軟件實現的機器叫做虛擬機，但

14、虛擬機不一定完全由軟件實現，有些操作可以由硬件或固件（固件是指具有軟件功能的固件）實現。系列機：由同一廠家生產的具有相同系統結構、但具有不同組成和實現的一系列不同型號的計算機。兼容機：它是指由不同公司廠家生產的具有相同系統結構的計算機。流水線技術：將一個重復的時序過程，分解成為若干個子過程，而每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其它子過程同時執行。單功能流水線：指流水線的各段之間的連接固定不變、只能完成一種固定功能的流水線。多功能流水線：指各段可以進行不同的連接，以實現不同的功能的流水線。順序流水線：流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序完全相同。亂序流水線：流水線輸出端任務流出

15、的順序與輸入端任務流入的順序可以不同，允許后進入流水線的任務先完成。這種流水線又稱為無序流水線、錯序流水線、異步流水線。吞吐率：在單位時間內流水線所完成的任務數量或輸出結果的數量。指令的動態調度：是指在保持數據流和異常行為的情況下，通過硬件對指令執行順序進行重新安排，以提高流水線的利用率且減少停頓現象。是由硬件在程序實際運行時實施的。指令的靜態調度：是指依靠編譯器對代碼進行靜態調度，以減少相關和沖突。它不是在程序執行的過程中、而是在編譯期間進行代碼調度和優化的。超標量：一種多指令流出技術。它在每個時鐘周期流出的指令條數不固定，依代碼的具體情況而定，但有個上限。超流水：在一個時鐘周期內分時流出多

16、條指令。多級存儲層次：采用不同的技術實現的存儲器，處在離CPU不同距離的層次上，各存儲器之間一般滿足包容關系，即任何一層存儲器中的內容都是其下一層（離CPU更遠的一層）存儲器中內容的子集。目標是達到離CPU最近的存儲器的速度，最遠的存儲器的容量。寫直達法：在執行寫操作時，不僅把信息寫入Cache中相應的塊，而且也寫入下一級存儲器中相應的塊。寫回法：只把信息寫入Cache中相應塊，該塊只有被替換時，才被寫回主存。集中式共享多處理機：也稱為對稱式共享存儲器多處理SMP。它一般由幾十個處理器構成，各處理器共享一個集中式的物理存儲器，這個主存相對于各處理器的關系是對稱的，分布式共享多處理機：它的共享存

17、儲器分布在各臺處理機中，每臺處理機都帶有自己的本地存儲器，組成一個“處理機-存儲器”單元。但是這些分布在各臺處理機中的實際存儲器又合在一起統一編址，在邏輯上組成一個共享存儲器。這些處理機存儲器單元通過互連網絡連接在一起，每臺處理機除了能訪問本地存儲器外，還能通過互連網絡直接訪問在其他處理機存儲器單元中的“遠程存儲器”。多Cache一致性：多處理機中，當共享數據進入Cache，就可能出現多個處理器的Cache中都有同一存儲器塊的副本，要保證多個副本數據是一致的。寫作廢協議：在處理器對某個數據項進行寫入之前，它擁有對該數據項的唯一的訪問權。寫更新協議：當一個處理器對某數據項進行寫入時，它把該新數據

18、廣播給所有其它Cache。這些Cache用該新數據對其中的副本進行更新。機群：是一種價格低廉、易于構建、可擴放性極強的并行計算機系統。它由多臺同構或異構的獨立計算機通過高性能網絡或局域網互連在一起，協同完成特定的并行計算任務。從用戶的角度來看，機群就是一個單一、集中的計算資源。三、問答簡析 1、簡述CISC指令集結構功能設計的主要目標。從當前的計算機技術觀點來看，CISC指令集結構的計算機有什么缺點？答：主要目標：增強指令功能，把越來越多的功能交由硬件來實現，并且指令的數量也是越來越多。缺點：(1)CISC結構的指令集中，各種指令的使用頻率相差懸殊。（2）CISC結構指令的復雜性帶來了計算機體

19、系結構的復雜性，這不僅增加了研制時間和成本，而且還容易造成設計錯誤。（3）CISC結構指令集的復雜性給VLSI設計增加了很大負擔，不利于單片集成。（4）CISC結構的指令集中，許多復雜指令需要很復雜的操作，因而運行速度慢。（5）在CISC結構的指令集中，由于各條指令的功能不均衡性，不利于采用先進的計算機體系結構技術（如流水技術）來提高系統的性能。2、簡述RISC指令集結構的設計原則。答：(1)指令條數少，指令功能簡單。（2）采用簡單而又統一的指令格式，并減少尋址方式（3）指令的執行在單周期內完成。（4）采用load-store結構。（5）大多數指令都采用硬連邏輯來實現。（6）強調優化編譯器的作

20、用，為高級語言程序生成優化的代碼。（7）充分利用流水技術來提高性能。3、簡述流水線技術的特點。答：流水技術有以下特點：（1）流水線把一個處理過程分解為若干個子過程，每個子過程由一個專門的功能部件來實現。因此，流水線實際上是把一個大的處理功能部件分解為多個獨立的功能部件，并依靠它們的并行工作來提高吞吐率。（2）流水線中各段的時間應盡可能相等，否則將引起流水線堵塞和斷流。（3）流水線每一個功能部件的前面都要有一個緩沖寄存器，稱為流水寄存器。（4）流水技術適合于大量重復的時序過程，只有在輸入端不斷地提供任務，才能充分發揮流水線的效率。（5）流水線需要有通過時間和排空時間。在這兩個時間段中，流水線都不是滿負荷工作。4、Cache的映像方法有哪幾種，各有什么優缺點？答：(1)全相聯映像：主存中的任何一塊可以被放置到cache中的任意一個位置。但其不命中率最低。(2)直接映像：主存中的每一個塊只能被放置到cache中的唯一位置，不命中率最高，但其實現復雜度和成本增加。(3)主相聯映像：主存中的每一塊可以被放置到Cache中唯一的一個組中的任何一個位置。綜合了前兩者的優