计算机体系结构与组织

计算机体系结构的详尽描述

一.计算机系统结构的基本概念

1.计算机体系结构的概念

1964年G.M.Amdahl在介绍IBM360系统时提出：计算机系统结构是从程序员所看到的计算机属性，即程序员编写出能在机器上正确运行的程序所必须了解的概念性结构和功能特性。

系统结构是对计算机系统中各级界面的划分、定义及其上下功能的分配。

系统结构设计主要研究界面的属性的透明性的取舍。

计算机系统结构（体系结构）指的是传统机器级的系统结构。

计算机系统结构研究的是软、硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定。

2.计算机系统的多级层次结构

二.计算机指令集结构设计

根据五个因素对计算机指令集结构进行分类： 在CPU中操作数的存储方法；指令中显式表示的操作数个数；操作数的寻址方式；指令集所提供的操作类型；操作数的类型和大小 。其中1是最主要的区别

根据CPU内部存储单元类型，可将指令集结构分为

堆栈型指令集结构、累加器型指令集结构和通用寄存器型指令集结构。优缺点？堆栈型（其CPU中存储操作数的主要单元是堆栈）：是一种表示计算的简单模型；指令短小。不能随机访问堆栈，从而很难生成有效代码；同时，由于堆栈是瓶颈，所以很难被高效地实现。累加器型（其CPU中存储操作数的主要单元是累加器）：减少了机器的内部状态；指令短小。由于累加器是唯一的暂存器，这种机器的存储器通信开销最大。寄存器型（CPU中存储操作数的主要单元是通用寄存器）：易于生成高效的目标代码。所有操作数均需命名，且要显式表示，因而指令比较长

现代大多数机器均采用通用寄存器型指令集结构，原因：一是寄存器和CPU内部其他存储单元一样，要比存储器快；其次是对编译器而言，可以更加容易、有效地分配和使用寄存器。

寄存器－寄存器型（RR）优点：简单，指令字长固定，是一种简单的代码生成模型，各种指令的执行时钟周期数相近。缺点：和ALU指令中含存储器操作数的指令集结构相比，指令条数多，因而其目标代码量较大。

1.7 将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？

解由题可知：可改进比例 = 40% = 0.4 部件加速比 = 10

根据Amdahl定律可知：

5625.1104.04.011系统加速比

采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高到原来的1.5625倍。

1.8计算机系统中有三个部件可以改进，这三个部件的部件加速比为：

部件加速比1=30；部件加速比2=20；部件加速比3=10

（1） 如果部件1和部件2的可改进比例均为30%，那么当部件3的可改进比例为多少时，系统加速比才可以达到10？

（2） 如果三个部件的可改进比例分别为30%、30%和20%，三个部件同时改进，那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？

解：（1）在多个部件可改进情况下，Amdahl定理的扩展：

iiinSFFS)1(1

已知S1＝30，S2＝20，S3＝10，Sn＝10，F1＝0.3，F2＝0.3，得：

）（）（10/20/0.330/0.30.30.3-111033FF

得F3＝0.36，即部件3的可改进比例为36%。

（2）设系统改进前的执行时间为T，则3个部件改进前的执行时间为：（0.3+0.3+0.2）T = 0.8T，不可改进部分的执行时间为0.2T。

已知3个部件改进后的加速比分别为S1＝30，S2＝20，S3＝10，因此3个部件改进后的执行时间为：

TTTTTn045.0102.0203.0303.0'

改进后整个系统的执行时间为：Tn = 0.045T+0.2T = 0.245T

那么系统中不可改进部分的执行时间在总执行时间中占的比例是：

82.0245.02.0TT

3.4 设一条指令的执行过程分成取指令、分析指令和执行指令三个阶段，每个阶段所需的时间分别为△t、△t和2△t 。分别求出下列各种情况下，连续执行N条指令所需的时间。

计算机体系结构

1. 对计算机系统结构透明的是P32

A. 字符行运算指令 B.是否使用通道行I/O处理机 C. 虚拟存储器 D.VLSI技术

2. 不同系列的机器之间，实现软件移植的途径不包括P23

实现软件植入的途径有：1.采用系列机方法，2.采用模拟与仿真方法，3.采用统一的高级语言方法。

3. 在计算机系统的多级层次结构中，单条指令执行速度最快的一组是P2

A．L5（应用语言）级 B.L2（操作系统）级 C.L1（机器语言）级 D.L0（微程序）级

4.

浮点数的舍入方法中，正数区的积累误差为0的是P60

A恒舍法 B恒置法 C下舍上入法 D R*舍入法

E查表法

5. 最不常用的数据表示是（自定义）数据表示

6. 变址寻址的主要作用是P80(支持向量、数组的寻址运算)

变址寻址的主要作用是用来存放数组的基地址。

间接寻址方式和变址寻址方式的设计目标都是为了解决操作数地址的修改问题。

7.

系列机兼容性应做到p24

系列机的软件兼容分为向上兼容、向下兼容、向前兼容、向后兼容四种。

其中向后兼容是肯定要做到的。

8. 为扩充访存空间且具有高的性能价格比，采用 P131

答：Cache存储器的主要目标是为了提高存储器的速度，而虚拟存储系统的主要目标是为了增加存储器的存储容量。

虚拟存储器

9. Cache存储器是（虚拟）存储体系p172

10. 组相联映像是p178

将块划分为组，主存中中的一组与Cache相对应，根据高位地址标识符来访问数据的映象方式。

组相联映像方式是目前在Cache中用得比较多的一种地址映像和变换方式。它是介于全相联和直接相联之间的一种折中方案。

组相联方式也采用与全相联映像方式和直接相联映像方式相同的方法把主存和Cache按同样的大小分块。

11. 堆栈型计算机指令的地址个数是P96

零

12. （虚拟存储系统）扩充主存容量

13. 在段相联中，cache划分的段越多，则 p186

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计算机体系结构综述

作者：魏刚

来源：《科教导刊·电子版》2016年第28期

摘 要 当前计算机体系结构研究突出表现为微处理器体系结构研究，面临着许多新挑战。面向体系结构开展应用算法优化和体系结构支持软件工具的各种技术正在相互融合，新思想、新技术不断涌现，计算机体系结构技术正处于一个迅速变化的时期。本文分别阐述了高等计算机体系结构的历史、现状以及未来的发展方向。

关键词 体系结构 现状 发展

中图分类号：TP303 文献标识码：A

计算机的体系结构范围很广，定义也很宽泛，它包含了指令集的设计、组织、硬件与软件的边界问题等等，同时涉及了应用程序、技术、并行性、编程语言、接口、编译、操作系统等很多方面。作为各项技术发展的中心，体系结构一直在不断地朝前发展。

1 计算机体系结构的历史回顾

从20世纪70年代中期开始，分布式系统开始出现并流行，极大地增加了系统的复杂性，出现了微处理器并获得了广泛应用。如今计算机的体系结构发展迅速地从集中的主机环境转变成分布的客户机/服务器（或浏览器/服务器）环境，新的技术不断涌现出来。尽管如此，计算机在总体上、功能上需要解决的问题仍然存在。随着RISC技术、Cache等创新技术的发展，不仅仅在专业领域，越来越多的PC机也在向此靠拢。在每一次进步与创新的同时使组件的成本降到最低成为最需要考虑的问题。

2计算机体系结构的发展现状

2.1通过线程级并行改善处理器性能

IBM的POWER5TM处理器是一个双上下文的同时多线程芯片。在每一种表面组装技术的核心，IBM POWER5突出了两层线程资源的平衡和优化。第一层提供了自动的内嵌硬件资源平衡设备，而第二层是一种软件控制优化机制，它显示了线程优化的八层。通过并行性来改善处理器的性能，已经不是新的技术，但将并行性细化到线程级，可大大提高并行度，并且克服了通常指令级并行的限制。