第1章 计算机系统结构的基本概念

第一章计算机系统结构的基本概念1.有一个计算机系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。

现若需第i级的N 条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？答：第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。

第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。

第4级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。

note: 由题意可知：第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。

而现在第i 级有N条指令解释第i+1级的一条指令，那么，我们就可以用N/M来表示N/M 表示第i+1级需(N/M)条指令来完成第i级的计算量。

所以，当有一段第1级的程序需要运行Ks时，在第2级就需要(N/M)Ks，以此类推2.硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。

答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。

但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。

在DOS操作系统时代，汉字系统是一个重要问题，早期的汉字系统的字库和处理程序都固化在汉卡（硬件）上，而随着CPU、硬盘、内存技术的不断发展，UCDOS把汉字系统的所有组成部份做成一个软件。

3.试以实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系与影响。

答：计算机系统结构、计算机组成、计算机实现互不相同，但又相互影响。

（1）计算机的系统结构相同，但可采用不同的组成。

如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。

从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设4级构成。

其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。

访问。
解释：每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行 一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，
依此重复进行。
解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的 存储空间较少。
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1.2 计算机系统结构的概念
1.2.2 计算机系统结构的定义
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。
部件加速比
＝
[
(1
－可改进比例)
可改进比例 + 部件加速比
]
×总执行时间改进前
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1.3 定量分析技术
系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比
加速比 ＝ 总执行时间改进前 总执行时间改进后
＝
1
可改进比例
（1－可改进比例）+ 部件加速比
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1.3 定量分析技术
例1.1 将计算机系统中某一功能的处理速度提高到原来的 20倍，但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的40%，则采 用此提高性能的方法后，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 = 20 根据Amdahl定律可知：
1
总加速比
=
0.6
+
0.4 20
= 1.613
采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高到原 来的1.613倍。
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1.3 定量分析技术
例1.2 某计算机系统采用浮点运算部件后，使浮点运算速 度提高到原来的20倍，而系统运行某一程序的整体性能提高到 原来的5倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。 解 由题可知，部件加速比 = 20，系统加速比 = 5

n
2
pi (pi 表示第 i 种操作码在程序中出现的概率)
4
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计算机系统结构复习提纲
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固定长编码相对于 Huffman 编码的信息冗余量： R 1 必须知道每种操作码在程序中出现的概率
pi log i
1
n
2
pi
log n
2
扩展编码法
Huffman 操作码的主要缺点： 操作码长度很不规整，硬件译码困难 与地址码共同组成固定长的指令比较困难 扩展编码法：由固定长操作码与 Huffman 编码法相结合形成
存在的问题
以硬件为主固件为辅 固件的主要缺点是： 执行速度低。目前，ROM 的速度低于 SRAM 一条机器指令通常要多条微指令解释执行 固件的主要优点是： 便于实现复杂指令，便于修改指令系统 以硬联逻辑为主来实现指令系统 对于少数复杂的指令，目前的许多处理机也用微程序技术实现。 RISC 对编译器造成的困难主要有： (1)必须精心安排每一个寄存器的用法，以便充分发挥每一个通用寄存器的效率，尽量减少访问主存储器的次数。 (2)做数据和控制相关性分析，要调整指令的执行序列，并与硬件相配合实现指令延迟技术和指令取消技术等。 (3)要设计复杂的子程序库，RISC 的子程序库通常要比 CISC 的子程序库大得多。
2. 数据表示的含义及与数据结构的关系
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。 例如：定点、逻辑、浮点、十进制、字符、字符串、堆栈和向量等 数据类型：文件、图、表、树、阵列、队列、链表、栈、向量、串、实数、整数、布尔数、字符等 确定哪些数据类型用数据表示实现，是软件与硬件的取舍问题

二、基本原理
1. 开发 ILP 的两种方法 硬件动态，软件静态
2. 流水线中的调度策略 集中式调度、分布式调度 动态调度——乱序 Tomasulo 算法 分布式检测：重命名（换名）
3. 动态分支预测 针对控制相关，由硬件处理， 分支历史表 BHT——历史状态， 分支目标缓冲器 BTB——历史目标地址
5. 指令结构功能设计 CISC 机：三个目标优化 （也反映了编译，操作系统和系统结构的关系） 面向目标程序、面向高级语言、面向操作系统
RISC 机： 导致 RISC 机产生的缘由； （2-8 定理；控制器负责；不易纠错修改） 设计 RISC 机遵循的基本原则；
三、计算与设计
1. 指令格式设计 2. 指令格式的优化
延迟转移技术（延迟槽） 9. 流水线中的中断处理
不精确断点、精确断点 10. 向量处理机
向量数据表示，向量指令 向量处理方式
三、计算与设计
1. 时空图 2. 性能分析 3. 非线性流水线最小平均启动时间
第四章：指令级并行
一、基本概念——名词
超标量，超流水，动态调度，静态调度，超长指令字，保留站，Tomasulo 算法，ILP，BHT， BTB，ROB，前瞻执行（先执行再确认）
计算机系统结构是机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就 是计算机的概念性结构和功能特性。
（还有一个系统结构定义，这是由于存在计算机系统层次结构，不同的人看到不同的计 算机结构） 2. 计算机系统结构、组成与实现的三者关系：
系统结构——存在某个部件 计算机组成——罗技实现，门一级实现 计算机实现——物理实现，器件一级实现
第三章：流水线技术
一、基本概念——名词
先行控制，流水线，单功能流水线，标量流水线，重定向，分支预取，专用通道，无冲突调 度方法，冲突向量，启动距离，性能分析，时空图，缓冲技术，预处理等