体系结构

第一章:

机器：能存储执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体

固件：具有软件功能的硬件

系统结构：对计算机系统中各级界面划分、定义及功能分配

透明：客观存在的事物或属性从某个角度看不到

计算机系统结构：是软件和硬件的交界面，是机器语言、汇编语言程序设计者、或编译程序设计者看到的机器物理系统的抽象。（属性：数据表示，寻址方式，寄存器组织，指令系统，存储系统组织，中断机构，管态和用户态的定义切换，IO结构，保护机构）

计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。（确定方面：数据通路宽度，专用部件的设置，各种操作对部件的共享程度，功能部件的并行度，控制机构的组成方式，缓冲和排队技术，预估技术，可靠性技术）

计算机实现：计算机组成的物理实现。

相互关系：相同结构的计算机可采用不同的组成。

一种组成可有不同的实现方法。

结构不同会使组成技术不同，组成也会影响结构

软硬件取舍基本原则：a.高的性能价格比 b.使组成技术不限制组成，实现技术的采用

c.还应从“软”的角度考虑提供更好的硬件支持放在首位

计算机系统性能指标：时间 空间

Tcpu=IC*CPI*1/fc IC(总指令条数) CPI(平均每条指令时钟周期) fc(主时钟频率)

Tcpu=IC/MIPS*10-6

计算机系统定量设计原理

1哈弗曼压缩原理

尽可能加快处理高概率事件比低事件对性能提高要显著。

2amdahl定律

确定对系统中性能瓶颈部件采取措施提高速度后能得到系统性能改进的程度。系统加速比Sp=1.56倍

3程序访问的局部性定律

时间上：最近的将来要用到的信息很可能就是现在正在使用的信息。

空间上：最近的将来要用到的信息很可能与现在正在使用的信息在程序位置上是邻近的

软件可移植性：软件不修改或只经少量修改就能转到另一台机器上运行，同一软件可用于不同环境

软件移植技术:

1统一高级语言 2采用系列机 3模拟与仿真

模拟：用机器语言解释实现软件移植的方法 （灵活）

仿真：用微程序解释另一种机器指令系统的方法（不灵活）

并行性：同时性和并发性 指令内部，指令之间，任务进程之间，作业程序之间

并行性途径：时间重叠，资源重复，资源共享 并行处理系统的结构：流水线，阵列处理机，多处理机，数据驱动重叠数据流机

耦合度：各机器间物理连接的紧密度和交叉作用能力的强弱

计算机系统分类：

单指令流单数据流 单指令流多数据流 多指令流单数据流 多指令流多数据流

SISD SIMD MISD MIMD

美国库克 SISE SIME MISE MIME E为执行流

华人冯 WSBS WSBP WPBS WPBP

第二章：

数据表示：能由机器硬件直接识别和引用的数据类型

1自定义数据表示：标识符数据表示和数据描述2向量数组数据表示 3堆栈数据表示

浮点数：阶码决定数的大小，尾数决定数的精度

尾数下溢处理方法：截断法，舍入法，恒置1法，查表舍入法

指令系统的设计和优化：

设计包括指令的功能和指令格式的设计

设计步骤：

1根据应用，初拟出指令的分类和具体指令

2编出用该指令系统设计的各种高级语言的编译程序。

3进行模拟测试，效能是否比较高

4改用硬件方式实现

设计要求：规整性，对称性，独立性和全能性，正交性，可组合性，可扩充性，指令码密度适中，兼容性，适应性

指令优化的目标：

1缩短指令编码长度，节省程序存储空间

2使指令编码更加规整，利于取指，译码操作

哈弗曼压缩：对发生概率最高的事件用最短的位数来表示，对出现概率较低的事件用较长位数来表示

信息冗余=（实际平均码长-H）/实际平均码长

哈弗曼编码优点：

1变长编码2优化编码3前缀区分码

缺点：码长变化过大，不利于译码实现

缩短地址码长度的方法：

1用间接寻址方式缩短地址码长度2用变址寻址方式将基址放在基址寄存器

3指令字的优化

CISC和RISC

CISC:增强原有指令功能和设置复杂新指令实现软件功能硬化。

面向目标程序优化

面向高级语言优化

面向操作系统

问题： 1指令系统庞大

2操作繁杂，执行速度低

3目标指令范围太大，编译程序太复杂

4指令利用率低

RISC:减少指令种数和简化指令功能降低硬件设计复杂度，提高指令执行速度

设计原则：

1只选择使用高频率指令，少量增加其他功能指令，减少指令条数

2减少寻址方式种类

3让所有指令都在一个机器周期内完成

4扩大通用寄存器数减少访存

5大多数指令采用硬联控制实现，少数用微程序实现

6精简指令优化设计编译程序

基本技术：

1按RISC一般原则设计

2逻辑实现采用硬联和微程序相结合

3在cpu中设置大量工作寄存器，采用重叠寄存器窗口

4指令用流水和延迟转移

5采用高速缓存存储器Cache

6优化设计编译系统

优点：

1简化指令系统设计

2提高执行速度和效率

3降低设计成本，提高系统可靠性

4可直接支持高级语言实现，简化编译程序的设计

缺点：

1因指令少，家中汇编语言设计负担 ，增加了机器语言程序长度，占用空间多，加大了信息流量

2对浮点运算执行不足

3RISC机器的编译程序比CISC难写

第三章

总线设计：

总线控制方式：集中式控制 分布式控制

集中式控制：

1串行链接：离总线控制器越近的部件七优先级越高

优点：算法简单 缺点：不灵活

2定时查询

优点：灵活性强 缺点：控制线数较多，控制较复杂

3独立请求：每个部件各自都有一对总线请求和总线准许线

优点：分配速度快 缺点：控制线数量过大

总线通信：同步通信 异步通信

中断系统：

内部中断，外部中断，软件中断

机器校验为第一级，程序性和管理程序调用为第二级，

外部为第三级，输入输出为第四级，重新启动为最低级