《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》-劉超-電子教案-3224

21世紀(jì)高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)規(guī)劃教材

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

劉超主編

ISBN7-5084-3224-X

第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念

第一節(jié)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

一、為什么就有層次結(jié)構(gòu)性----軟件與硬件組成、軟件與硬件在邏輯功能實(shí)現(xiàn)上是等效的二、虛擬計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)只對(duì)某一層次的觀察者存在，通過(guò)該層次的廣義語(yǔ)言來(lái)體現(xiàn)它的功能，并為廣義語(yǔ)言提供翻譯手段，作用于信息處理和控制對(duì)象上，并從對(duì)象上獲得必要的狀態(tài)信息，這就是虛擬計(jì)算機(jī)。簡(jiǎn)言之，由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器即為虛擬計(jì)算機(jī)。

三、層次結(jié)構(gòu)的劃分硬聯(lián)邏輯、微程序控制、機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器、操作系統(tǒng)機(jī)器、匯編語(yǔ)言機(jī)器、高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器、應(yīng)用程序機(jī)器

四、透明性是指在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，一種本來(lái)存在的事物或特性，但從某種角度看似乎不存在。

第二節(jié)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)

一、三者的區(qū)別二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義與研究的問(wèn)題

第三節(jié)軟硬件取舍與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想一、軟硬件實(shí)現(xiàn)邏輯功能的特點(diǎn)

二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法第四節(jié)軟件的可移植性

一、軟件移植的概念與方法二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特性----系列性（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同）、模擬與仿真性、層次結(jié)構(gòu)性、等級(jí)性第六節(jié)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展與分類(lèi)一、并行性的概念及其分類(lèi)并行性是指問(wèn)題中具有可以同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算或操作的特性。并行性包括同時(shí)性和并發(fā)性?xún)蓪雍x。

二、并行性開(kāi)發(fā)的技術(shù)途徑

三、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中并行性的發(fā)展----單機(jī)系統(tǒng)與多機(jī)系統(tǒng)（該課程主要是單機(jī)系統(tǒng)）四、多機(jī)系統(tǒng)及其耦合度（低、松散與緊密）

多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與多處理機(jī)系統(tǒng)

是用來(lái)反映多機(jī)系統(tǒng)中各機(jī)器之間物理連接的緊密程度和交互作用能力的強(qiáng)弱的概念。

五、多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與多處理機(jī)系統(tǒng)的區(qū)別體現(xiàn)在操作系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、信息交換和并行性的級(jí)別等四方面。最主要的是操作系統(tǒng)。六、多處理機(jī)系統(tǒng)的類(lèi)型異構(gòu)型、同構(gòu)型、分布處理

七、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)（根據(jù)并行性）八、改善計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的根本是提高其并行處理能力，并行處理技術(shù)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)第一節(jié)數(shù)據(jù)表示一、數(shù)據(jù)類(lèi)型及其分類(lèi)（屬性相同、原子與復(fù)合）二、數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：硬件、關(guān)系三、引入數(shù)據(jù)表示的基本原則

四、自定義數(shù)據(jù)表示：標(biāo)志符、數(shù)據(jù)描述符

五、浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)基值的選擇（原則范圍大、精度高）第三節(jié)指令格式的優(yōu)化選擇一、指令格式的要求：編碼短、規(guī)整二、操作碼的優(yōu)化（定長(zhǎng)碼、Huffman、擴(kuò)展碼，基本思想）第二章數(shù)據(jù)表示與指令格式的優(yōu)選技術(shù)第四、五節(jié)CISC與RISC

一、CISC指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

二、RISC的提出

三、RISC設(shè)計(jì)的基本原則與基本技術(shù)第三章總線和I/0系統(tǒng)優(yōu)選技術(shù)第一節(jié)輸入輸出系統(tǒng)的基本概念第二節(jié)總線的設(shè)計(jì)一、總線的類(lèi)型二、數(shù)據(jù)寬度是指兩次分配總線期間經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)總線所傳送的數(shù)據(jù)總量。

第一節(jié)存儲(chǔ)系統(tǒng)與并行存儲(chǔ)器一、存儲(chǔ)系統(tǒng)的概念及其發(fā)展的必要性是指兩個(gè)或兩個(gè)以上速度、容量和價(jià)格各不相同的存儲(chǔ)器用硬件或軟件或硬件與軟件相結(jié)合的方法有機(jī)地連接起來(lái)的一個(gè)集合，并具有速度高、容量大、價(jià)格低的特性。

二、存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)及其層次結(jié)構(gòu)三、Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)與虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)四、并行存儲(chǔ)器及其類(lèi)型（相聯(lián)存儲(chǔ)器、對(duì)頻帶的作用）

第四章存儲(chǔ)組織技術(shù)第三節(jié)高速緩沖存儲(chǔ)系統(tǒng)一、Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)的基本原理二、地址映象與地址變換(塊沖突的問(wèn)題)

三、替換算法

四、Cache的一致性

Cache主存儲(chǔ)器塊0塊1…塊i…塊Mb-1

塊0塊1…塊Cb-1

全相聯(lián)地址映像方式主存塊號(hào)B塊內(nèi)地址w

Cache塊號(hào)b塊內(nèi)地址w

… … …

B b 1

主存塊號(hào)B Cache塊號(hào)b 有效位命中

Cache地址目錄表

共有Cb個(gè)字

主存地址

全相聯(lián)地址變換塊0

塊1…

塊Cb-1

塊0

塊1…

塊Cb-1

塊Cb

塊Cb+1…

塊2Cb-1…

塊Mb-CbMb-Cb+1…

塊Mb-1Cache直接相聯(lián)地址映像方式主存儲(chǔ)器b=B

modCb

Cache塊號(hào)b塊內(nèi)地址w比較

E1

區(qū)號(hào)E（按地址訪問(wèn)）有效位

區(qū)號(hào)E主存區(qū)內(nèi)塊號(hào)B塊內(nèi)地址W

Cache地址主存地址不相等失效相等命中訪問(wèn)Cache區(qū)表存儲(chǔ)器

直接相聯(lián)地址變換塊0…塊Gb-1塊Gb…塊2Gb-1……塊CgGb-Gb…塊CgGb-1塊0…塊Gb-1塊Gb…塊2Gb-1……塊CgGb-Gb…塊CgGb-1……塊CgGb(Me-1)…CgGb(Me-1)+Gb-1塊CgGb(Me-1)+Gb…CgGb(Me-1)+2Gb-1……塊CgGbMe-Gb…塊CgGbMe-1組0組1區(qū)0

區(qū)Me-1

組Cg-1組Cg(Me-1)組Cg(Me-1)+1組CgMe-1組0組1組Cg-1Cache

組相聯(lián)地址映像方式區(qū)號(hào)E區(qū)內(nèi)組號(hào)G主存組內(nèi)塊號(hào)B塊內(nèi)地址W組號(hào)g組內(nèi)塊號(hào)b塊內(nèi)地址w

Cg·Gb個(gè)塊

區(qū)號(hào)E，主存組內(nèi)塊號(hào)B組內(nèi)塊號(hào)b比較主存地址

Cache地址相等命中不等訪主存塊表

組相聯(lián)映像的地址變換第一節(jié)重疊方式一、順序方式二、重疊方式第二節(jié)流水方式一、流水線的基本概念（分類(lèi)、表示方法、特點(diǎn)）指把一個(gè)重復(fù)的過(guò)程分解為若干個(gè)子過(guò)程，一個(gè)過(guò)程的子過(guò)程可以與其他過(guò)程的不同的子過(guò)程并行進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)不同過(guò)程在時(shí)間上重疊進(jìn)行的工作方式。

單功能與多功能（靜態(tài)與動(dòng)態(tài)）

二、性能分析（吞吐率、加速比、效率及其關(guān)系）第五章重疊、流水與向量處理機(jī)

E=TP×△t，E=S/K（△t和K分別為流水線功能段的執(zhí)行時(shí)間和段數(shù)）。

三、流水線的相關(guān)及其處理數(shù)據(jù)相關(guān)（局部）類(lèi)型控制相關(guān)（全局）類(lèi)型數(shù)據(jù)相關(guān)是指在流水線的機(jī)器中，程序中相近的兩條指令要對(duì)同一存儲(chǔ)單元進(jìn)行操作時(shí)，應(yīng)有一定的先后次序，否則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)供求關(guān)系上的沖突，引發(fā)程序執(zhí)行錯(cuò)誤。由于它對(duì)程序執(zhí)行過(guò)程影響較小，僅涉及相應(yīng)指令的前后一條或幾條指令的執(zhí)行，所以又稱(chēng)為局部相關(guān)。數(shù)據(jù)相關(guān)處理：延遲與設(shè)置專(zhuān)用通路（數(shù)據(jù)重定向）四、非線性流水線的調(diào)度

非線性流水線無(wú)沖突調(diào)度的基本目標(biāo)是找出具有最小平均啟動(dòng)距離的啟動(dòng)循環(huán)，其基本步驟如下：（1）根據(jù)預(yù)約表和禁止表的構(gòu)成方法得到禁止表F。（2）根據(jù)禁止表和初始沖突向量的定義得到初始沖突向量C0。（3）根據(jù)初始沖突向量和后繼沖突向量的計(jì)算方法得到系列沖突向量——狀態(tài)。（4）根據(jù)系列狀態(tài)和后繼沖突向量的計(jì)算過(guò)程畫(huà)出狀態(tài)有向圖。（5）根據(jù)狀態(tài)有向圖列出調(diào)度策略表，并計(jì)算出平均啟動(dòng)距離。（6）從調(diào)度策略表找出平均啟動(dòng)距離最小的調(diào)度策略則是最小啟動(dòng)循環(huán)調(diào)度策略。特別地，最小啟動(dòng)循環(huán)調(diào)度策略可能有幾個(gè)，一般取循環(huán)數(shù)列中數(shù)字?jǐn)?shù)最少的調(diào)度策略。第三節(jié)向量處理機(jī)一、向量處理方式橫向處理方式、縱向處理方式和縱橫處理方式。橫向處理方法不適合于向量流水處理。

二、向量處理機(jī)及其結(jié)構(gòu)類(lèi)型

具有向量數(shù)據(jù)表示和采用流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)向量各分量并行處理的機(jī)器。向量處理機(jī)的基本結(jié)構(gòu)有存儲(chǔ)器—存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和寄存器—寄存器結(jié)構(gòu)兩種。第四節(jié)指令級(jí)高度并行的處理機(jī)一、指令級(jí)并行度的概念：是指指令級(jí)并行度是指在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成的指令數(shù)。

二、指令級(jí)高度并行處理機(jī)類(lèi)型三、指令級(jí)高度并行處理機(jī)的性能比較第一節(jié)陣列處理機(jī)的基本概念一、陣列處理機(jī)及其基本結(jié)構(gòu)由一個(gè)控制部件同時(shí)控制管理多個(gè)處理單元，所有處理單元均收到從控制部件廣播來(lái)的同一條指令，但是操作的對(duì)象卻是不同的數(shù)據(jù)。(指令操作級(jí)的并行)

陣列處理機(jī)有共享存儲(chǔ)器和分布式存儲(chǔ)器兩種基本結(jié)構(gòu)。主要差別在于全局地址空間在物理上是集中還是分布在各個(gè)處理機(jī)上。二、陣列處理機(jī)的特點(diǎn)以算法為背景的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。連接模式是由互連網(wǎng)絡(luò)來(lái)規(guī)定的。采用資源重復(fù)技術(shù)。異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)。

第六章陣列處理機(jī)

第二節(jié)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)一、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基本概念（定義、作用、決定因素）是一種由開(kāi)關(guān)元件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部多個(gè)處理機(jī)或多個(gè)功能部件之間的相互連接及信息交換。二、互聯(lián)函數(shù)及其常用的互聯(lián)函數(shù)（方體、均勻洗牌、蝶式、加減2I）是指表示互連網(wǎng)絡(luò)中輸入輸出端變量（用二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示）變換關(guān)系（一一對(duì)應(yīng)）的數(shù)學(xué)表達(dá)式。方體C(xn-1xn-2…xk+1xkxk-1…x1x0)=xn-1xn-2…xk+1xkxk-1…x1x0均勻洗牌σ(xn-1xn-2…x1x0)=xn-2xn-3…x1x0xn-1蝶式b(xn-1xn-2…x1x0)=x0xn-2…x1xn-1

加減2IPM2+i(X)=X+2imodNPM2-i(X)=X-2imodN0 01 12 23 34 45 56 67 7C0C1C2C3

K0K1K2

ABCDIELKJGFH輸入端輸出端

N=8的STARAN網(wǎng)絡(luò)三、多級(jí)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（STARAN網(wǎng)絡(luò)）

級(jí)控制信號(hào)（f2f1f0）

000001010011100101110111入端號(hào)0123456701234

56710325476230167453210765445670123547610326745230176543210執(zhí)行

交換

函數(shù)

功能恒等4組2元4組2元

+

2組4元2組4元2組4元