《计算机系统结构》-刘超-电子教案-3224

21世纪高等院校计算机科学与技术规划教材

计算机系统结构

刘超主编

ISBN7-5084-3224-X

第一章计算机系统结构的基本概念

第一节计算机系统的层次结构

一、为什么就有层次结构性----软件与硬件组成、软件与硬件在逻辑功能实现上是等效的二、虚拟计算机计算机只对某一层次的观察者存在，通过该层次的广义语言来体现它的功能，并为广义语言提供翻译手段，作用于信息处理和控制对象上，并从对象上获得必要的状态信息，这就是虚拟计算机。简言之，由软件实现的机器即为虚拟计算机。

三、层次结构的划分硬联逻辑、微程序控制、机器语言机器、操作系统机器、汇编语言机器、高级语言机器、应用程序机器

四、透明性是指在计算机技术中，一种本来存在的事物或特性，但从某种角度看似乎不存在。

第二节计算机系统结构、组成与实现

一、三者的区别二、计算机系统结构的定义与研究的问题

第三节软硬件取舍与计算机系统设计思想一、软硬件实现逻辑功能的特点

二、计算机系统设计的思想三、计算机系统设计的方法第四节软件的可移植性

一、软件移植的概念与方法二、计算机系统结构的特性----系列性（系统结构相同）、模拟与仿真性、层次结构性、等级性第六节计算机系统结构中并行性的发展与分类一、并行性的概念及其分类并行性是指问题中具有可以同时进行运算或操作的特性。并行性包括同时性和并发性两层含义。

二、并行性开发的技术途径

三、计算机系统结构中并行性的发展----单机系统与多机系统（该课程主要是单机系统）四、多机系统及其耦合度（低、松散与紧密）

多计算机系统与多处理机系统

是用来反映多机系统中各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱的概念。

五、多计算机系统与多处理机系统的区别体现在操作系统、存储器、信息交换和并行性的级别等四方面。最主要的是操作系统。六、多处理机系统的类型异构型、同构型、分布处理

七、计算机系统结构的分类（根据并行性）八、改善计算机系统结构的根本是提高其并行处理能力，并行处理技术是计算机系统结构的关键技术第一节数据表示一、数据类型及其分类（属性相同、原子与复合）二、数据表示与数据结构：硬件、关系三、引入数据表示的基本原则

四、自定义数据表示：标志符、数据描述符

五、浮点数尾数基值的选择（原则范围大、精度高）第三节指令格式的优化选择一、指令格式的要求：编码短、规整二、操作码的优化（定长码、Huffman、扩展码，基本思想）第二章数据表示与指令格式的优选技术第四、五节CISC与RISC

一、CISC指令系统的设计

二、RISC的提出

三、RISC设计的基本原则与基本技术第三章总线和I/0系统优选技术第一节输入输出系统的基本概念第二节总线的设计一、总线的类型二、数据宽度是指两次分配总线期间经过数据总线所传送的数据总量。

第一节存储系统与并行存储器一、存储系统的概念及其发展的必要性是指两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件或软件或硬件与软件相结合的方法有机地连接起来的一个集合，并具有速度高、容量大、价格低的特性。

二、存储系统实现的基础及其层次结构三、Cache存储系统与虚拟存储系统四、并行存储器及其类型（相联存储器、对频带的作用）

第四章存储组织技术第三节高速缓冲存储系统一、Cache存储系统的基本原理二、地址映象与地址变换(块冲突的问题)

三、替换算法

四、Cache的一致性

Cache主存储器块0块1…块i…块Mb-1

块0块1…块Cb-1

全相联地址映像方式主存块号B块内地址w

Cache块号b块内地址w

… … …

B b 1

主存块号B Cache块号b 有效位命中

Cache地址目录表

共有Cb个字

主存地址

全相联地址变换块0

块1…

块Cb-1

块0

块1…

块Cb-1

块Cb

块Cb+1…

块2Cb-1…

块Mb-CbMb-Cb+1…

块Mb-1Cache直接相联地址映像方式主存储器b=B

modCb

Cache块号b块内地址w比较

E1

区号E（按地址访问）有效位

区号E主存区内块号B块内地址W

Cache地址主存地址不相等失效相等命中访问Cache区表存储器

直接相联地址变换块0…块Gb-1块Gb…块2Gb-1……块CgGb-Gb…块CgGb-1块0…块Gb-1块Gb…块2Gb-1……块CgGb-Gb…块CgGb-1……块CgGb(Me-1)…CgGb(Me-1)+Gb-1块CgGb(Me-1)+Gb…CgGb(Me-1)+2Gb-1……块CgGbMe-Gb…块CgGbMe-1组0组1区0

区Me-1

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

组相联地址映像方式区号E区内组号G主存组内块号B块内地址W组号g组内块号b块内地址w

Cg·Gb个块

区号E，主存组内块号B组内块号b比较主存地址

Cache地址相等命中不等访主存块表

组相联映像的地址变换第一节重叠方式一、顺序方式二、重叠方式第二节流水方式一、流水线的基本概念（分类、表示方法、特点）指把一个重复的过程分解为若干个子过程，一个过程的子过程可以与其他过程的不同的子过程并行进行，实现不同过程在时间上重叠进行的工作方式。

单功能与多功能（静态与动态）

二、性能分析（吞吐率、加速比、效率及其关系）第五章重叠、流水与向量处理机

E=TP×△t，E=S/K（△t和K分别为流水线功能段的执行时间和段数）。

三、流水线的相关及其处理数据相关（局部）类型控制相关（全局）类型数据相关是指在流水线的机器中，程序中相近的两条指令要对同一存储单元进行操作时，应有一定的先后次序，否则会导致数据供求关系上的冲突，引发程序执行错误。由于它对程序执行过程影响较小，仅涉及相应指令的前后一条或几条指令的执行，所以又称为局部相关。数据相关处理：延迟与设置专用通路（数据重定向）四、非线性流水线的调度

非线性流水线无冲突调度的基本目标是找出具有最小平均启动距离的启动循环，其基本步骤如下：（1）根据预约表和禁止表的构成方法得到禁止表F。（2）根据禁止表和初始冲突向量的定义得到初始冲突向量C0。（3）根据初始冲突向量和后继冲突向量的计算方法得到系列冲突向量——状态。（4）根据系列状态和后继冲突向量的计算过程画出状态有向图。（5）根据状态有向图列出调度策略表，并计算出平均启动距离。（6）从调度策略表找出平均启动距离最小的调度策略则是最小启动循环调度策略。特别地，最小启动循环调度策略可能有几个，一般取循环数列中数字数最少的调度策略。第三节向量处理机一、向量处理方式横向处理方式、纵向处理方式和纵横处理方式。横向处理方法不适合于向量流水处理。

二、向量处理机及其结构类型

具有向量数据表示和采用流水线技术实现对向量各分量并行处理的机器。向量处理机的基本结构有存储器—存储器结构和寄存器—寄存器结构两种。第四节指令级高度并行的处理机一、指令级并行度的概念：是指指令级并行度是指在一个时钟周期内完成的指令数。

二、指令级高度并行处理机类型三、指令级高度并行处理机的性能比较第一节阵列处理机的基本概念一、阵列处理机及其基本结构由一个控制部件同时控制管理多个处理单元，所有处理单元均收到从控制部件广播来的同一条指令，但是操作的对象却是不同的数据。(指令操作级的并行)

阵列处理机有共享存储器和分布式存储器两种基本结构。主要差别在于全局地址空间在物理上是集中还是分布在各个处理机上。二、阵列处理机的特点以算法为背景的专用计算机。连接模式是由互连网络来规定的。采用资源重复技术。异构型多处理机系统。

第六章阵列处理机

第二节互联网络一、互联网络的基本概念（定义、作用、决定因素）是一种由开关元件按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络，用来实现计算机系统内部多个处理机或多个功能部件之间的相互连接及信息交换。二、互联函数及其常用的互联函数（方体、均匀洗牌、蝶式、加减2I）是指表示互连网络中输入输出端变量（用二进制数来表示）变换关系（一一对应）的数学表达式。方体C(xn-1xn-2…xk+1xkxk-1…x1x0)=xn-1xn-2…xk+1xkxk-1…x1x0均匀洗牌σ(xn-1xn-2…x1x0)=xn-2xn-3…x1x0xn-1蝶式b(xn-1xn-2…x1x0)=x0xn-2…x1xn-1

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

K0K1K2

ABCDIELKJGFH输入端输出端

N=8的STARAN网络三、多级互联网络（STARAN网络）

级控制信号（f2f1f0）

000001010011100101110111入端号0123456701234

56710325476230167453210765445670123547610326745230176543210执行

交换

函数

功能恒等4组2元4组2元

+

2组4元2组4元2组4元