【正文】 第 1章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 四種類型 單指令流單數(shù)據(jù)流 SISD (Single Instruction Single Datastream)。 單 指 令 流 多 數(shù) 據(jù) 流 SIMD (Single Instruction Multiple Datastream)。 多指令流單數(shù)據(jù)流 MISD (Multiple Instruction Single Datastream)。 多 指令流 多數(shù)據(jù) 流 MIMD (Multiple Instruction Multiple Datastream) 第 1章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 數(shù)據(jù)表示 數(shù)據(jù)類型包括數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 數(shù)據(jù)表示的定義： 數(shù)據(jù)表示是指計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別，可以被指令系統(tǒng)直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)類型。 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 自定義數(shù)據(jù)表示 帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示法 帶有標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示方式 標(biāo)志符 數(shù)值 第 2章 數(shù)據(jù)描述符表示法 數(shù)據(jù)描述符與標(biāo)志符的區(qū)別 ： 標(biāo)志符與數(shù)據(jù)合存于一個(gè)存儲(chǔ)單元中，用于描述單個(gè)數(shù)據(jù)的類型和屬性（作用于一個(gè)數(shù)據(jù)）；而描述符則和數(shù)據(jù)分開存放，主要用于描述成塊數(shù)據(jù)的特征（作用于一組數(shù)據(jù)）。 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 最高三位為 101時(shí)表示數(shù)據(jù)描述符，最高三位為 000時(shí)表示數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)描述符 101 地址 標(biāo)志位 長度 數(shù)據(jù) 000 數(shù)值 第 3章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 尋址方式 尋址方式： 尋找操作數(shù)及數(shù)據(jù)存放單元的方法。 主要內(nèi)容： 尋址方式的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。 方法： 分析各種尋址技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，如何選擇和確定尋址技術(shù)。 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 定位方式 程序需要定位的 主要原因 ：程序的獨(dú)立性；程序的模塊化設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在程序運(yùn)行過程中，其大小往往是變化的；有些程序本身很大，大于分配給它的主存物理空間。 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 直接定位方式 ：在程序裝入主存儲(chǔ)器之前，程序中的指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址就已經(jīng)確定了的稱為直接定位方式。 靜態(tài)定位 ：在程序 裝入 主存儲(chǔ)器的過程中隨即進(jìn)行地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址的稱為靜態(tài)定位方式。 動(dòng)態(tài)定位 ：在程序 執(zhí)行 過程中，當(dāng)訪問到相應(yīng)的指令或數(shù)據(jù)時(shí)才進(jìn)行地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址的稱為動(dòng)態(tài)定位方式。 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化 主要目標(biāo)： 節(jié)省程序的存儲(chǔ)空間 指令格式盡量規(guī)整，便于譯碼 研究內(nèi)容： 操作碼的優(yōu)化表示；地址碼的優(yōu)化表示 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 操作碼的優(yōu)化表示 操作碼的 三種編碼方法 ： 固定長度， Huffman編碼、擴(kuò)展編碼 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 Huffman編碼法 操作碼的 最短平均長度（理想情況），又稱信息源熵，可通過下式計(jì)算： 其中： Pi表示第 i種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率。 信息冗余量 ： 第 2章 ?????n1ii2i pl ogpH實(shí)際平均碼長H1R ??計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 Huffman編碼的具體碼值不惟一，但平均碼長肯定是惟一的。 Huffman操作碼的主要缺點(diǎn) ： 操作碼長度很不規(guī)整，硬件譯碼困難。 與地址碼共同組成固定長的指令比較困難。 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 擴(kuò)展編碼法 由固定長操作碼與 Huffman編碼法相結(jié)合形成的一種編碼方式，操作碼長度被限定使用有限的幾種碼長，仍體現(xiàn)高概率指令用短碼，低概率指令用長碼的思想，使操作碼的平均碼長雖大于 Huffman編碼，但小于等長編碼，是一種實(shí)際可用的優(yōu)化編碼方法。 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn) 進(jìn)一步增強(qiáng)原有指令的功能以及設(shè)置更為復(fù)雜的新指令取代原先由軟件子程序完成的功能 ， 實(shí)現(xiàn)軟件功能的硬化 。 復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) ， 簡稱 CISC。 通過減少指令種類和簡化指令功能來降低硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度 ， 提高指令的執(zhí)行速度 。精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) ， 簡稱 RISC。 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 有 兩個(gè)截然相反的方向 ： 1. 復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) CISC (Complex Instruction Set Computer) 增強(qiáng)指令功能，設(shè)置功能復(fù)雜的指令 面向目標(biāo)代碼、高級(jí)語言和操作系統(tǒng) 用一條指令代替一串指令 2. 精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) RISC (Reduced Instruction Set Computer) 只保留功能簡單的指令 功能較復(fù)雜的指令用子程序來實(shí)現(xiàn) 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 CISC指令系統(tǒng)存在的問題： (1)指令系統(tǒng)龐大。 (2)指令執(zhí)行速度低 。 (3)編譯程序本身太長 、 太復(fù)雜 。 (4)各種指令使用頻度都不會(huì)太高 ， 且差別很大 。 20％ 與 80％ 律 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 RISC的定義與特點(diǎn) 卡內(nèi)基梅隆 大學(xué)（ Carnegie Mellon）論述RISC的特點(diǎn) ： 大多數(shù)指令在單周期內(nèi)完成 LOAD/STORE結(jié)構(gòu) 硬布線控制邏輯 減少指令和尋址方式的種類 固定的指令格式 注重編譯優(yōu)化技術(shù) 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 90年代初， IEEE的 Michael Slater對 RISC定義的描述： RISC為使流水線高效率執(zhí)行，應(yīng)具有： 簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼 大部分指令可以單周期執(zhí)行完成 僅 Load和 Store指令可以訪問存儲(chǔ)器 簡單的尋址方式 采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù) 采用 LOAD延遲技術(shù) RISC為使優(yōu)化編譯器便于生成優(yōu)化代碼，應(yīng)具有：三地址指令格式、較多的寄存器、對稱的指令格式。 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 RISC的關(guān)鍵技術(shù) 延時(shí)轉(zhuǎn)移技術(shù) 定義： 為了使指令流水線不斷流，在轉(zhuǎn)移指令之后插入一條不相關(guān)的有效的指令，而轉(zhuǎn)移指令被延遲執(zhí)行，這種技術(shù)稱為延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)。 采用指令延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)時(shí)，指令序列的調(diào)整由編譯器自動(dòng)進(jìn)行。 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 指令取消技術(shù) 采用指令延時(shí)技術(shù)，在許多情況下找不到可以用來調(diào)整的指令，故有些 RISC采用指令取消技術(shù)，分為三種情況： (1) 向后轉(zhuǎn)移（循環(huán)程序） (2) 向前轉(zhuǎn)移 (ifthen) (3) 隱含轉(zhuǎn)移技術(shù) 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 重疊寄存器窗口技術(shù) （ Overlapping Register Window） 原因： RISC中，子程序比 CISC中多 , 因傳送參數(shù)而訪問存儲(chǔ)器的信息量很大。 重疊寄存器窗口技術(shù)由美國加洲大學(xué)伯克利分校的 F .Baskett提出。 實(shí)現(xiàn)方法： 設(shè)置一個(gè)數(shù)量比較大的寄存器堆，并把它劃分成很多個(gè)窗口。在每個(gè)過程使用的幾個(gè)窗口中有一個(gè)窗口是與前一個(gè)過程共用，還有個(gè)窗口是與下一個(gè)過程共用。 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 指令流調(diào)整技術(shù) 目標(biāo)： 通過變量重新命名消除數(shù)據(jù)相關(guān)，提高流水線執(zhí)行效率。 以硬件為主固件為輔 固件的 主要缺點(diǎn) 是：執(zhí)行速度低。 主要優(yōu)點(diǎn)是： 便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜指令，便于修改指令系統(tǒng)。 以 硬聯(lián)邏輯為主 來實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)。 對于復(fù)雜指令，也使用微程序技術(shù)實(shí)現(xiàn)。 第 2章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 輸入輸出系統(tǒng)概述 輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn) 輸入輸出系統(tǒng)涉及到機(jī)、光、電、磁、聲、自動(dòng)控制等多種學(xué)科。 用戶無需了解輸入輸出系統(tǒng)和輸入輸出設(shè)備的具體細(xì)節(jié)就能使用輸入輸出設(shè)備。 處理機(jī)的外部世界包括：本地和遠(yuǎn)程用戶、系統(tǒng)操作員、操作控制臺(tái)、輸入輸出設(shè)備、輔助存儲(chǔ)器、其它處理機(jī)、各種通信設(shè)備和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等。 第 3章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 異步性 實(shí)時(shí)性 與設(shè)備無關(guān)性 第 3章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了 3 個(gè)階段 ， 對應(yīng)于 3 種方式 ， 即 程序控制輸入輸出 (包括全軟的 、 程序查詢狀態(tài)驅(qū)動(dòng)的 、 中斷驅(qū)動(dòng)的幾種 )、直接存儲(chǔ)器訪問 (DMA)和 I/O處理機(jī)方式 。這 3 種方式可以分別用在不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上 ， 也可以用在同一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上作為相互補(bǔ)充 。 第 3章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 磁盤陣列 RAID是 Redundent Array of Inexpensive Disks的縮寫，直譯為“廉價(jià)冗余磁盤陣列”，也簡稱為“磁盤陣列”。后來 RAID中的字母 I被改作為 Independent， RAID就成了“獨(dú)立冗余磁盤陣列”。 第 3章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 第 3章 RAID級(jí)別 名稱 數(shù)據(jù) 磁盤數(shù) 可正常工作的 最多失效磁盤數(shù) 檢測 磁盤數(shù) RAID0 無冗余無校驗(yàn)的磁盤陣列 8 0 0 RAID1 鏡象磁盤陣列 8 1 8 RAID2 糾錯(cuò)海明碼磁盤陣列 8 1 4 RAID3 位交叉奇偶校驗(yàn)的磁盤陣列 8 1 1 RAID4 塊交叉奇偶校驗(yàn)的磁盤陣列 8 1 1 RAID5 無獨(dú)立校驗(yàn)盤的奇偶校驗(yàn)磁盤陣列 8 1 1 RAID6 雙維無獨(dú)立校驗(yàn)盤的奇偶校驗(yàn)磁盤陣列 8 2 2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 總 線 設(shè) 計(jì) 總線的類型 就允許信息傳送的方向來說 ， 總線可以有單向傳輸和雙向傳輸兩種 。 雙向傳輸又有半雙向和全雙向的不同 。 總線按其用法可以分成專用的和非專用的 。 第 3章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 總線的控制方式 集中式控制 分布式總線控制 優(yōu)先次序裁決 (1)鏈?zhǔn)讲樵兎绞? (2)計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式 (3)獨(dú)立請求方式 第 3章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 總線的通信技術(shù) 同步通信 異步通信 “ 數(shù)據(jù)寬度 ” 指的是 I/O設(shè)備取得 I/O總線使用權(quán)后所傳送數(shù)據(jù)的總量。 數(shù)據(jù)通路寬度指的是數(shù)據(jù)傳送的物理寬度，即一個(gè)時(shí)鐘周期所傳送的信息量，它直接取決于數(shù)據(jù)總線的線數(shù)。 第 3章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 通道處理機(jī) 通道種類 通道分為三種類型：字節(jié)多路通道、選擇通道和數(shù)組多路通道。 字節(jié)多路通道 為多臺(tái)低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)。 字節(jié)多路通道包含有多個(gè)子通道，每個(gè)子通道連接一個(gè)設(shè)備控制器。 第 3章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 選擇通道 選擇通道為高速外圍設(shè)備服務(wù)。 每個(gè)選擇通道只有一個(gè)以成組方式工作的子通道，逐個(gè)為多臺(tái)高速外圍設(shè)備服務(wù)。 第 3章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 數(shù)組多路通道 數(shù)組多路通道：把字節(jié)多路通道和選擇通