【正文】 第一章　計算機系統(tǒng)結構的基本概念 從處理數據的角度看，并行級別有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。位串字串和位并字串基本上構成了SIMD。位片串字并的例子有：相聯處理機STARAN，MPP。全并行的例子有：陣列處理機ILLIAC IV。 從加工信息的角度看，并行級別有存儲器操作并行，處理器操作步驟并行，處理器操作并行，指令、任務、作業(yè)并行。 存儲器操作并行是指可以在一個存儲周期內并行讀出多個CPU字的，采用單體多字、多體單字或多體多字的交叉訪問主存系統(tǒng)，進而采用按內容訪問方式，位片串字并或全并行方式，在一個主存周期內實現對存儲器中大量字的高速并行操作。例子有并行存儲器系統(tǒng)，以相聯存儲器為核心構成的相聯處理機。 處理器操作步驟并行是指在并行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上錯開，輪流重復地執(zhí)行使用同一套設備的各個部分，加快硬件周轉來贏得速度。例子有流水線處理機。 處理器操作并行是指一個指令部件同時控制多個處理單元，實現一條指令對多個數據的操作。擅長對向量、數組進行處理。例子有陣列處理機。 指令、任務、作業(yè)并行是指多個獨立的處理機分別執(zhí)行各自的指令、任務、作業(yè)。例子有多處理機，計算機網絡，分布處理系統(tǒng)。 并行性的開發(fā)途徑有時間重疊(Time Interleaving)，資源重復(Resource Replication)，資源共享(Resource Sharing)。 時間重疊是指在并行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上錯開，輪流重復地執(zhí)行使用同一套設備的各個部分，加快硬件周轉來贏得速度。例子有流水線處理機。 資源重復是指一個指令部件同時控制多個處理單元，實現一條指令對多個數據的操作。例子有陣列處理機，相聯處理機。 資源共享是指用軟件方法讓多個用戶按一定時間順序輪流使用同一套資源以提高資源的利用率，從而提高系統(tǒng)性能。例子有多處理機，計算機網絡，分布處理系統(tǒng)。 SISD:一個指令部件控制一個操作部件，實現一條指令對一個數據的操作。例子有傳統(tǒng)的單處理機 SIMD:一個指令部件同時控制多個處理單元，實現一條指令對多個數據的操作。例子有陣列處理機，相聯處理機。 MIMD:多個獨立的處理機分別執(zhí)行各自的指令、任務、作業(yè)，實現指令、任務、作業(yè)并行的多機系統(tǒng)，是多個SISD的集合，也稱多倍SISD系統(tǒng)(MSISD)。例子有多處理機，計算機網絡，分布處理系統(tǒng)。 exercises: ，可以按功能劃分成4級，每一級為了執(zhí)行一條指令，需要下一級的N條指令來解釋。如果執(zhí)行第1級的一條指令要Kns時間，那么執(zhí)行第第3和第4級的一條指令各需要用多少時間？ 解答：執(zhí)行第第3和第4級的一條指令各需要KNns、KN^2ns、KN^3ns的時間。，每級的指令互不相同，每一級的指令都比其下一級的指令在效能上強M倍，即第i級的一條指令能完成第i1級的M條指令的計算量?，F若需第i級的N條指令解釋第i+1級的一條指令，而有一段第1級的程序需要運行Ks，問在第3和4級上一段等效程序各需要運行多長時間？ 答： 第2級上等效程序需運行：(N/M)*Ks。第3級上等效程序需運行：(N/M)*(N/M)*Ks。第4級上等效程序需運行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。 note: 由題意可知：第i級的一條指令能完成第i1級的M條指令的計算量。而現在第i級有N條指令解釋第i+1級的一條指令，那么，我們就可以用N/M來表示N/M 表示第i+1級需(N/M)條指令來完成第i級的計算量。所以，當有一段第1級的程序需要運行Ks時，在第2級就需要(N/M)Ks，以此類推 ？在什么意義上又是不等效的？試舉例說明。 答：軟件和硬件在邏輯功能上是等效的，原理上，軟件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用軟件模擬完成。但是實現的性能價格比，實現的難易程序不同。 在DOS操作系統(tǒng)時代，漢字系統(tǒng)是一個重要問題，早期的漢字系統(tǒng)的字庫和處理程序都固化在漢卡（硬件）上，而隨著CPU、硬盤、內存技術的不斷發(fā)展，UCDOS把漢字系統(tǒng)的所有組成部份做成一個軟件。 、計算機組成與計算機實現之間的相互關系與影響。 答：計算機系統(tǒng)結構、計算機組成、計算機實現互不相同，但又相互影響。 （1）計算機的系統(tǒng)結構相同，但可采用不同的組成。如IBM370系列有11121315168等由低檔到高檔的多種型號機器。從匯編語言、機器語言程序設計者看到的概念性結構相同，均是由中央處理機/主存，通道、設備控制器，外設4級構成。其中，中央處理機都有相同的機器指令和匯編指令系統(tǒng)，只是指令的分析、執(zhí)行在低檔機上采用順序進行，在高檔機上采用重疊、流水或其它并行處理方式。 （2）相同的組成可有多種不同的實現。如主存器件可用雙極型的，也可用MOS型的；可用VLSI單片，也可用多片小規(guī)模集成電路組搭。 （3）計算機的系統(tǒng)結構不同，會使采用的組成技術不同，反之組成也會影響結構。如為實現A:=B+CD:=E*F,可采用面向寄存器的系統(tǒng)結構，也可采用面向主存的三地址尋址方式的系統(tǒng)結構。要提高運行速度，可讓相加與相乘并行，為此這兩種結構在組成上都要求設置獨立的加法器和乘法器。但對面向寄存器的系統(tǒng)結構還要求寄存器能同時被訪問，而對面向主存的三地址尋址方式的系統(tǒng)結構并無此要求，倒是要求能同時形成多個訪存操作數地址和能同時訪存。又如微程序控制是組成影響結構的典型。通過改變控制存儲器中的微程序，就可改變系統(tǒng)的機器指令，改變結構。如果沒有組成技術的進步，結構的進展是不可能的。 綜上所述，系統(tǒng)結構的設計必須結合應用考慮，為軟件和算法的實現提供更多更好的支持，同時要考慮可能采用和準備采用的組成技術。應避免過多地或不合理地限制各種組成、實現技術的采用和發(fā)展，盡量做到既能方便地在低檔機上用簡單便宜的組成實現，又能在高檔機上用復雜較貴的組成實現，這樣，結構才有生命力；組成設計上面決定于結構，下面受限于實現技術。然而，它可與實現折衷權衡。例如，為達到速度要求，可用簡單的組成但卻是復雜的實現技術，也可用復雜的組成但卻是一般速度的實現技術。前者要求高性能的器件，后者可能造成組成設計復雜化和更多地采用專用芯片。 組成和實現的權衡取決于性能價格比等因素；結構、組成和實現所包含的具體內容隨不同時期及不同的計算機系統(tǒng)會有差異。軟件的硬化和硬件的軟件都反映了這一事實。VLSI的發(fā)展更使結構組成和實現融為一體，難以分開。 ？對計算機系統(tǒng)結構，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？ 存儲器的模m交叉存??；浮點數據表示；I/O系統(tǒng)是采用通道方式還是外圍處理機方式；數據總線寬度；字符行運算指令；陣列運算部件；通道是采用結合型還是獨立型；PDP11系列的單總線結構；訪問方式保護；程序性中斷；串行、重疊還是流水控制方式；堆棧指令；存儲器最小編址單位；Cache存儲器。 答：透明指的是客觀存在的事物或屬性從某個角度看不到。 透明的有：存儲器的模m交叉存?。粩祿偩€寬度；陣列運算部件；通道是采用結合型還是獨立型；PDP11系列的單總線結構串行、重疊還是流水控制方式；Cache存儲器。 不透明的有：浮點數據表示；I/O系統(tǒng)是采用通道方式還是外圍處理機方式；字符行運算指令；訪問方式保護；程序性中斷；；堆棧指令；存儲器最小編址單位。 （匯編）語言程序員看，以下哪些是透明的？ 指令地址寄存器；指令緩沖器；時標發(fā)生器；條件寄存器；乘法器；主存地址寄存器；磁盤外設；先行進位鏈；移位器；通用寄存器；中斷字寄存器。 答：透明的有：指令緩沖器、時標發(fā)生器、乘法器、先進先出鏈、移位器、主存地址寄存器。 ？哪些對應用程序員是透明的？ 系列機各檔不同的數據通路寬度；虛擬存儲器；Cache存儲器；程序狀態(tài)字；“啟動I/O”指令；“執(zhí)行”指令；指令緩沖寄存器。 答：對系統(tǒng)程序員透明的有：系列機各檔不同的數據通路寬度；Cache存儲器；指令緩沖寄存器； 對應用程序員透明的有：系列機各檔不同的數據通路寬度；Cache存儲器；指令緩沖寄存器；虛擬存儲器；程序狀態(tài)字；“啟動I/O”指令。 note:系列機各檔不同的數據通路寬度、Cache存貯器、指令緩沖寄存器屬于計算機組成，對系統(tǒng)和程序員和應用程序員都是透明的。 虛擬存貯器、程序狀態(tài)字、“啟動I/O”指令，對系統(tǒng)程序員是不透明的，而對應用程序員卻是透明的?！皥?zhí)行”指令則對系統(tǒng)程序員和應用程序員都是不透明的。 ，你認為下列哪些設想是可以考慮的，哪些則不行的？為什么？ 新增加字符數據類型和若干條字符處理指令，以支持事務處理程序的編譯。 （2）為增強中斷處理功能，將中斷分級由原來的4級增加到5級，并重新調整中斷響應的優(yōu)先次序。 （3）在CPU和主存之間增設Cache存儲器，以克服因主存訪問速率過低而造成的系統(tǒng)性能瓶頸。 （4）為解決計算誤差較大，將機器中浮點數的下溢處理方法由原來的恒置“1”法，改為用ROM存取下溢處理結果的查表舍入法。 （5）為增加尋址靈活性和減少平均指令字長，將原等長操作碼指令改為有3類不同碼長的擴展操作碼；將源操作數尋址方式由操作碼指明改成如VAX11那種設尋址方式位字段指明。 （6）將CPU與主存間的數據通路寬度由16位擴展成32位，以加快主機內部信息的傳送。 （7）為減少公用總路線的使用沖突，將單總線改為雙總線。 （8）把原0號通用寄存器改作堆棧指示器。 答：可以考慮的有：1,3,4,6,7。不可以考慮的有：2,5,8。 原則是看改進后能否保持軟件的可移植性。 ，就要在相當長的時期里保證系統(tǒng)結構基本不變，因此在確定系列結構時要非常慎重。其中最主要是確定好系列機的指令系統(tǒng)、數據表示及概念性結構。既要考慮滿足應用的各種需要和發(fā)展，又要考慮能方便地采用從低速到高速的各種組成的實現技術，即使用復雜、昂貴的組成實現時，也還能充分發(fā)揮該實現方法所帶來的好處。 、MPP和機群系統(tǒng)外，有哪4種基本結構？列舉它們各自要解決的主要問題。 答：除了分布處理，MPP和機群系統(tǒng)外，并行處理計算機按其基本結構特征可分為流水線計算機，陣列處理機，多處理機和數據流計算機四種不同的結構。 流水線計算機主要通過時間重疊，讓多個部件在時間上交劃重疊地并行招待運算和處理，以實現時間上的并行。它主要應解決：擁塞控制，沖突防止，流水線調度等問題。 陣列處理機主要通過資源重復實現空間上的并行。它主要應解決：處理單元靈活、規(guī)律的互連模式和互連網絡設計，數據在存儲器中的分布算法等問題。 多處理機主要通過資源共享，讓一組計算機在統(tǒng)一的操作系統(tǒng)全盤控制下，實現軟件和硬件各級上的相互作用，達到時間和空間上的異 步并行。它主要應解決：處理機間互連等硬件結構，進程間的同上步和通訊，多處理機調度等問題。 數據流計算機設有共享變量的概念，指令執(zhí)行順序只受指令中數據的相關性制約。數據是以表示某一操作數或參數已準備就緒的數據令牌直接在指令之間傳遞。它主要應解決：研究合適的硬件組織和結構，高效執(zhí)行的數據流語言等問題。 ？ 答：計算機系統(tǒng)的3T性能目標是 1TFLOPS計算能力,1TBYTE主存容量 和 1TBYTES的I/O帶寬第二章　數據表示與指令系統(tǒng) 39。和尾數的二進制數位m的關系 存在m39。=m/log2(rm)這種關系是因為，在機器中，一個rm進制的數位是用log2(rm)個機器數位來表示的。 假設rm=8，尾數為20，則m39。=2,八進制數20轉換成二進制數為10000，其二進制數位，即機器數位m=5。2=5/log2(8)。 note:這里的等號并不表示純粹數學意義上的“等于”。 rm^m39。(rm1)/rm。 對于rm進制的數來說，每個數位均可以有0到rm1，即rm個碼。 m39。個rm進制數位共有rm^m39。種編碼。但課本中討論的是規(guī)格化數，即尾數的小數點后第一個數位不為零的數，所以，應該去掉小數點后第一個數位是0的那些非規(guī)格化的數。顯然，非規(guī)格化數的個數占了全部尾數編碼總數的1/rm的比例，所以可表示的浮點數規(guī)格化的尾數個數應該是：rm^m39。（11/rm)。 exercises: ，，，，有8個通用數據寄存器和2個變址寄存器。 （1） 要求操作碼的平均長最短，請設計操作碼的編碼，并計算所設計操作碼的平均長。（4分） （2） 設計8位長度的寄存器－寄存器型指令3種，16位長度的寄存器－存儲器變址尋址方式指令4條，變址范圍不小于正、負127。請寫出指令格式，并給出各字段的長度和操作碼編碼。（6分） 解答： (1)全Huffman編碼的平均碼長是可用的二進制位編碼中平均碼長最短的編碼。 全Huffman編碼的平均碼長=2*(++)+3*+4*+5*(+)= (2) 由于有8個通用數據寄存器和2個變址寄存器，所以通用寄存器用3位表示，變址寄存器用1位表示,8位的寄存器寄存器型指令，3個操作碼編碼為00、010，16位的寄存器存儲器變址尋址方式指令， 4個操作碼編碼為1100、110111111，2位 3位 3位OP R1 R2操作碼 寄存器1 寄存器24位 3位 1位 8位OP R1 X d操作碼 寄存器1 變址寄存器 相對位移 主存邏輯地址？確定和引入數據表示的基本原則是什么？ 答：數據表示是能由硬件直接識別和引用的數據類型。數據結構反映各種數據元素或信息單元之間的結構關系。 數據結構要通過軟件映象變換成機器所具有的各種數據表示實現，所以數據表示是數據結構的組成元素。不同的數據表示可為數據結構的實現提供不同的支持，表現在實現效率和方便性不同。數據表示和數據結構是軟件、硬件的交界面。 除基本數據表示不可少外，高級數據表示的引入遵循以下原則： （1）看系統(tǒng)的效率有否提高，是否養(yǎng)活了實現時間和存儲空間。 （2）看引入這種數據表示后，其通用性和利用率是否高。 ？描述符數據表示與向量數據表示對向量數據結構所提供的支持有什么不同？ 答：標志符數據表示與描述符數據表示的差別是標志符與每個數據相連，合存于同一存儲單元，描述單個數據的類型特性。描述符是與數據分開存放，用于描述向量、數組等成塊數據的特征。 描述符數據表示為向量、數組的的實現提供