【正文】 第一章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義計算機＝軟件＋硬件（+網(wǎng)絡(luò)）兩種定義：定義1：Amdahl于1964年在推出IBM360系列計算機時提出：程序員所看到的計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性定義2：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配和對軟硬件界面的確定計算機系統(tǒng)的多級層次模型第6級專用應(yīng)用語言 機器特定應(yīng)用用戶（使用特定應(yīng)用語言）（經(jīng)應(yīng)用程序翻譯成高級語言）第5級通用高級語言 機器高級語言程序員（使用通用高級語言）（經(jīng)編譯程序翻譯成匯編語言）第4級匯編語言 機器匯編語言程序員（使用匯編語言）（經(jīng)匯編程序翻譯成機器語言、操作系統(tǒng)原語）第3級操作系統(tǒng)語言 機器操作系統(tǒng)用戶（使用操作系統(tǒng)原語）（經(jīng)原語解釋子程序翻譯成機器語言）第2級傳統(tǒng)機器語言 機器傳統(tǒng)機器程序員（使用二進制機器語言）（由微程序解釋成微指令序列）第1級微指令語言 機器微指令程序員（使用微指令語言）（由硬件譯碼器解釋成控制信號序列）第0級硬聯(lián)邏輯 硬件設(shè)計員第0級由硬件實現(xiàn)，第1級由微程序?qū)崿F(xiàn)，第2級至第6級由軟件實現(xiàn)，由軟件實現(xiàn)的機器稱為：虛擬機從學科領(lǐng)域來劃分：第0和第1級屬于計算機組織與結(jié)構(gòu)，第3至第5級是系統(tǒng)軟件，第6級是應(yīng)用軟件。它們之間仍有交叉。第0級要求一定的數(shù)字邏輯基礎(chǔ)；第2級涉及匯編語言程序設(shè)計的內(nèi)容；第3級與計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在特殊的計算機系統(tǒng)中，有些級別可能不存在。計算機組成：是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)確定數(shù)據(jù)通路的寬度?確定各種操作對功能部件的共享程度?確定專用的功能部件?確定功能部件的并行度?設(shè)計緩沖和排隊策略?設(shè)計控制機構(gòu)?確定采用何種可靠性技術(shù)計算機實現(xiàn)：是指計算機組成的物理實現(xiàn)處理機、主存儲器等部件的物理結(jié)構(gòu)?器件的集成度和速度?專用器件的設(shè)計?器件、模塊、插件、底版的劃分與連接?信號傳輸技術(shù)?電源、冷卻及裝配技術(shù)，相關(guān)制造工藝及技術(shù)等計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)是三個不同的概念。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計算機系統(tǒng)的軟硬件的界面；計算機組成是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)；計算機實現(xiàn)是計算機組成的物理實現(xiàn)。他們各自包含不同的內(nèi)容，但又有緊密的聯(lián)系。組成和實現(xiàn)的改進推動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進步。Amdahl定律：（定量原理）系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占執(zhí)行時間的比例有關(guān)。加速比公式：Sn=T0/Tn=1/((1Fe)+Fe/Se) (應(yīng)該大于1)加速比受Fe的限制，它越大就越有可能獲得更大加速比例子： CPU性能公式：Te=IC*CPI*CYCLE； 例子：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類方法：Flynn分類（按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性特征對計算機系統(tǒng)進行分類）馮氏分類（用最大并行度來對計算機系統(tǒng)進行分類）、Handler分類計算機系統(tǒng)設(shè)計的主要方法：由下往上、由上往下、由中間開始設(shè)計計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)評價標準 MIPS=指令條數(shù)/（指令執(zhí)行時間*10^6）=Fz/CPI=Fz*IPCIPC為每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數(shù)例1：計算PentiumII 450處理機的運算速度。解：由于PentiumII 450處理機的IPC＝2（或CPI＝），F(xiàn)z＝450MHzMIPS=FZ*IPC=2*450=900MIPS等效指令速度MIPS等效CPIWi：指令使用頻度。通常：加、減法50％，乘法15％，除法5％，程序控制15％，其它15%例2：我國最早研制的小型計算機DJS130，定點16位，加法速度每秒50萬次，但沒有硬件乘法和除法等指令。用軟件實現(xiàn)乘法和除法，速度降低100倍左右，求定點等效速度。解：MIPS=1/(()+())=即每秒2萬次，由于乘法和除法用軟件實現(xiàn)，等效速度降低了25倍。例3 如果浮點開平方操作FPSQR的比例為2%，它的CPI為100，其他浮點操作的比例為23%，它的CPI＝，其余指令的CPI＝，計算該處理機的等效CPI。，重新計算等效CPI。解：?等效CPI1＝100 2％＋4 23％＋ 75％＝等效CPI2＝4 25％＋ 75％＝由于改進了僅占2％的FPSQR操作的CPI，使等效速度提高了近一倍第二章數(shù)據(jù)表示+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)=數(shù)據(jù)類型操作碼的優(yōu)化表示：定長編碼、HUFFMAN編碼、擴展編碼（***課后題****）復雜指令系統(tǒng)計算機CISC：增強指令功能，設(shè)置功能復雜的指令；面向目標代碼、面向高級語言、面向操作系統(tǒng)；用一條指令代替一串指令RISC精簡指令系統(tǒng)計算機：簡化指令功能，只保留功能簡單的指令；較復雜的功能用子程序來實現(xiàn)較復雜的功能用子程序來實現(xiàn)RISC的思想精華：減少指令平均執(zhí)行周期數(shù)（CPI）RISC的特點(1) 簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼。(2) 大部分指令可以單周期執(zhí)行完成。(3) 只有LOAD和STORE指令可以訪問存儲器。(4) 簡單的尋址方式。 (5) 采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù) 。(6) 采用LOAD延遲技術(shù)。RISC的關(guān)鍵技術(shù)延時轉(zhuǎn)移技術(shù)（名詞）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，指令序列的調(diào)整由編譯器自動 進行。采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)的兩個限制條件 (1)被移動指令在移動過程中所經(jīng)過的指令之間不能有數(shù)據(jù)相關(guān)(2)被移動的指令不破壞條件碼，至少不影響后面的指令使用條件碼 如果找不到符號條件的指令，必須在條件轉(zhuǎn)移指令后面插 入空操作 如果指令的執(zhí)行過程分為多個流水段，則要插入多條指令指令取消技術(shù)原因：采用指令延時技術(shù)，在許多情況下找不到可以用來 調(diào)整的指令 向后轉(zhuǎn)移（循環(huán)程序）實現(xiàn)方法：循環(huán)體的第一條指令經(jīng)調(diào)整后安排在兩個位 置，第一個位置是在循環(huán)體的前面，第二個位置安排在循 環(huán)體的后面，如果轉(zhuǎn)移成功，則執(zhí)行循環(huán)體后面的指令，然后返回到循 環(huán)體開始；否則，則取消循環(huán)體后面的指令，繼續(xù)執(zhí)行后 面的指令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)而訪存的信息量很大 美國加洲大學伯克利分校的F Baskett提出 實現(xiàn)方法：設(shè)置一個數(shù)量比較大的寄存器堆，并把它劃分 成很多個窗口。在每個過程使用的幾個窗口中有一個窗口 是與前一個過程共用，還有一個窗口是與下一個過程共用。效果：可以減少大量的訪存操作。 當寄存器溢出時，要在主存中開辟一個堆棧指令流調(diào)整技術(shù)目標：通過變量重新命名消除數(shù)據(jù)相關(guān)，提高流水線效率以硬件為主固件為輔固件的主要缺點是：執(zhí)行速度低主要優(yōu)點是：便于實現(xiàn)復雜指令，便于修改指令系統(tǒng) RISC主要采用硬聯(lián)邏輯來實現(xiàn)指令系統(tǒng) 對于復雜指令，也用微程序技術(shù)實現(xiàn)。第三章存儲系統(tǒng)：（或存儲體系、存儲層次）定義：兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來成為一個 系統(tǒng)。這個系統(tǒng)對應(yīng)用程序員透明，并且，從應(yīng)用程序員 看，它是一個存儲器，這個存儲器的速度接近速度最快的 那個存儲器，存儲容量與容量最大的那個存儲器相等，單 位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。在一般計算機系統(tǒng)中，主要有兩種存儲系統(tǒng)：(1) Cache存儲系統(tǒng)：由Cache和主存儲器構(gòu)成主要目的：提高存儲器速度(2) 虛擬存儲系統(tǒng)：由主存儲器和磁盤存儲器構(gòu)成主要目的：擴大存儲器容量磁盤存儲器主存儲器存儲器訪問的局部性原理實質(zhì)：根據(jù)程序運行的最近情況，可以較為精確的預測出最近的將來將要訪問哪些指令和數(shù)據(jù)