计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院复习计算机 系统结构计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院复习考试题型 术语解释 选择题 填空题 问答题 计算题计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院1.1 计算机系统的多级层次结构 计算机系统软件硬件/固件可以从多个角度考察计算机系统的结构一种观点：从使用语言的角度，可以将计算 机系统按功能划分为多级层次结构第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院虚拟机概念从不同角度所看到的计算机系统的属性是 不同的，大部分人对计算机的认识只需要在 某一个层次上。虚拟计算机即是由软件实现的机器。 从学科领域来划分第0和第1级属于计算机组成与系统结构第2至第4级是系统软件第5级是应用软件第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院翻译(Translation)：先用转换程序将高一 级机器级上的程序整个地变换成低一级机器 级上可运行的等效程序，然后再在低一级机 器级上去实现的技术。（先翻译后执行） 解释（Interpretation）：在低一级机器级 上用它的一串语句或指令来等效高一级机器 上的一条语句或指令的功能，通过对高一级 机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释 来实现的技术 。（边解释边执行）第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院翻译和解释是语言实现的两种基本 技术。一般来说，解释执行比翻译花 的时间多，但占用存储空间较少。软件和硬件实现在逻辑功能上等效。计算机系统结构设计者的主要任 务就是要确定软硬件的分界；软件、 硬件和固件的功能分配。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院1.2 计算机系统结构、组成与实现 我们这里所称的计算机系统结构或计算机 体系结构(Computer Architecture) 指的是层次结构中传统机器级的系统结构，其界面之上的 功能包括操作系统级、汇编语言级、高级语言 级和应用语言级中所有软件的功能。界面之下 的功能包括所有硬件和固件的功能。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院计算机系统结构的定义 1. 定义一Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算 机时提出：程序员所看到的计算机系统的属 性，即概念性结构和功能特性。 2.定义二计算机系统结构是对计算机系统中各级 界面的划分、定义及其上下的功能分配 。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院透明性概念本来存在的事物或属性，从某种角度看 似乎不存在。 计算机组成计算机组成是指计算机系统结构的逻 辑实现。包括机器级内的数据流和控制流 的组成以及逻辑设计等。 计算机实现计算机实现是指计算机组成的物理实 现。它主要着眼于器件技术和微组装技术 。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院计算机系统结构、组成与实现三者关系：1、系统结构要考虑组成和实现的发展，不要有过多或不合理的限制；2、组成要考虑系统结构和实现，决定于系统结构，受限于实现；3、组成与实现不是被动的，折中权衡；4、实现是物质基础。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院1.3 软硬取舍与计算机系统的设计思路软硬取舍的基本原则 第一个基本原则是，在现有硬件和器件 条件下，系统要有高的性能价格比。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院第二个基本原则是，要考虑到准备采用和 可能采用的组成技术，使它尽可能不要过 多或不合理地限制各种组成、 实现技术的 采用。 第三个基本原则是，不能仅从“硬”的角度 去考虑如何便于应用组成技术的成果和发 挥器件技术的进展，还应从“软”的角度把 为编译和操作系统的实现，以至高级语言 程序的设计提供更多更好的硬件支持放在 首位。 第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院计算机系统设计的主要方法 方法1：由上向下（Top-Down） 方法2：由下向上（Bottom-Up) 方法3：中间开始（Middle-Out) 应用虚拟机 高级语言虚拟机 汇编语言虚拟机 操作系统虚拟机 传统机器级 微程序级 硬联逻辑级向 上向 下第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院1.4 计算机设计的量化准则 Amdahl定律系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后 整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率 或占总执行时间的比例有关。 在Amdahl定律中，加速比与两个因素有关：第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院改进后整个任务的执行时间为：其中0为改进前的整个任务的执行时间。改进后整个系统的加速比为：其中（1-Fe)表示不可改进部分。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院CPU性能公式 程序执行的CPU时间为 ：第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院系统结构的评价标准 1. 时钟频率（主频）：用于同类处理机之间 。 2. 指令执行速度 一种很经典的表示方法MIPS (Million Instructions Per Second), KIPS, GIPS, TIPS第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院3. 等效指令速度：吉普森（Gibson）法第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院1.5 对系统结构的影响因素软件可移植性的定义软件不用修改或只需少量加工就能由一台 机器搬到另一台机器上运行，即同一软件可 以应用于不同的环境。实现软件可移植性的几种技术技术一：统一高级语言 技术二：采用系列机思想 技术三：模拟与仿真 第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院1.采用统一的高级语言方法方法：采用同一种不依赖于任何具体机器的 高级语言编写系统软件和应用软件。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院2.采用系列机方法系列机定义：同一厂家生产的具有相同的系统结构，不同 组成和实现的一系列计算机系统。 实现方法：在系统结构基本不变的基础上，根据不 同性能的要求和当时的器件发展情况，设计 出各种性能、价格不同的计算机系统。一种 系统结构可以有多种组成，一种组成可以有 多种物理实现。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院软件兼容性设计方法原因：软件相对于硬件的成本越来越贵， 已积累了大量成熟的系统软件和应用软件。 兼容种类向后兼容 在某一时间生产的机器上运行 的目标软件能够直接运行于更晚生产的机器 上。向前兼容向上兼容 在低档机器上运行的目标软件 能够直接运行于高档机器上。向下兼容第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院其中向后兼容最重要，必须做到，向上 兼容尽量做到，向前兼容和向下兼容，可以 不考虑。兼容机定义：不同厂家生产的具有相同的系统结构 的计算机系统。计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院3.采用模拟与仿真方法定义：在一台现有的计算机上实现另一台计算机 的指令系统。全部用软件实现的叫模拟。用硬件、固件或软件、硬件、固件混合实 现的叫仿真。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院第1章模拟的实现方法：在A计算机上通过解释方法实现B计算 机的指令系统，即B机器的每一条指令用 一段A机器的程序进行解释执行。A机器 称为宿主机，B机器称为虚拟机。 仿真的实现方法：直接用A机器的一段微程序解释执行B 机器的每条指令。A机器称为宿主机，B 机称为目标机。仿真微程序控存中模拟 机器语言主存中计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院软件移植方法区别：A 统一高级语言解决结构相同或完全不同的各种机器上的 软件移植，是重要方向。问题：语言标准化很重要，短期很难，只 能相对统一。 B 系列机普遍采用，只解决同一系列结构内的软件 兼容。问题：兼容的约束阻碍系统结构取得突破 进展。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院C 模拟灵活性较大，可实现不同系统间的软件移植 。 问题：结构差别大时，效率和速度急剧下降 。 D 仿真速度损失小，可实现不同系统间的软件移植 。问题：灵活性较小，只能在结构差别不大 的机器间采用。需结合模拟。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院1.6 系统结构中的并行性及计算机系统的分类 并行性概念并行性包含同时性和并发性二重含义。同时性两个或多个事件在同一时刻发生。并发性两个或多个事件在同一时间间隔 内发生。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院并行性开发的途径 时间重叠资源重复资源共享第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院并行处理计算机的结构 并行处理计算机是强调并行处理的系统，除了分布处理系统外，按其基本结构特征，可以分成流水线计算机、阵列处理机、多处理机系统和数据流计算机等 4 种不同的结构。计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院如果多台计算机通过通道或通信线路实 现互连，共享某些如磁带、磁盘等外设，则 称为松散耦合系统。如果多台计算机之间通过总线或高速开 关互连，共享主存，则称为紧密耦合系统。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院佛林（Flynn）分类法按照指令流和数据流的多倍性特征对计算机 系统进行分类。指令流：机器执行的指令序列。数据流：由指令流调用的数据序列，包括输 入数据和中间结果。多倍性：在系统性能瓶颈部件上同时处于同 一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院四种类型 单指令流单数据流SISD (Single Instruction Single Datastream); 单指令流多数据流SIMD (Single Instruction Multiple Datastream); 多指令流单数据流MISD (Multiple Instruction Single Datastream); 多指令流多数据流MIMD (Multiple Instruction Multiple Datastream)第1章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院2.1 数据表示数据类型包括数据表示和数据结构。数据表示的定义：数据表示是指计算机 硬件能够直接识别，可以被指令系统直接 调用的那些数据类型。第2章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院自定义数据表示1、带标志符的数据表示法带有标志符的数据表示方式标志符数值第2章2、数据描述符表示法数据描述符与标志符的区别：标志符与数据合存于一个存储单元中，用 于描述单个数据的类型和属性（作用于一个数 据）；而描述符则和数据分开存放，主要用于 描述成块数据的特征（作用于一组数据）。计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院最高三位为101时表示数据描述符，最高三 位为000时表示数据。数据描述符101地址标志位长度数据000数值第3章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院2.2 寻址方式 寻址方式：寻找操作数及数据存放单元的方 法。 主要内容：寻址方式的设计思想和设计方法 。 方法：分析各种寻址技术的优缺点，如何选 择和确定寻址技术。第2章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院定位方式程序需要定位的主要原因：程序的独立 性；程序的模块化设计；数据结构在程序 运行过程中，其大小往往是变化的；有些 程序本身很大，大于分配给它的主存物理 空间。第2章计算机体系结构计算机系统结构北京理工大学计算机学院直接定位方式：在程序装入主存储器之前， 程序中的指令和数据的主存物理地址就已 经确定了的称为直接定位方式。 静态定位：在程序装入主存储器的过程中随 即进行地址变换，确定指令和数据的主存 物理地址的称为静态定位方式。 动态定位：在程序执行过程中，当访问到相 应的指令或数据时才进行地址变换，确定 指令和数据的主存物理地址的称为动态定 位方式。第2章计