计算机系统结构

1、计算机体系结构第1层：硬件实现(硬件实现)第2层：微程序(固件)实现(固件(Firmware)实现)第3层：传统机器语言机器和操作系统机器(软件实现)第4层：汇编语言机器(软件实现)第5层：高级语言机器(软件实现)第6层：应用语言机器(软件实现)狭义的计算机体系结构概念由机器语言或编译程序设计者所看到的计算系统的属性,是硬件子系统的概念性结构和功能特性。即程序员为了使其所编写的程序能在计算机上正确运行所必须了解和遵循的计算机属性。包括机器内的数据表示，即硬件能直接辨认和处理的数据类型；寻址方式：包括最小寻址单元和地址运算等；寄存器定义：包括操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器的定义、数量和使用

2、方式；指令系统：机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制；中断机构：中断类型和中断相应硬件的连接方式，处理机/存储器与输入输出设备间数据传送方式和格式、数据量及I/O操作结束与出错标志；信息保护：信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。计算机组成：是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等；组成的任务：在计算机体系结构确定给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究各组成部分的内部结构和相互联系，按所希望达到的性能价格比，最佳、最合理地把各种设备和部件组成计算机以实现机器指令级的各种功能和特性。计算机实现：计算机组成的物理实现。指令集方面体系结构的设计内容数据格

3、式：硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等寻址方式：寻址方式的种类、表示方法和地址计算等寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器、及专用寄存器等的定义、数量和使用方法。指令系统：指令的选取。指令的操作数类型和格式。指令操作码优化和控制机构等。存贮器系统：最大可编址空间、最小编址单位、编址方式和主存容量等。中断机构：中断的类型、中断分级、中断处理功能和中断入口地址等。机器级的I/O结构：I/O的联接方式、设备访问方式、数据的源、目的和吞吐量等。通用型计算机的组成设计主要包括如下方面：数据通路宽度：数据总线上一次并行传送的信息位数。专用部件的设置：选用哪些专用部件。如乘法专用部件、浮点运算

4、部件、字符处理部件、地址运算部件等。每种专用部件的数量等等。这些都取决于所需达到的机器速度、专用部件的使用频率及能承受的价格。部件的共享程度：尽管许多操作在逻辑上互不相关，只能分时使用，但共享程度高速度相应也下降。可以设置多个部件降低共享程度，用提高操作并行度来提高速度。但价格也相应提高计算机的物理实现主要内容：器件技术在计算机物理实现技术中起主导作用包括处理机、主存等部件的物理结构器件的集成度和速度器件、模块、插件、底板的划分与连接专用器件的设计、微组装技术欢迎阅读信号传输、电源、冷却及整机装配技术等例：在指令系统中指令的确定是属于计算机系统结构的。而指令操作的实现，如取指令、取操作数、运算

5、、送结果等具体操作及排序方式是属于计算机组成的。而实现这些指令功能的具体电路、器件的设计及装配技术是属于计算机物理实现的。计算机系统结构：是计算机系统的软件、硬件的界面计算机组成：是计算机系统结构的逻辑实现计算机实现：是计算机组成的物理实现(广义的)体系结构的定义：计算机体系结构应包括指令集设计，计算机组成设计与硬件(硬件与逻辑设计)。VonNeumann计算机的特征(1) 存储器，一维结构(2) 存储器，一级地址空间(3) 低级机器语言驱动(4) 指令，顺序执行(5) 以运算器为中心计算机系统结构的改进:?(1)并行算法?面向高级语言机器?(3)面向操作系统机器?(4)数据驱动型、需求驱动型

6、?专用计算机?容错计算机?(7)外围处理机、通信处理机欢迎阅读?(8)LSI、VLSI?(9)智能计算机软件对系统结构的影响三种方法：系列机的方法、模拟与仿真的方法、统一的高级语言的方法其中采用模拟与仿真的方法<!-if!supportLists->?<!-endif->在一种机器的系统结构上实现另一种机器的系统结构<!-if!supportLists->?<!-endif->模拟方法:采用纯软件的方法，速度慢，在A上模拟B，A称为宿主机，B称为虚拟机<!-if!supportLists->?<!-endif->仿真方法：

7、采用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法，速度快，在A上仿真B,A称为宿主机,B称为目标机计算机系统的分类<!-if!supportLists->?<!-endif->Flynn分类法<!-if!supportList丨|s->?<!-endif->SISD<!-if!supportLists->?<!-endif->SIMD<!-if!supportLists->?<!-endif->MISD<!-if!supportLists->?<!-endif->MIMDFlynn

8、分类法：根据指令流和数据流的多倍性对计算机系统结构进行分类基本思想：是计算机工作过程是指令流的执行和数据流的处理。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：在系统性能的瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大个数。典型的SISD机器：传统的顺序计算机(冯诺依曼结构)单指令流多数据流SIMD超级计算机，单控制器、多处理单元和多对数据进行处理多指令流单数据流？MISD多指令流单数据流？MISD多个处理器，对同一数据流进行处理，这类计算机的实际机器并不多，一般认为超标量计算机、长指令字计算机(VLIW和退耦(Decounted)计算机和专用脉动阵列

9、(Systoicarrays)计算机可以作为此类计算机。多指令流多数据流MIMD多机系统-多个处理器系统或多计算机系统每个处理机可以独立执行指令和处理数据一般并行计算机大多采用这种结构。共享存储器为：紧耦合。分布存储器为：松耦合计算机设计的任务<!-if!supportLists->?<!-endif->确定用户的目标(需求功能，价格,性能)<!-if!supportLists->?<!-endif->确定计算机的属性（计算机系统结构）<!-if!supportLists->?<!-endif->指令集结构设计（程序员可见

10、的指令集，软硬件界面）<!-if!supportLists->?<!-endif->组成设计（存储系统，总线结构,CPU内部设计）<!-if!supportLists->?<!-endif->硬件设计（详细逻辑设计，IC设计,封装，电源，冷却）软硬件功能分配<!-if!supportLists->?<!-endif->软件实现<!-if!supportLists->?<!-endif->优点：<!-if!supportLists->?<!-endif->低成本<!-if

11、!supportLists->?<!-endif->可改性好、适用性强<!-if!supportLists->?<!-endif->设计周期短、升级提高较简单<!-if!supportLists->?<!-endif->好的软件算法比差的硬件实现的算法来的快<!-if!supportLists->?<!-endif->缺点：<!-if!supportLists->?<!-endif->执行速度慢：是以牺牲时间来实现其功能的<!-if!supportLists->?<

12、;!-endif->存储费用、软件设计费用增加<!-if!supportLists->?<!-endif->编译重要性：软件的算法变得越来越重要<!-if!supportLists->?<!-endif->硬件实现？基本功能一般用硬件直接实现<!-if!supportLists->?<!-endif->优点：速度快、性能高<!-if!supportLists->?<!-endif->缺点：成本高，设计周期长（工艺）<!-if!supportLists->?<!-endif-&

13、gt;直接实现一一用硬件或指令直接支持<!-if!supportLists->?<!-endif->价格性能比好的给与直接实现<!-if!supportLists->?<!-endif->现代技术能实现的给与直接实现<!-if!supportLists->?<!-endif->计算机实现必需的给与直接实现<!-if!supportLists->?欢迎阅读<!-endif->使用概率高的给与直接实现<!-if!supportLists->?<!-endif->间接实现一一用软件

14、或编译间接支持<!-if!supportLists->?<!-endif->成本太高的将其分解，间接实现<!-if!supportLists->?<!-endif->技术上达不到的将其分解间接实现<!-if!supportLists->?<!-endif->使用概率低的将其分解间接实现计算机系统设计的主要方法<!-if!supportLists->?<!-endif->Buttom-up(由下到上)<!-if!supportLists->?<!-endif->Top-down

15、(由上到下)<!-if!supportLists->?<!-endif->Middle-out(软件设计与硬件设计同时进行)常用性能指标MIPS-百万条指令数/秒、MFLOPS-百万个浮点操作/秒响应时间(elapsedtime)-计算机系统完成某一任务(程序)的时间，包括磁盘访问，存储器访问，输入/输出以及OS开销的时间。CPUtime-CPU性能正确评价性能的两个关键问题：如何选择测试程序如何对测量的数据进行统计分析最好的测试程序：实际工作负载如何模拟用户环境：主体：CPU存贮器空间、I/O和软件客体：处理对象、事件环境根据使用环境设计、选择测试程序一一基准程序实际

16、测试模拟测试仿真测试局部测试计算机的定量设计原则<!-if!supportLists->?<!-endif->高频事件高速处理(MakeTheCommonCaseFast)<!-if!supportLists->?<!-endif->Amdahl定律<!-if!supportLists->?<!-endif->CPU性能计算公式<!-if!supportLists->?<!-endif->局部性原理提高高频事件的执行速度,有助于提高整体性能<!-if!supportLists->?<

17、;!-endif->高频事件往往是简单事件，更易于提高速度<!-if!supportLists->?<!-endif->例1.?常用指令用硬件实现，复杂指令用软件实现<!-if!supportLists->?<!-endif->高频事件尽量高速？?？低频事件保证正确Amdahl定律：计算机性能的改善程度受其采用的快速部件(被提高性能的部件)在原任务中使用所占的时间百分比的限制。Amdahl定律的作用机器性能提高有一极限值：1/1-F，在F不变时，无限制地提高某一部件的性能无助于提高整机性能；从成本上看，反而会得不偿失。指明了设计原则：按各部

18、分所占的时间比例来分配资源。指出了两种改进设计提高性能的方法：提高S,即优先考虑高频事件，使之尽量快速实现减小(1-F)，进一步提高高频事件的使用频度给出了定量比较不同设计方案的方法局部性原理90/10局部性规则90%勺运行时间是花费在执行10%勺指令上代码的局部性特征更明显时间局部性若某一数据被引用，则不久以后它可能被再次引用空间局部性若某一数据被引用，则它附近的数据不久也将被引用CPU生能计算公式CPU生能依赖于三个参量:IC,CPI,CC;CPI：平均指令执行时钟周期数CC时钟周期IC:程序动态执行的指令条数改变这三个参数的途径CC-硬件和组成技术CPI-组成和指令集系统结构IC-指令集

19、系统结构和编译技术CPUtime=IC*CPI*CC?=?第二章指令系统指令系统是软件和硬件分界面的一个主要标志数据类型：?(1)数据表示：面向硬件、指令系统?(2)数据结构：面向软件、应用领域数据表示指的是能由机器硬件直接识别和引用的数据类型确定哪些数据类型用数据表示来实现的原则主要有：?(1)缩短程序的运行时间?(2)减少CPU与主存储器之间的通信量?(3)这种数据表示的通用性?浮点数据表示规格化后：数的最高数位为1的原浮点数浮点数表示方法要研究的核心内容是：数据字长与这种数据表示方式的表数范围、表数精度和表数效率之间的关系rm?尾数的基，q：?阶码长度，p：?尾数长度浮点数尾数基值的选择

20、欢迎阅读<!-if!supportLists->?<!-endif->结论：在浮点数字长确定之后，尾数基值(rm)取2或4具有最高的表数精度和最大的表数范围采用隐藏位表数方法：因为格式化浮点数尾数最咼位一定与尾数符号位相反，因此可以隐藏一位。<!-if!supportLists->?<!-endif->尾数基值(rm)取2,采用隐藏位表数方法，是最佳的浮点数表示方法。具有最高的表数精度、最大的表数范围、表数效率最高。原码、反码、补码：计算机储存有符号的整数时，是用该整数的补码进行储存的，0的原码、补码都是0,正数的原码、补码可以特殊理解为相同，负

21、数的补码是它的反码加1补码的设计目的是：使符号位能与有效值部分一起参加运算，从而简化运算规则使减法运算转换为加法运算，进一步简化计算机中运算器的线路设计数据表示：带标志符的数据表示自定义数据表示数据描述符用于表示多维或结构比较复杂的数据数据描述符与标志符的主要区别：标志符通常只作用于一个数据，而数据描述符要作用于一组数据标志符通常与数值一起存放在同一个数据单元中；而数据描述符一般单独存放，独立占据一个存储单元寻址技术寻址技术的主要研究内容：编址方式、寻址方式、定位方式寻址技术研究的对象主要有：寄存器、主存储器、堆栈、输入输出设备在分析各种寻址技术优缺点的基础上，如何选择和确定米用哪种寻址技术编

22、址单位包含的信息量就是指每个房间有几位。<!-if!supportLists->?<!-endif->字编址:实现起来最容易的一种编址方式<!-if!supportLists->?<!-endif->字节编址：适应非数值计算的需要，可从任意位置开始访问优点：不浪费存储器资源，缺点：可能需要二个存储周期。从一个存储字的起始位置开始访问优点：一个存储周期完成缺点：浪费存储器资源，从地址的整倍数位置开始访问位编址：是一种很有应用前景的编址方式需要编址的设备有：通用寄存器、主存储器、输入输出设备<!-if!supportLists->?<

23、;!-endif->编址方式有：?(1)三个零地址空间：通用寄存器、主存储器、输入输出设备分别进行编址?(2)两个零地址空间：通用寄存器独立编址，主存储器和输入输出设备统一编址?(3)个零地址空间：通用寄存器、主存储器、输入输出设备统一编址?(4)隐含编址方式：没有零地址空间(堆栈计算机)并行存储器的编址技术<!-if!supportLists->?<!-endif->当一个主存储器由多个完全独立的存储模块组成时两种方法：?(1)地址码高位交叉编址目的：扩大存储器容量?(2)地址码低位交叉编址(实际上是一种采用流水线方式工作的并行存储器)目的：提高存储器速度寻址方

24、式：寻找操作数及数据存放单元的方法称为寻址方式。<!-if!supportLists->?<!-endif->立即数寻址方式？?？<!-if!supportLists->?<!-endif->寄存器寻址方式VLIWVeryLongInstructionWord(超长指令字)<!-if!supportLists->?<!-endif->主存寻址方式?(1)直接寻址方式?(2)间接寻址方式?(3)变址寻址方式?(4)相对寻址方式?(5)基址寻址方式采用变址寻址方式编程优于间接寻址方式编程<!-if!supportList

25、s->?<!-endif->间接寻址方式与变址寻址方式的区别：?(1)间接寻址方式：间接地址在主存储器中,没有偏移量?(2)变址寻址方式：基地址在变址寄存器中,带有偏移量<!-if!supportLists->?<!-endif->间接寻址方式与变址寻址方式的优缺点：?(1)实现的难易程度?间接寻址：易?变址寻址：难?(2)指令的执行速度?间接寻址：慢?变址寻址：快?(3)对数组运算的支持?间接寻址：差?变址寻址：好注意：变址寻址方式中的偏移量是带符号的，自动变址，前变址与后变址定位方式?将指令和数据中的逻辑地址(相对地址)转换成主存储器的物理地址(绝

26、对地址)的过程，称为程序的定位。根据程序中指令和数据的主存物理地址的确定时间，定位方式分为三种：直接定位、静态定位、动态定位源程序：(名称空间)符号指令、数据说明、输入输出说明目的程序：(逻辑地址空间)欢迎阅读主存储器：（主存物理空间）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。采用直接定位方式的前提条件是：程序员在编写程序时，或编译程序在对原程序进行编译时，就已经确切知道该程序应该占用的主存物理空间，因此，他们可以直接使用实际的主存物理地址来编写或编译程序。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。

27、静态定位方式要求程序在运行之前，在装入主存储器的过程中集中一次完成地址变换，把那些带有标识的指令或数据中的逻辑地址全部变换成主存储器的物理地址。静态定位方式允许程序每次运行时装入到不同的主存物理空间中。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。动态定位方式必须有硬件支持，它采用与变址寻址方式相同的方法，把程序的逻辑地址转换为主存的物理地址。指令=操作码（OPC）+地址码（A）操作码的表示方法通常有三种：?（1）固定长度操作码?（2）Huffman编码法?（3）扩展编码法复杂指令系统（CISC）1、20%与80%®律&l

28、t;!-if!supportLists->?<!-endif->20%的指令使用频率比较高，占据了80%的处理机时间2、VLSI技术（超大规模集成技术）的发展引起的问题软硬件的功能分配问题<!-if!supportLists->?<!-endif->为了实现复杂的指令，不仅增加了硬件的复杂程度，而且使指令的执行周期大大加长减少指令平均执行周期数是RISC思想的精华RISC的关键技术1、延时转移技术（一定不能改变原来程序的数据相关关系）<!-if!supportLists->?<!-endif->转移指令好象被延迟执行了，称为延时

29、（迟）转移技术；<!-if!supportLists->?<!-endif->指令序列的调整由编译器自动进行；<!-if!supportLists->?<!-endif->调整指令序列时一定不能改变原来程序的数据相关关系。2、指令取消技术<!-if!supportLists->?<!-endif->在许多情况下找不到可以用来调整的指令，此时采用指令取消技术3、重叠寄存器窗口技术<!-if!supportLists->?<!-endif->重叠寄存器窗口技术的基本思想：在处理机中设置一个数量比较大的寄

30、存器堆，并把它划分成很多个窗口。4、指令流调整技术<!-if!supportLists->?<!-endif->优化编译器必须分析程序的数据流和控制流。当发现指令流有断流可能时，要调整指令序列。存储器的性能：速度、容量、价格?存储系统对应用程序员是透明的，并且，从应用程序员看它是一个存储器，这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大的那个存储器相等或接近，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。二种存储系统：?（1）Cache和主存储器构成的Cache存储系统对应用程序员和系统程序员都是透明的?（2）主存储器和磁盘存储器构成的虚拟存储系统对应用程序员是透

31、明的，对系统程序员是不透明的虚拟存储器（页式，段式，段页式）<!-if!supportLists->?<!-endif->地址映像：把虚拟地址空间映像到主存地址空间，即将用户用虚拟地址编写的程序按照某种规则装入到主存储器中<!-if!supportLists->?<!-endif->地址变换：在程序被装入主存储器后，在实际运行时，把多用户虚地址变换成主存实地址（内部地址变换）或磁盘存储器地址（外部地址变换）段式存储器的优点1、程序的摸块化性能好2、便于数据程序共享3、程序的动态的连接，调度4、便于实现信息保护段式存储器的缺点1、地址变换所花的时间

32、长2、主存储器的利用率低3、对辅存的管理比较困难页式存储器的优点1、主存储器的利用率比较咼2、页表相对比较简单3、地址印象和变化速度比较快4、对辅存的管理比较容易页式存储器的缺点1、程序的摸块性能不好2、页表很长，占用空间大目录表压缩页表的存储容量，用一个容量比较小的高速存储器来存放页表，从而加快页表的查表速度慢表是一个全表，快表只是慢表的一个部分副本，而且只存放了慢表中很少的一部分，慢表（按地址访问）、快表（按内容相联访问）欢迎阅读第三章输入输出系统输入输出系统包括：输入输出设备、输入输出接口、输入输出软件存储设备的接口有五大类：IDE(电子集成驱动器)、SCSI(小型计算机系统接口)、US

33、B，并行口，串口即插即用技术(PNP是Plug-and-Play(即插即用)的缩写。它的作用是自动配置(低层)计算机中的板卡和其他设备，然后告诉对应的设备都做了什么。PNP的任务是把物理设备和软件(设备驱动程序)相配合，并操作设备，在每个设备和它的驱动程序之间建立通信信道。换种说法，PNP分配下列资源给设备和硬件：I/O地址、IRQ、DMA通道和内存段。操作系统向应用程序提供统一的操纵设备的方法，应用程序只需要按套路调用操作系统提供的功能即可，无须关心实际的设备是什么，这就是与设备无关性输入输出系统的组织方式<!-if!supportLists->?<!-endif->

34、采用自治控制的方法<!-if!supportLists->?<!-endif->采用层次结构的方法<!-if!supportLists->?<!-endif->采用分类处理的方法自治控制实际上也就是把外围设备所要完成的功能分散开来，即把设备的输入输出功能最大限度地从处理机中分离出来，由专门的设备控制器通过它自省的硬件和软件去完成，从而使处理机能够摆脱繁重的输入输出任务层次结构<!-if!supportLists->?<!-endif->最咼层:采用标准的控制功能，如输入输出处理机、输入输出通道<!-if!suppor

35、tLists->?<!-endif->中间层:是标准接口<!-if!supportLists->?<!-endif->最外层:外围设备通过设备控制器与标准接口连接按照工作速度进行分类，可以分为面向字符的设备和面向数据块的设备常用的基本输入输出方式有三种：(1)程序控制输入输出方式(2)中断输入输出方式(3)直接存储器访问(DMA方式DMA方式的种类：(1) 、周期窃取方式：主存储器可以不与外围设备直接连接，而只与CPU连接。优点是硬件结构简单，比较容易实现；缺点是在数据输入输出过程中实际上占用了CPU勺时间。(2) 直接存取方式：是一种真正的DMA方式

36、，目前的多数计算机均采用直接存取方式工作。(3) 数据块传送方式，在设备控制器中设置一个比较大的数据缓冲存储器，与设备介质之间的数据交换在数据缓冲存储器中进行。数据块传送方式实际上并不是DMA方式。中断源是引起中断的各种事件，中断源可以来自系统外部，也可以来自机器内部，甚至处理机本身，中断可以是硬件引起的，也可以是软件引起的两大类：(1) 可屏蔽中断，一般中断(2) 不可屏蔽中断，异常中断异常中断(exceptioninterrupt):(1) 自陷(trap)中断(2) 故障(fault)中断(3) 失效(abort)中断中断屏蔽的实现方法有两种：(1) 、每个或每级中断源设置一个中断屏蔽位

37、的方法(2) 、改变处理机优先级方法中断现场的保存和恢复(PC和PSW通道：一个独立于CPU的专门I/O控制的处理机，控制设备与内存直接进行数据交换。它有自己的通道命令，可由CPL执行相应指令来启动通道，并在操作结束时向CPU发出中断信号。通道指令的格式一般由：操作码，记数段，内存地址段，结束标志组成。一个系统中可设立三种类型的通道：字节多路通道、数组多路通道、选择通道。输入输出处理机的功能可归纳为下述几点：(1)完成通道处理机的全部功能，完成数据的传送。(2)数据的码制转换。如十进制与二进制之间的转换，ASCII码与BCD码之间的转换。3)数据传送的校验和校正。各种外设都有比较复杂而有效的校

38、验方法，必须通过执行程序予以实现。(4)故障处理及系统诊断。负责处理外设及通道处理机以及各种I/O控制器出现的故障。通过定时运行诊断程序，诊断外设及I/O处理机的工作状态，并予以显示。(5)文件管理。文件管理，设备管理是操作系统的工作，此部分可以由I/O处理机承担其中的大部分任务。(6)人机对话处理，网络及远程终端的处理工作。第四章重叠、流水和向量处理机标量(scalar):一个完全由其大小决定而没有方向的数量，如质量、长度等向量(vector):完全由大小和方向确定的量，如速度等.在数学中，向量常用形如A(x1,x2,x3)的形式来表示。在标量处理机中，一次处理中涉及的是标量，如处理上向量A

39、的分量x1。而在向量处理机中，是将A作为整体来处理,即并行处理x1、x2、x3。而在标量处理机中只能分开依次串行处理。可见向量处理机一次处理的往往是一组数据(向量只有标量数据表示和标量指令系统的处理机称为标量处理机。标量处理机是一种最通用，也是使用最普遍的处理机。超标量处理机通过设置多套“取指令”、“译码”、“执行”和“写回结果”等指令执行部件，能够在一个时钟周期内同时发射多条指令,同时执行并完成多条指令；而超流水线处理机则采用把“取指令”、“译码”、“执行”和“写回结果”等流水段进一步细分，把一个流水段细分为几个流水级,或者说把一个时钟周期细分为多个流水线周期，由于每一个流水线周期可以发射一

40、条指令,因此，每一个时钟周期就能够发射并执行完成多条指令。超标量处理机主要开发空间并行性，依靠多个操作在重复设置的操作部件上同时执行来提高程序的执行速度。相反,超流水线处理机则主要开发时间并行性，在同一个操作部件上重叠多个操作，通过使用较快时钟周期的深度流水线来加快程序的执行速度。设计处理机的基本任务之一是要缩短解释指令的时间，即提高处理机指令执行的速度。通常提高指令执行速度的途径有如下三种：1提高处理机的工作主频。2、采用更好的算法和设计更好的功能部件3、多条指令并行执行，称为指令级并行技术指令级并行技术又有三种基本方法第一种是采用流水线技术，称为流水线处理机或超流水线处理机(superpl

41、pelining)。第二种是在一个处理机中设置多个独立的功能部件，例如，在一个处理机中设置独立的定点算术逻辑部件、浮点加法部件、乘除法部件、访问存储器部件、分支操作部件等，称为多操作部件处理机或超标量处理机(superscalar)。也可以把超流水线技术与超标量技术结合起来，称为超标量超流水线处理机。第三种是超长指令字(verylonginstructionword，VLIW)技术，在一条指令中设置有多个独立的操作字段，每个字段可以分别独立地控制各个功能部件并行工作。采用二次重叠执行方式，在处理机中同时有三条指令分别在取指令、分析相执行。要指令能够正确地重叠执行，必须解决如下两个问题：第一，为

42、了实现取指令、分析指令和执行指令同时进行，需要有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件因此，要把顺序执行方式中的一个集中的指令控制器，分解或三个相对独立的控制器，它们是：存储控制器，简称存控；指令控制罪，简称指控；运算控制器，简称运控。第二，要解决访问主存储器的冲突问题。例如，取指令时要访冋主存储器，分析指令时可能要取操作数，执行指令时可能要向上存储器写运算结果。在一般机起中，指令和数据是混合存放在同一个主存储器中的；而且，在一个存储器周期中只能访问一个存储单兀，这种常规的主存储器体系结构无法实现指令的重叠执行。通常,有以下三种方法可以解决这个问题；1. 把上存储器分成两个独立编址的存储

43、器，一个专门存放指令，称为指令存储器.另一个专门存放操作数，称为数据存储器。两个存储器可以同时独立访问；2指令和数据仍然混合存放在同一个主存储器内，采用低位交存取方式.在一个存储器周期中可以访问多个存储单元。如果处理机同时执行的取指令和读操作数所访问的不是同一个存储体，则可以实现指令重叠执行。如果正好访问同一个存储体，则指令无法重叠执行。这种方法不能从根奉上解决访问存储器的冲突问题。3解决访问存储器冲突的根本办法是采用先行控制技术。？?？1.先行控制技术(look-ahead)先行控制技术的关键是缓冲和预处理技术。指令的执行过程可以被分解为相互独立的几个阶段(取指令，分析指令，执行指令)，采用

44、重叠执行方式，使每个功能段相对独立地运行，就能提高运行速度。为了平衡各功能段之间的由于速度不确定带来的速度差异，在各功能段之间设置了缓冲栈(先行指令缓冲栈，先行操作栈，先行读数栈，后行写数栈)。此外，使用了不同的预处理技术来解决数据相关和控制相关带来的停顿问题。流水线方式是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程可以和其他的子过程同时进行，即所谓的时间并行性流水线有以下的特征：为了提高流水线的效率,应该尽可能的为流水线提供连续的任务；流水线由很多相联的功能段组成，为了平衡功能段之间的速度差，功能段之间需要设置缓冲寄存器；流水线中每个功能段的时间应该尽量相等,以免形成“瓶颈”，否则应该对功

45、能段再划分或者采用多个功能部件;流水线需要装入和排空时间，只有在流水线完全充满时，它才能充分发挥效率。?根据不同的角度，流水线可以被划分成以下的类别：线性流水线，非线性流水线；指令流水线，运算操作流水线，宏流水线；单功能流水线，多功能流水线；静态流水线，动态流水线等。超标量处理机、超流水线处理机、超标量超流水线处理机?超标量处理机是通过重复设置多个功能部件，并且让这些功能部件同时工作来提高指令的执行速度，实际上是以增加硬件资源为代价来换取处理机性能的;而超流水线处理机只需要增加少量硬件，是通过各部分硬件的充分重叠工作来来提高处理机性能的。从流水线的时空图上看，超标量处理机采用的是空间并行性，而

46、超流水线处理机采用的是时间并行性。超标量超流水线处理机是前面二者的结合。单发射、多发射及多流水线调度?单发射处理机的设计目标是每个时钟周期平均执行一条指令，即它的指令级并行度ILP的期望值1。多发射处理机在一个基本时钟周期内同时读出多条指令，同时对多条指令进行译码，即有多条指令流水线在同时工作。?在多发射处理机中，根据指令发射顺序和完成顺序的不同组合，多流水线的调度主要有顺序发射顺序完成，顺序发射乱序完成和乱序发射乱序完成等三种方法。机群（cluster）系统是互相连接的多个独立计算机的集合，这些计算机可以是单机或多处理器系统（PC、工作站或SMP），每个结点都有自己的存储器、I/O设备和操作

47、系统。机群对用户和应用来说是一个单一的系统，它可以提供低价高效的高性能环境和快速可靠的服务。机群系统包括下列组件：高性能的计算结点机（PC、工作站或SMP）。具有较强网络功能的微内核操作系统。高效的网络/交换机（如千兆位以太网和Myrinet）。网卡（NICs）。快速传输协议和服务。中间件层，其中包括某些支持硬件，如数字存储通道、硬件分布共享存储器及SMP技术；应用，如系统管理工具和电子表格；运行系统，如软件分布共享存储器和并行文件系统；资源管理和调度软件等。并行程序设计环境与工具，如编译器、语言环境、并行虚拟机（PVM）和消息传递接口（MPI）等。应用，包括串行和并行应用程序。狭义多处理机系

48、统的作用是利用系统内的多个CPU来并行执行用户的几个程序，以提高系统的吞吐量或用来进行冗余操作以提高系统的可靠性。多个处理机（器）在物理位置上处于同一机壳中，有一个单一的系统物理地址空间和每一个处理机均可访问系统内的所有存储器是它的特点。（Cache一致性）SIMD计算机，亦称并行处理机、阵列处理机（单一控制部件控制下的多个处理单元构成的阵列）SIMD计算机的抽象模型：在同一个控制部件管理下，有多个处理单元，所以处理单元均收到从控制部件广播来的同一条指令，但操作对象是不同的数据向量处理机和SIMD计算机都能对大量数据进行向量处理计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。硬件是指组成计算机的各种

49、物理设备，也就是我们在“认识计算机”中所介绍的那些看得见，摸得着的实际物理设备。它包括计算机的主机和外部设备。具体由五大功能部件组成，即：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。1. 运算器运算器又称算术逻辑单元（ArithmeticLogicUnit简称ALU。它是计算机对数据进行加工处理的部件，包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或、比较等）。2. 控制器控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码；根据指令的要求，按时间的先后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地工作，一步一步地完成各种操作。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计数器、操作控

50、制器等组成。硬件系统的核心是中央处理器（CentralProcessingUnit,简称CPU）。它主要由控制器、运算器等组成，并采用大规模集成电路工艺制成的芯片，又称微处理器芯片。CPU是决定计算机速度的决定性因素，衡量CPU的速度是通过它的时钟频率，也称主频，常用单位有“MHz”和“GHz”。时钟频率越大,计算机速度就越快。3. 存储器存储器是计算机记忆或暂存数据的部件。计算机中的全部信息，包括原始的输入数据。经过初步加工的中间数据以及最后处理完成的有用信息都存放在存储器中。而且，指挥计算机运行的各种程序，即规定对输入数据如何进行加工处理的一系列指令也都存放在存储器中。存储器分为内存储器（

51、内存）和外存储器（外存）两种。计算机的存储器由两部分组成一一内存储器和外存储器。内存储器最突出的特点是存取速度快，但是容量小、价格贵；外存储器的特点是容量大、价格低，但是存取速度慢。内存储器用于存放那些立即要用的程序和数据；外存储器用于存放暂时不用的程序和数据。内存储器和外存储器之间常常频繁地交换信息。需要指出的是外存储器也属于输入输出设备，它只能与内存储器交换信息，不能被计算机系统的其它部件直接访问。内存储器分为：RAM随机存储器和ROM只读存储器。随机存储器软件是组成计算机系统的重要部分。计算机软欢迎阅读(RAM-RandomAccessMemory):储存的信息可以读出，也可以写入，断电

52、后存储的信息会丢失。随机储存器RAM在物理硬件上又叫“内存条”。常见的外存储器主要有：硬盘、软盘、光盘、指盘(闪存)和磁带等。在计算机的内存容量单位里，1个二进制的位是bit，8个二进制位称为一个字节B(Byte)字节是计量内存容量的基本单位，其它的单位还有KB,MB，GB，TB，它们的转换公式如下：字节1B=8bit千字节1KB=1024B兆字节1MB=1024KB=1024X1024B吉字节1GB=1024MB=1024X1024KB太字节1TB=1024GB=1024X1024MB内存的容量直接影响计算机的性能，PC系列机的内存容量由早期的640KB发展到1MB、4MB、8MB、16MB

53、、32MB、64MB、128MB和256MB，有的甚至超过1GB或更大。4. 输入设备输入设备是给计算机输入信息的设备。它是重要的人机接口，负责将输入的信息(包括数据和指令)转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器保存。常见输入设备：键盘、鼠标、手写笔、麦克风、扫描仪、磁盘驱动器、触摸屏、数码相机、条形码阅读器等；主要作用：向计算机系统输入数据。5. 输出设备输出设备是输出计算机处理结果的设备。在大多数情况下，它将这些结果转换成便于人们识别的形式。常见输入设备：显示器、打印机、投影仪、绘图仪、刻字机、音箱、磁盘驱动器等；主要作用：是计算机向人们提供数据、信息。件系统包括系统软件和应用软件两大

54、类。1. 系统软件系统软件是指控制和协调计算机及其外部设备，支持应用软件的开发和运行的软件。其主要的功能是进行调度、监控和维护系统等等。系统软件是用户和裸机的接口，主要包括：(1)、操作系统软件,如DOS、WINDOWS98、WINDOWSNT、Linux、Netware、WINXP等(2)、各种语言的处理程序，如低级语言、高级语言、编译程序、解释程序、各种服务性程序，如机器的调试、故障检查和诊断程序、杀毒程(4) 、各种数据库管理系统，如SQLSever、Oracle、Informix、Foxpro等操作系统(OperatingSystem)是最基本最重要的系统软件。它负责管理计算机系统的各

55、种硬件资源(例如CPU、内存空间、磁盘空间、外部设备等)，并且负责解释用户对机器的管理命令，使它转换为机器实际的操作。女口:DOS、WINDOWS、UNIX等。2. 应用软件应用软件是用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。应用软件主要有以下几种：(1) 、用于科学计算方面的数学计算软件包、统计软件包(2) 、文字处理软件包(如WPS、WORD、Office2000)欢迎阅读(3) 、图像处理软件包(如Photoshop、动画处理软件3DSMAX)(4) 、各种财务管理软件、税务管理软件、工业控制软件、辅助教育等专用软件。第一章1、翻译和解释的区别和联系？区别：翻译是整个程序转换，解释是低级机器的一串语句仿真高级机器的一条语句。联系：都是高级机器程序在低级机器上执行的必须步骤。2、为什么将计算机系统看成是多级机器构成的层次结构？可以调整软、硬件比例；可以用真正的实处理机代替虚拟机器；可以在1台宿主机上仿真另一台。3、计算机系统结构用软件实现和硬件实现各自的优缺点？硬件优点：速度快，节省存储时间；缺点：成本高，利用率低，降低灵活性、适用性。软件优点：成本低