21世紀高等院校計算機科學與技術規劃教材

計算機系統結構

劉超主編

ISBN7-5084-3224-X

第一章計算機系統結構的基本概念

第一節計算機系統的層次結構

一、為什么就有層次結構性----軟件與硬件組成、軟件與硬件在邏輯功能實現上是等效的二、虛擬計算機計算機只對某一層次的觀察者存在，通過該層次的廣義語言來體現它的功能，并為廣義語言提供翻譯手段，作用于信息處理和控制對象上，并從對象上獲得必要的狀態信息，這就是虛擬計算機。簡言之，由軟件實現的機器即為虛擬計算機。

三、層次結構的劃分硬聯邏輯、微程序控制、機器語言機器、操作系統機器、匯編語言機器、高級語言機器、應用程序機器

四、透明性是指在計算機技術中，一種本來存在的事物或特性，但從某種角度看似乎不存在。

第二節計算機系統結構、組成與實現

一、三者的區別二、計算機系統結構的定義與研究的問題

第三節軟硬件取舍與計算機系統設計思想一、軟硬件實現邏輯功能的特點

二、計算機系統設計的思想三、計算機系統設計的方法第四節軟件的可移植性

一、軟件移植的概念與方法二、計算機系統結構的特性----系列性（系統結構相同）、模擬與仿真性、層次結構性、等級性第六節計算機系統結構中并行性的發展與分類一、并行性的概念及其分類并行性是指問題中具有可以同時進行運算或操作的特性。并行性包括同時性和并發性兩層含義。

二、并行性開發的技術途徑

三、計算機系統結構中并行性的發展----單機系統與多機系統（該課程主要是單機系統）四、多機系統及其耦合度（低、松散與緊密）

多計算機系統與多處理機系統

是用來反映多機系統中各機器之間物理連接的緊密程度和交互作用能力的強弱的概念。

五、多計算機系統與多處理機系統的區別體現在操作系統、存儲器、信息交換和并行性的級別等四方面。最主要的是操作系統。六、多處理機系統的類型異構型、同構型、分布處理

七、計算機系統結構的分類（根據并行性）八、改善計算機系統結構的根本是提高其并行處理能力，并行處理技術是計算機系統結構的關鍵技術第一節數據表示一、數據類型及其分類（屬性相同、原子與復合）二、數據表示與數據結構：硬件、關系三、引入數據表示的基本原則

四、自定義數據表示：標志符、數據描述符

五、浮點數尾數基值的選擇（原則范圍大、精度高）第三節指令格式的優化選擇一、指令格式的要求：編碼短、規整二、操作碼的優化（定長碼、Huffman、擴展碼，基本思想）第二章數據表示與指令格式的優選技術第四、五節CISC與RISC

一、CISC指令系統的設計

二、RISC的提出

三、RISC設計的基本原則與基本技術第三章總線和I/0系統優選技術第一節輸入輸出系統的基本概念第二節總線的設計一、總線的類型二、數據寬度是指兩次分配總線期間經過數據總線所傳送的數據總量。

第一節存儲系統與并行存儲器一、存儲系統的概念及其發展的必要性是指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或軟件或硬件與軟件相結合的方法有機地連接起來的一個集合，并具有速度高、容量大、價格低的特性。

二、存儲系統實現的基礎及其層次結構三、Cache存儲系統與虛擬存儲系統四、并行存儲器及其類型（相聯存儲器、對頻帶的作用）

第四章存儲組織技術第三節高速緩沖存儲系統一、Cache存儲系統的基本原理二、地址映象與地址變換(塊沖突的問題)

三、替換算法

四、Cache的一致性

Cache主存儲器塊0塊1…塊i…塊Mb-1

塊0塊1…塊Cb-1

全相聯地址映像方式主存塊號B塊內地址w

Cache塊號b塊內地址w

… … …

B b 1

主存塊號B Cache塊號b 有效位命中

Cache地址目錄表

共有Cb個字

主存地址

全相聯地址變換塊0

塊1…

塊Cb-1

塊0

塊1…

塊Cb-1

塊Cb

塊Cb+1…

塊2Cb-1…

塊Mb-CbMb-Cb+1…

塊Mb-1Cache直接相聯地址映像方式主存儲器b=B

modCb

Cache塊號b塊內地址w比較

E1

區號E（按地址訪問）有效位

區號E主存區內塊號B塊內地址W

Cache地址主存地址不相等失效相等命中訪問Cache區表存儲器

直接相聯地址變換塊0…塊Gb-1塊Gb…塊2Gb-1……塊CgGb-Gb…塊CgGb-1塊0…塊Gb-1塊Gb…塊2Gb-1……塊CgGb-Gb…塊CgGb-1……塊CgGb(Me-1)…CgGb(Me-1)+Gb-1塊CgGb(Me-1)+Gb…CgGb(Me-1)+2Gb-1……塊CgGbMe-Gb…塊CgGbMe-1組0組1區0

區Me-1

組Cg-1組Cg(Me-1)組Cg(Me-1)+1組CgMe-1組0組1組Cg-1Cache

組相聯地址映像方式區號E區內組號G主存組內塊號B塊內地址W組號g組內塊號b塊內地址w

Cg·Gb個塊

區號E，主存組內塊號B組內塊號b比較主存地址

Cache地址相等命中不等訪主存塊表

組相聯映像的地址變換第一節重疊方式一、順序方式二、重疊方式第二節流水方式一、流水線的基本概念（分類、表示方法、特點）指把一個重復的過程分解為若干個子過程，一個過程的子過程可以與其他過程的不同的子過程并行進行，實現不同過程在時間上重疊進行的工作方式。

單功能與多功能（靜態與動態）

二、性能分析（吞吐率、加速比、效率及其關系）第五章重疊、流水與向量處理機

E=TP×△t，E=S/K（△t和K分別為流水線功能段的執行時間和段數）。

三、流水線的相關及其處理數據相關（局部）類型控制相關（全局）類型數據相關是指在流水線的機器中，程序中相近的兩條指令要對同一存儲單元進行操作時，應有一定的先后次序，否則會導致數據供求關系上的沖突，引發程序執行錯誤。由于它對程序執行過程影響較小，僅涉及相應指令的前后一條或幾條指令的執行，所以又稱為局部相關。數據相關處理：延遲與設置專用通路（數據重定向）四、非線性流水線的調度

非線性流水線無沖突調度的基本目標是找出具有最小平均啟動距離的啟動循環，其基本步驟如下：（1）根據預約表和禁止表的構成方法得到禁止表F。（2）根據禁止表和初始沖突向量的定義得到初始沖突向量C0。（3）根據初始沖突向量和后繼沖突向量的計算方法得到系列沖突向量——狀態。（4）根據系列狀態和后繼沖突向量的計算過程畫出狀態有向圖。（5）根據狀態有向圖列出調度策略表，并計算出平均啟動距離。（6）從調度策略表找出平均啟動距離最小的調度策略則是最小啟動循環調度策略。特別地，最小啟動循環調度策略可能有幾個，一般取循環數列中數字數最少的調度策略。第三節向量處理機一、向量處理方式橫向處理方式、縱向處理方式和縱橫處理方式。橫向處理方法不適合于向量流水處理。

二、向量處理機及其結構類型

具有向量數據表示和采用流水線技術實現對向量各分量并行處理的機器。向量處理機的基本結構有存儲器—存儲器結構和寄存器—寄存器結構兩種。第四節指令級高度并行的處理機一、指令級并行度的概念：是指指令級并行度是指在一個時鐘周期內完成的指令數。

二、指令級高度并行處理機類型三、指令級高度并行處理機的性能比較第一節陣列處理機的基本概念一、陣列處理機及其基本結構由一個控制部件同時控制管理多個處理單元，所有處理單元均收到從控制部件廣播來的同一條指令，但是操作的對象卻是不同的數據。(指令操作級的并行)

陣列處理機有共享存儲器和分布式存儲器兩種基本結構。主要差別在于全局地址空間在物理上是集中還是分布在各個處理機上。二、陣列處理機的特點以算法為背景的專用計算機。連接模式是由互連網絡來規定的。采用資源重復技術。異構型多處理機系統。

第六章陣列處理機

第二節互聯網絡一、互聯網絡的基本概念（定義、作用、決定因素）是一種由開關元件按照一定的拓撲結構和控制方式構成的網絡，用來實現計算機系統內部多個處理機或多個功能部件之間的相互連接及信息交換。二、互聯函數及其常用的互聯函數（方體、均勻洗牌、蝶式、加減2I）是指表示互連網絡中輸入輸出端變量（用二進制數來表示）變換關系（一一對應）的數學表達式。方體C(xn-1xn-2…xk+1xkxk-1…x1x0)=xn-1xn-2…xk+1xkxk-1…x1x0均勻洗牌σ(xn-1xn-2…x1x0)=xn-2xn-3…x1x0xn-1蝶式b(xn-1xn-2…x1x0)=x0xn-2…x1xn-1

加減2IPM2+i(X)=X+2imodNPM2-i(X)=X-2imodN0 01 12 23 34 45 56 67 7C0C1C2C3

K0K1K2

ABCDIELKJGFH輸入端輸出端

N=8的STARAN網絡三、多級互聯網絡（STARAN網絡）

級控制信號（f2f1f0）

000001010011100101110111入端號0123456701234

56710325476230167453210765445670123547610326745230176543210執行

交換

函數

功能恒等4組2元4組2元

+

2組4元2組4元2組4元