微處理器結構第1頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月指令系統(tǒng)體系結構可編程存儲系統(tǒng)的組成數據類型和數據結構：編碼和表示指令格式指令（或操作碼）集合對數據項和指令進行尋址和訪問的模式意外情況2023/7/232第2頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月計算機系統(tǒng)結構的定義變化

五十年代~六十年代:計算機算邏設計七十年代~八十年代:指令系統(tǒng)設計,

特別是針對編譯的ISA設計九十年代:CPU設計、存儲系統(tǒng)、 I/O系統(tǒng)、多處理器、網絡等2005--: CPU設計、存儲系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、

多處理器、網絡、SoC等2023/7/233第3頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/234第4頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/235第5頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/236第6頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/237第7頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/238第8頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/239

課程目的及特點目的掌握處理器體系結構設計與實現的基本知識學習計算機工程方法特點深入、具體－－MIPS與微電子專業(yè)緊密結合基礎知識要求計算機原理數字電路C語言第9頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2310計算機系統(tǒng)結構設計基礎及性能和成本數據類型和數據表示及指令系統(tǒng)的設計原理和風格流水技術和超標量技術存儲體系

課程簡介

課程內容第10頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2311計算機的發(fā)展歷史1833年，英國數學家CharlesBabbage設計制造的“analyticalengine”計算機與微處理器的發(fā)展歷史著名詩人拜侖的女兒AdaLovelace曾受雇為這臺機器編寫軟件，她應該是世界上最早的程序員。第11頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2312微處理器的發(fā)展計算機與微處理器的發(fā)展歷史第12頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2313微處理器的發(fā)展計算機與微處理器的發(fā)展歷史第13頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2314微處理器的發(fā)展VonNeumann曾預言整個美國只需要10臺計算機計算機與微處理器的發(fā)展歷史第14頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2315計算機與處理器中的基本概念前言第15頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2316二十世紀信息技術領域最重要的兩項發(fā)明數字式電子計算機(1946.2.14).

計算機開始補充，甚至替代所有其它形式的信息處理工具晶體管(1946)和集成電路(1957).Moore定律:

按每個芯片上的晶體管數量統(tǒng)計，集成電路每年的改進速度為60%。存儲容量遵從上述規(guī)律改進光傳輸線路遵從上述規(guī)律改進電話線遵從上述規(guī)律改進……第16頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2317Moore定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K197019801990200020101965，GordonMoore預測

半導體芯片上的晶體管數目每一年半翻兩番第17頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2318處理器每三年速度翻兩番；在過去15年，性能改進1000倍存儲器DRAM容量：三年速度翻兩番；在過去15年，容量增大1000倍每位成本：每年改進25%磁盤容量：>每1.5年翻一番每位成本：每年改進60%在過去十年，容量增大120倍最新的臺式PC配置處理器頻率：1.5GigaHertz存儲器容量：1.0GigaBytes磁盤容量： 100GigaBytes (0.1TeraBytes)時髦的計量單位：Mega=>Giga,Giga=>Tera計算機技術日新月異第18頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2319

基本概念—1：為什么現在是64位處理器時代？處理器硬件的發(fā)展遵循Moore’sLaw軟件是處理器得以發(fā)展最重要的因數在新的處理器出來之前都要向軟件俯首稱臣！！第19頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2320基本概念—2：軟件二進制：1000-1100-1010-0000匯編程序：AddAB高級語言：A+B編譯器（Compile）鏈接器（Link）操作系統(tǒng)（OS）應用軟件第20頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2321

軟件分類軟件應用軟件系統(tǒng)軟件編譯器操作系統(tǒng)匯編器虛擬存貯器文件系統(tǒng)輸入輸出驅動器Words…gcc…as…………………第21頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2322

計算機的5大組成部分第22頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2323

基本概念-4：體系結構計算機體系結構:硬件組成軟件指令體系結構…ComputerArchitecture:HardwareSoftwareInstructionSetArchitecture…第23頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2324計算機組成和體系結構區(qū)別計算機體系結構是指那些能夠被程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性的結構與功能性，包括指令集、數據類型、存儲器尋址技術、I/O機理等等，大都屬于抽象的屬性。計算機組成是指如何實現計算機體系結構所體現的屬性。例如：一臺機器是否具備乘法指令的功能，這是一個結構的問題，可是實現乘法指令采用什么方式的問題，則是一個組成問題。因此，兩臺機器指令系統(tǒng)相同時，只能認為他們具有相同的結構，其組成方式可以完全不同。第24頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2325計算機組織與系統(tǒng)結構計算機系統(tǒng)結構：計算機系統(tǒng)結構描述從用戶角度看到的計算機。（建筑設計師）指令集寄存器存儲器結構中斷（異常）處理……計算機組成：用戶不可見的處理器內部實現方式（建筑工程師）流水線Cache總線……第25頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2326處理器內部總線MemoryIO軟件工藝

…….計算機性能第26頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2327

計算機的分類巨型機（SuperComputer)大型機（Mainframe)小型機（MiniComputer)工作站（WorkStation)微機（PC）根據中國計算機學會主編的《英漢計算機詞典》的解釋，PC是指“由微處理器芯片裝成的，便于搬動而且不需維護的計算機”。第27頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2328

計算機處理器系統(tǒng)結構通常指體系結構ISA(InstructionSetArchitecture,指令集體系結構，簡稱體系結構)和微體系結構uA（Micro-Architecture）

ISA是處理器由程序員觀察處理器的屬性，也就是處理器的概念結構與功能行為，定義計算機與軟件之間的接口，供操作系統(tǒng)、編譯程序以及匯編程序等的設計者使用

uA是指處理器內部組織中各功能部件的特性、它們之間的互連方式、信息流性質以及管理這些信息流的邏輯與實現

SPARCstation-2和SPARCstation-20的區(qū)別：ISA相同,uA不同第28頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2329通用–高性能Pentiums,Alpha's,SPARC用于支持通用軟件重量級操作系統(tǒng)-UNIX,NT工作站、微機，以及大規(guī)模并行系統(tǒng)嵌入式微處理器和處理器核ARM,486SX,Hitachi,NECV800特定應用程序輕量級（通常要求實時）操作系統(tǒng)支持DSP移動電話、消費類電子(例如，STB、CDplayers)微控制器非常注重成本字長小–

通常為8位是目前使用數量最多的一類微處理器汽車、空調、高級微波爐，...數量增加成本增加微處理器分類第29頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2330處理器技術發(fā)展趨勢

第30頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2331研究微處理器技術不變的主題：

速度(Performance)

面積(Cost)

功耗(Power)

制造(Manufacture)第31頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2332提高速度：流水技術（Pipeline)第32頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2333提高速度：指令并行SuperScaleOut-of-OrderRegisterRenameVLIWCompilermultiprocessormultithreaded第33頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2334Summary：

每位微電子專家或工程師

都要了解計算機的內部機理

第34頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2335計算機體系結構所有的計算機都包含五個部件處理器:(1)數據通路datapath和(2)控制control(3)存儲器Memory(4)輸入設備和(5)輸出設備并非所有的存儲器都平等Cache:快速(昂貴)的存儲器處于接近處理器的地方主存:稍價廉的存儲器--我們可以大量使用輸入輸出(I/O)設備的組織比較雜亂速度差異大:圖形vs.鍵盤需求差異大:速度,標準,成本...等等.第35頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2336計算機系統(tǒng)的設計準則計算機性能計算機成本本章小結第一章計算機系統(tǒng)結構設計基礎目錄第36頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2337一.幾個重要概念1.計算機系統(tǒng)按功能可劃分成多層次結構計算機系統(tǒng)結構的含義第37頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/23382.軟件和硬件兩者在實質上是完全不同的，但他們的功能在邏輯上是等價的。兩者在實現時，將在性能價格比上以及實現難易程度上反映出不等價。3.具有相同功能的計算機系統(tǒng)，他們的軟、硬間的功能分配，可在很寬的范圍內變化，因此軟、硬件的交界面是含糊，沒有明確的界定界線。4.透明性：一種本來存在的有差異的事物或屬性，從某種角度來看似乎不存在，稱為透明性現象。計算機系統(tǒng)結構的含義第38頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2339二.計算機系統(tǒng)結構的外特性，應包括以下幾個方面：1.指令系統(tǒng)2.數據表示3.操作數的尋址方式4.寄存器的構成定義5.中斷機構和例外條件6.存儲體系和管理7.I/O結構，包括I/O設備的連接方式，處理機、存儲器與I/O設備間的數據傳遞方式和格式、傳遞的數據量及傳遞操作結束的表示及出錯指示等。8.機器工作狀態(tài)的定義和切換9.信息保護，包括保護方式及有關的硬件支持等。計算機系統(tǒng)結構的含義第39頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2340三.計算機系統(tǒng)結構的內特性1.定義計算機系統(tǒng)的外特性是由硬件和固件來加以實現，他們本身也是由電路、邏輯門或寄存器傳輸級所組成，但這些組成的描述通常過于詳細，對他們的抽象便成為計算機系統(tǒng)的內特性，也稱為計算機組成，它實際是計算機系統(tǒng)的邏輯實現。計算機系統(tǒng)結構的含義第40頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/23412.計算機系統(tǒng)的內特性所涉及的內容計算機系統(tǒng)的內特性所涉及的內容包括機器級內的數據流和控制流的組成和cpu內部及主存等部件的邏輯設計。3.計算機實現計算機實現是指計算機組成的物理實現。包括：（1）處理機、主存等部件的物理結構（2）器件的集成度和速度的確定（3）器件、模塊、插件、底板的劃分與連結（4）微機組裝及整機裝配技術（5）專用器件的設計及信號傳輸、電源、冷卻方法等計算機系統(tǒng)結構的含義第41頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2342計算機系統(tǒng)結構的含義四.計算機系統(tǒng)的微系統(tǒng)結構——微外特性

1.概念它是由微程序編寫者看到的計算機的外部特性——邏輯結構和功能能力，把它作為一個抽象級，可以定義硬件和固件（微代碼）之間的界面。

第42頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2343計算機系統(tǒng)結構的含義2.計算機內、外特性與微系統(tǒng)結構及寄存器傳輸級之間的關系第43頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2344按“流”分類1.概念

Flynn教授在1966年提出的按指令流和數據流的多倍性概念進行分類的方法。（1）指令流指機器執(zhí)行的指令序列，數據流是指指令流所調用的數據序列（2）多倍性是指在機器中最受限制的部件上的處在同一執(zhí)行階段的可并行執(zhí)行的最多指令或數據個數。計算機系統(tǒng)結構的分類第44頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2345計算機系統(tǒng)結構的分類2.分類（1）單指令流單數據流（SISD）（2）單指令流多數據流（SIMD）（3）多指令流單數據流（MISD）（4）多指令流多數據流（MIMD）第45頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2346計算機系統(tǒng)結構的分類3.Flynn分類法的缺點對于廣泛流行的標量及向量流水計算機應該屬于哪一類系統(tǒng)，不很明確。有的學者認為：流水機歸為SIMD有的學者認為：標量流水機視為SISD類型，而把向量流水視為

SIMD類型第46頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2347計算機系統(tǒng)結構的分類二.馮氏分類法1.概念馮澤云于1972年提出用最大并行度對計算機系統(tǒng)結構進行分類。最大并行度Pm：計算機系統(tǒng)在單位時間內能處理的最大的二進制位數。字寬：在一個字中同時處理的二進制的位數。位片寬：一個位片中能處理的字數。第47頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2348計算機系統(tǒng)結構的分類2.四種不同分類（1）字串位串（第一代計算機發(fā)展初期）（2）字并位串（傳統(tǒng)并行單處理機）（3）字串位并（4）字并位并第48頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2349計算機系統(tǒng)結構的分類三.按“并行級”和“流水線”分類1977年，Handler提出在計算機系統(tǒng)中的三個子系統(tǒng)級別上按并行程度及流水線處理程度進行分類的方法。三個層次為：（1）處理控制器（PCU）（2）算數邏輯部件（ALU）（3）位級電路（BLC）第49頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2350計算機系統(tǒng)的設計準則第50頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2351計算機系統(tǒng)設計的定量原理一.計算機系統(tǒng)設計的定量原理1.只加速使用頻率高的部件（makethecommoncasefast）2.阿姆達爾（Amdahl）定律定義：阿姆達爾定律是指，系統(tǒng)中對某一部件采用某種更快執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進程度，取決于這種執(zhí)行方式被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時間的比例。性能加速比第51頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2352計算機系統(tǒng)設計的定量原理3.程序訪問的局部性規(guī)律（1）定義所謂程序訪問局部性是指程序執(zhí)行中，呈現出頻繁重新使用那些最近已被使用過的數據和指令的規(guī)律。（2）分類程序訪問局部性主要反映在時間和空間局部性兩個方面A）時間局部性是指程序中近期被訪問的信息項很可能馬上被再次訪問B）空間局部性是指那些在訪問地址上相鄰的信息項很可能會被一起訪問。第52頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2353計算機系統(tǒng)設計的定量原理二.計算機系統(tǒng)設計者的主要任務1.滿足用戶功能上的要求以及相應的對價格和性能的要求2.在滿足功能要求基礎上，進行設計的優(yōu)化3.設計應能適應日后發(fā)展趨勢第53頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2354計算機系統(tǒng)設計的定量原理三.軟件的發(fā)展趨勢1.程序所要求的存儲空間增長，大約每年增長1.5-2倍，相應相應要求地址位每年增長0.5-1位2.匯編語言被高級語言所替代，編譯技術將起到更大作用，因此系統(tǒng)結構應能更好的支持編譯要求。第54頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2355計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展一.計算機系統(tǒng)結構的演變1.馮.諾依曼結構存在以下缺點（1）存在兩個主要的瓶頸。一個是物理瓶頸，即在CPU和存儲器之間存在頻繁的信息交換，二是智能瓶頸，即每次只能順序的執(zhí)行一條指令。（2）低級的機器語言和高級的程序設計語言之間存在著巨大的語義差距（3）復雜的數據結構對象無法直接放到一維線性地址空間存儲器中，必須經過地址映射第55頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2356計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展2.改進的馮.諾依曼機特點重要的幾點：（1）采用虛擬存儲器，方便了高級語言編程（2）采用存儲器交叉訪問技術以及無沖突并行存儲器，以加寬存儲器帶寬（3）采用流水技術（4）采用多功能部件第56頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2357計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展3.RISC介紹

RISC技術開創(chuàng)了一種全新的指令系統(tǒng)設計風格，追求平均每個機器周期可處理一條指令，到了80年代中、后期出現了新一代RISC計算機，出現像超標量，超常指令字以及超級流水等機器。第57頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2358簡單指令（RISC):20-80%原則第58頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2359計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展二.軟件、應用和器件對系統(tǒng)結構發(fā)展的影響1.軟件可移植性方法（1）采用模擬和仿真方法模擬方法是指，用軟件方法在一臺現有的計算機上實現另一臺計算機的指令系統(tǒng)仿真方法指，當宿主機本身采用微程序控制時，則對B機指令系統(tǒng)每條指令的解釋執(zhí)行可直接由A機中對應的一段微程序來實現，此時A機稱為宿主機，B機稱為目標機。（2）采用系列機方法(這是一種通過統(tǒng)一的機器語言來實現軟件移植的方法）（3）統(tǒng)一標準的高級語言（應用軟件，且是源程序一級的）第59頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2360計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展2.應用需求對系統(tǒng)結構發(fā)展的影響（1）高的運算速度（2）大的存儲容量（3）大的I/O吞吐率3.器件對系統(tǒng)結構的影響器件是促使計算機系統(tǒng)結構不斷發(fā)展的最活躍因素（TTl——CMOS，工藝改變等）第60頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2361軟件的表示層次第61頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2362為什么要評估性能對于用戶，可以對比不同的產品，從而選擇適合自己的產品對于設計者，可以評價不同的設計、實現方案的優(yōu)劣，找出影響性能的主要因素，從而改進設計對于銷售計算機的商家……第62頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2363性能的定義第63頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2364計算機性能的定義響應時間(ResponseTime):從開始任務到任務結束所需要的時間吞吐率(Throughput):給定時間內所完成的任務量第64頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2365響應時間與吞吐率的關系第65頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2366評估性能

衡量計算機性能（速度）最確切、最可信的標準是時間！我們這里所關心的是CPU時間，即完成特定任務所需的CPU執(zhí)行時間。第66頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2367時鐘周期對于給定的程序：執(zhí)行時間=所需的時鐘周期數x時鐘周期

=所需的時鐘周期數/時鐘頻率設計者經常面臨著時鐘周期數多少與時鐘周期長短的折衷問題。對于指定的處理器體系結構，采用不同的組織，通常減少時鐘周期數的方案會導致時鐘周期加長，反之亦然。第67頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2368時鐘周期對于給定的程序：時鐘周期數=所需的指令數x平均每條指令的時鐘周期數

=不同類型的指令執(zhí)行所需的時鐘周期數不同，例如乘法指令比加法指令所需的周期數多，浮點運算指令比整數運算指令所需的周期數多。平均每條指令的時鐘周數，Cyclesperinstruction簡稱CPI。第68頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2369CPU執(zhí)行時間對于給定的程序：執(zhí)行時間=所需的指令數xCPIx時鐘周期第69頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2370其它不全面的性能度量方式機器代碼大小由于精確度量程序執(zhí)行時間非常困難，人們試圖找到不需測量執(zhí)行時間的性能度量方法，這些方法都只在特定的情況下有意義，并不能全面地、真實地反映計算機的性能。第70頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2371其它不全面的性能度量方式MIPS(millioninstructionspersecond)從表面上看，越快的機器MIPS值越大；MIPS使用起來十分直觀，易理解，但MIPS并不能全面反映性能，有時甚至與真實情況相反！第71頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2372基準程序(benchmark)基準程序(benchmark):是挑選出來專門用于評價計算機性能的程序。好的基準程序應該能涵蓋計算機實際應用中各個主要應用領域的程序的特征，使得測試結果能反映實際應用中的計算機的實際性能。（即：1.覆蓋面廣2.反映實際性能）第72頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2373基準程序(benchmark)第73頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2374基準程序(benchmark)1988年，EETimes與SUN,MIPS,HP,Apollo,DEC聯合成立SPEC,尋找一組標準的程序，輸入數據，度量方法來公正地衡量不同系統(tǒng)的性能。第74頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2375SPEC1989年第一版，10個程序，用一個數值來表示性能（相對于VAX11/780）SPEC92,6個整數，14個浮點程序SPEC95,8個整數，10個浮點程序一般3-5年更新一個版本SPEC2000第75頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2376SPEC1989年第一版第76頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2377性能改進第77頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2378性能改進第78頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2379Amdahl’sLaw（另一種表述）例：假設一個程序在一臺機器上運行需要100秒，其中乘法指令執(zhí)行占80秒，那么，為了使執(zhí)行性能提高到原來的4倍，需要將乘法指令性能改進多少倍呢？如果要使執(zhí)行性能提高到原來的5倍呢？第79頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2380Amdahl’sLaw（另一種表述）Amdahl定律：執(zhí)行時間改進部分執(zhí)行時間改進后=---------------+執(zhí)行時間未改進部分改進比率加速比受程序中沒有改進部分的制約。或者解釋為：總的性能提高取決于所改進部分在整體中所占的比例大小。第80頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2381哈工大微電子中心研制的Lilac500thousandgatesdiearea4x4mm2

329pinsoperatesat133MHz第81頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/2382本章小結在所有的系統(tǒng)結構的特性中，指令系統(tǒng)的外特性是最關鍵的，因此計算機系統(tǒng)結構有時就簡稱為指令集系統(tǒng)結構進行計算機系統(tǒng)設計時，應遵循的定量設計原則有：只加速使用頻率高的功能部件；系統(tǒng)受慢速部件約束以及訪問具有局部性。衡量計算機性能的最常用標準是時間和速度決定CPU性能的主要參數是時鐘（或速率）、每條指令所需平均時鐘周期數以及程序的指令數第82頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示$2.1數據類型一、概述1.數據分類（軟件的角度）（1）用戶定義的數據（2）系統(tǒng)數據（運行時間環(huán)境）（3）指令2.數據類型與數據的不同數據類型除了是指一組值的集合外，還定義了可作用于這個集合上的操作集。例如：整數數據類型是指整數值集合與可作用于該整數值集合的算術操作集合的合成。第83頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示二、基本數據類型1.二進制位及其位串2.整數及自然數（正整數）3.實數（浮點數）4.字符和布爾數三、結構數據類型1.定義結構數據類型是一組由相互有關的數據元素復合而成的數據類型。例如：向量和數組、字符串、堆棧、隊列和記錄等都屬于這類結構數據類型。第84頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示$2.2數據表示一、數據表示、數據類型和數據結構的關系1.定義（1）數據表示是指可由硬件直接辨認的數據類型（2）數據結構是指結構數據類型的組織方式，它反映了在應用中所用到的各種數據元素或信息單元間的結構關系。例如：常用的向量、表、樹、隊列和矩陣等均是數據結構的一種形式，通常計算機硬件是無法直接識別這些數據結構，他們必須變換成數據表示方可為計算機所識別。2.區(qū)別數據結構所研究的課題是如何用最少的存儲空間來存儲這些數據結構以及采用什么樣的算法能最快、最簡單地存儲和訪問它們。數據表示要考慮的是正確、可靠、便于機器處理和節(jié)省存儲空間。第85頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示二、二進制的定點、浮點數據表示1.二進制定點數據表示形式（1）符號數值（2）反碼（3）補碼（4）帶偏移增值碼注：其中最常用的是補碼形式第86頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示2.二進制浮點表示（1）IEEE754標準介紹

IEEE754標準是IEEE于1985年公布并1990年審核的浮點數標準。在此標準公布前，不同計算機公司設計的計算機在浮點數的處理方面均按照各自的規(guī)范進行設計，比如在字長、精度、舍入方式等等存在很大的差異。IEEE754的出現在一定程度上規(guī)范了計算機浮點運算單元的設計規(guī)則。第87頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示（2）浮點數的表示方法(二進制)

(-1)S2E(b0.b1b2b3b4…bp-1) S：Sign-bit0or1 E:Exponent bi:0or1

b1b2b3b4…bp-1小數部分(fraction)第88頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示（2）單精度浮點數存儲格式雙精度浮點數存儲格式尾數f=b1b2b3b4…bp-1b0為隱含位，那么b0是如何表示的呢？浮點數的表示方法（續(xù)）第89頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示（2）浮點數的表示方法（續(xù)）指數偏移量B

Whybiasedformat?當真值用補碼表示時，由于符號位和數值部分一起編碼，很難從補碼的形式上直接判斷其真值的大小。如：X=21，對應的二進制數為+10101，則[x]補=010101；X=-21，對應的二進制數為-10101，則[x]補=110101；從形式上看，會得出110101>010101,其實恰恰相反。若對每個真值加上一個2^(n-1)-1,情況就發(fā)生了變化：X=010101加上2^5-1可得010101+011111=110100；X=110101加上2^5-1可得110101+011111=010100；比較可得，110100>010100。這樣，從代碼本身就可看出真值得大小。第90頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示指數偏移量BWhy127?127=2^(8-1)-1.e=E+B0<e<2550127255-1270128

對雙精度而言，偏移量為：2^(11-1)-1=1023.第91頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示（2）浮點數的表示方法（續(xù)）規(guī)格化數(NormalizedNumber)：偏移指數e的二進制位不全為0,也不全為1的浮點數為規(guī)格化數。E=e-B此時f表示為：f=1.F；IEEE標準規(guī)定此時小數點左側的隱含位b0為1。非規(guī)格化數(DenormalizedNumber)：偏移指數的二進制位全部為0的浮點數為非規(guī)格化數。此時e，f的計算都非常簡單:E=1-bias;f=0.F;注:此時小數點左側的隱含位b0為0。

第92頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示（2）浮點數的表示方法（續(xù)）為什么E會等于(1-bias)而不是(-bias)，這主要是為規(guī)格化數值、非規(guī)格化數值之間的平滑過渡設計的。有了非規(guī)格化形式，我們就可以表示0了。把符號位S值1,其余所有位均置0后，我們得到了-0.0;同理，把所有位均置0,則得到+0.0。非規(guī)格化數還有其他用途，比如表示非常接近0的小數，而且這些小數均勻地接近0,稱為“逐漸下溢(graduallyunderflow)”屬性。第93頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示（2）浮點數的表示方法（續(xù)）特殊數值：當e的二進制位全為1時為特殊數值。此時，若F的二進制位全為0，則浮點數表示無窮大，若S為1則為-∞，若S為0則為+∞;此時，若F的二進制位不全為0，v稱為NaN(NotaNumber)，表示這不是一個合法實數或無窮，或者該數未經初始化。

第94頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示（2）浮點數的表示方法（續(xù)）V為8位的浮點數-7<E<80<e<15S1-bite4-bitf3-bit第95頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示（2）浮點數的表示方法（續(xù)）Exception：IEEE754規(guī)定了5種異常情況：上溢(Overflow)，下溢(Underflow)，除以零(DivideByZero)，無效(Invalid)以及不確定(Inexact)。上溢，下溢異常情況在大多數系統(tǒng)是經常發(fā)生的。以單精度為例，它的溢出有四種情況：正數大于(1-2^（-24）)*2^128的情況為正上溢。正數小于0.5*2^（-127）的情況為正下溢。負數小于-(1-2^（-24）)*2^128的情況為負上溢。負數大于-0.5*2^（-127）的情況為負下溢。無效異常時對應于一定的操作的，如：√-1，∞-∞，0/0等，這時沒有任何浮點數或者±∞這樣的自然值可以對結果進行表示。當其發(fā)生時，得到的結果是一個NaN。不確定異常是一種特殊的“異常”，是IEEE浮點運算所特有的，它是在運算結果必須舍入或當其上溢時發(fā)生第96頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示（2）浮點數的表示方法（續(xù)）RoundingmodeIEEE754標準規(guī)定了四種舍入模式:就近舍入,零舍入，+∞舍入，-∞舍入。1.就近舍入:目標是使舍入結果盡可能接近實際值(0舍1入)。2.零舍入:通過截斷實際值的多余位來實現。3.+∞舍入:結果向正無窮大方向舍入。所有值被舍入到下一個可能值，負數的舍入結果將截去多余位，正數的舍入結果為下一個較大的有效值。4.-∞舍入:結果向負無窮大方向舍入。負數的舍入結果將為下一個較小的有效值，正數的舍入結果將截去多余位。第97頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示（2）浮點數的表示方法（續(xù)）Roundingmodeexample第98頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示（2）浮點數的表示方法（續(xù)）實現方法．b0b１b２b３．．．bＲbＳbＳ＋１．．．bn-1bnRrounding-bitSstick-bitbs=|bＳ＋１．．．bn-1bn

就近舍入bＲ+bＳ{c,bＲ}

零舍入舍掉bＳ即bＲ{c,bＲ}

＋∞舍入浮點數為“＋”，bＲ+bＳ{c,bＲ}浮點數為“－”，bＲ{c,bＲ}－∞舍入浮點數為“＋”，bＲ{c,bＲ}浮點數為“－”，bＲ+bＳ{c,bＲ}第99頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示3.向量數據表示（1）對向量數據進行操作的步驟a.把源向量的長度和起始地址設置好b.用一條向量指令對整個向量的所有元素進行運算（2）稀疏向量的處理a.定義含有大量零元素的向量，成為稀疏向量。b.壓縮向量的方法第一步先形成一個向量Z，用來指明稀疏中各元素的狀況及所在的位置。根據Z向量，形成壓縮向量第100頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示A0A1A2A3A4A5A0A5010111壓縮向量、稀疏向量和有序向量示意圖第101頁，課件共143頁，創(chuàng)作于2023年2月數據類型及數據表示4.自定義數據表示（1）自定義數據表示分類a.帶標志符的數據表示b.數據描述符表示（2）帶標志符的數據表示的優(yōu)缺點