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1、一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计 者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。Amdahl所定义的 体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。所关心的是如何合理的进 行软硬件功能的分配。计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属 性，即外特性。可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式， 指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。计算机组成是计算机结构的逻辑实现。可以包含数据通路宽度， 专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。包括处理机，主存 部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、
2、插件底 板的划分和连接。从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为 7 级：0 应用语言机器级、1 高级程序语言机器级、2 汇编语言机器级、 3 操作系统机器级、4 传统机器语言机器级、5 微程序机器级和 6 电 子线路级。36级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。首先是应用领域对应 的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。如运算速 度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。体系结构设计的方法有三种：由上而下从考虑如何满足应用要 求开始设计；由下而上基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的计算机体系结构2方法。体
3、系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、 优化和评价。计算机体系结构的分类：（1）弗林FLYNN分类法：按指令流和 数据流将计算机分为4类：单指令流、单数据流一Single Ins true tion St ream Single Data St ream， SISD。计算机，即传统 的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机 systolic array；单指令流、多数据流一Multiple, SIMD。典型代表是并行 处理机。其并行性在于指令一级。如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等； MISD计算机；MIMD计算机。多处理机系统，实现全面并行的理 想
4、结构。可以通过共享存储器和消息传递来耦合系统，每个处理器分 别执行系统分配的程序，同时执行多个指令流对多个数据流不同的处 理，如 IBM3081/3084， Cray-2 等。 /弗林分类法基本上是对除流水 线处理机外的诺衣曼型控制流计算机进行分类，而不包括对像数据流 计算机这种非诺衣曼型机器进行分类；（2）冯氏分类法。依据是并行 度一即计算机在单位时间内能够处理的最大二进制位数。据此分为4 类：字串位串Word Serial and Bit Serial。WSBS计算机。只有 一个串行的处理部件，每字长1位；字并位串Parallel。WPBS计 算机。只有一个处理部件。该部件处理字长n位；字
5、串位并WSBP 计算机。有多个处理部件。每个处理部件字长1位；字并位并WPBP 计算机。有多个处理部件，各部件字长也并行，如ILLICA2计算机具 有 64 个字长 64 位的处理单元。冯.诺衣曼型计算机体系结构及其发展（1）是存储程序计算机的 别称。在体系结构有着如下特点：机器以运算器位中心，使用单一一 处理部件来完成计算、存储及通信工作；采用存储程序的原理，使 用线性组织的定长存储单元来存储程序，存储时对指令和数据不加区 别；存储空间的单元是直接寻址的，每个单元位数固定；使用二 进制机器语言，其指令完成基本操作码的简单操作；对计算机进行 集中的顺序控制。（2）两个最主要的特征：一是计算机内
6、部信息流动 是由指令驱动的，而指令执行顺序由指令计数器决定；二是计算机的 应用仍主要面向数值计算和数据处理。（3 ）发展：数据流计算机 DFM。只要所需的操作数齐备就可以执行，这时只取决于执行部件的 并行处理能力；智能计算机。主要处理一些非数值化信息。体系结构并行技术的发展（1）并行性是指在同一时刻或同一时 间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作的特性。具有同 时性和并发性二重性。（2）等级划分：（由低到高）：按执行程序的 等级划分：指令内部、指令之间、任务或进程之间、作业或程序之间； 处理数据等级划分：字串位串、字串位并、字并位串、字并位并； 按信息加工的等级划分：存储器操作并行、处
7、理器操作并行、指令 任务作业并行；（2）并行性的技术途径：时间重叠。多个处理过程 在时间上错开，如流水线处理机；资源重复。重复设置硬件资源来 提高计算机的性能。如阵列处理机；资源共享。用软件方法让多个 用户按一定时间顺序轮流使用同一套件资源，以提高计算机设备利用 率。如多道程序分时系统。题目：1. 高级语言经编译程序的翻译形成汇编语言程序；2. 传统机器语言机器级，是用微指令程序来解释机器指令；微指令 由硬件直接执行；3. Amdahl加速比定律：加速比：Sp = l/ (1-Fe+Fe/Se),其中Fe为 被改进部分的执行时间所占的百分比的大小； Se 是其性能提高的 倍数。/局部性原理：程
8、序趋向于重用它当前已经在使用的指令 和数据。包括时间局部性和空间局部性。时间局部性是指当前访 问的项目在最近的将来还会被访问；空间局部性是指某个项目及 其附近地址的其他项目会同时被引用。4. 实现软件移植的基本技术有：统一的高级语言、采用阵列机、模 拟和仿真；5. 仿真是指用微程序直接解释另一台计算机的机器指令系统； 模拟 指用机器语言解释实现软件移植的方法；6. 多机系统的耦合度可分为：最低耦合、松散耦合和紧密耦合三种 类型；二、指令系统指令系统又称指令集Instruction Set,它对计算机系统有全剧性影响，即指令的功能将直接反映系统功能。指令集发展有两个趋势：CISC 和 RISC；
9、指令集体系结构的分类（1）分类依据，可以有5 种：操作数在 CPU 中的存储方式；显示操作数的数量；操作数的位置；指令的操 作；操作数的类型和大小。（2）按暂存机制分类：依据在 CPU 内部 存储操作数的区别，可以把指令集体系结构分为 3 类：堆栈 stack、 累加器accumulator、寄存器即a set of registers。堆栈机。主要操作 是压入和弹出，其他操作还有加、减、比较等；优点是：表示数值的 模型简单、指令长度短。累加器类机器是有一个隐含操作数的机器。 例如PDP-8、Motorola6809；优点是机器的内部状态很少，指令也比 较短。寄存器为基础的指令系统优点是：速度
10、更快、数值表示上有 很强的适应性。例如IBM360、DEC VAX。（ 3 ）通用寄存器 general-purpose resis ter machine，简称 GPR 机。其关键性优点起 因于编译程序能有效的使用寄存器，无论是计算表达式的值，还是从 更为全局的角度使用寄存器来保存变量的值。可以分为3类：寄存 器-寄存器resis ter-resis ter。只能对存储器有存取指令，所有操 作在两个寄存器之间进行，操作结果送入第三个寄存器中；优点是： 速度快、指令具有良好的正交编码模型；如RISC和Cray计算机； 寄存器-存储器类register-memory。在指令中，由寄存器内容加上
11、存储器内容寻址构成寻址技术。如 VAX、 IBM360、 Motorola68000、 PDP11 等。优点是：数据不需要寄存器装入就能存取、指令大小适中； 存储器-存储器memory-memoryo如VAX2和IBM370,优点是紧凑、 不需要消耗临时寄存器。指令格式（1）指令编码方法，通常有3种：正交法orthogonal met hod。对流水线计算机特别适应，采用微程序控制时微程序数量可 以较少；整体法integrated。可以把使用频率高的操作数通操作 数地址码组合起来，加以缩短优化，而使用频率低的操作码可以较长 些，从而节省存储容量，但需要较大的微程序存储器;混合法mixed。 把
12、以上两个方法优点结合。（2）指令格式。最普通的是:操作码opcode- 操作数operand/地址。操作码字段表明操作类型；操作数/地址字段 指明具体的操作数，也可以指明操作数地址，通常是和寻址方式相配 合形成的。（3）寻址技术。即指令按什么方式寻找所需的操作数或信 息，它影响主存规模速度和存取方式。寻址方式对于应用程序是透明 的。编址方式：统一编址一把各个不部件统一编成从0开始的一维 线性地址空间；局部编址指导这些部件适当分类，各自从 0 开始单 独编址，形成多个一维的线性地址空间；隐含编址地址隐含于操作 码中；程序定位方式。程序定位是把指令和数据中的逻辑地址转变 成主存物理地址的过程，有三
13、种方法:直接定位方式、静态定位方式、 动态定位方式；寻址方式。大多计算机都将主存、通用寄存器、堆 栈分类编址，因此就有分别面向寄存器、堆栈和主存的寻址方式。指令的优化（1）指令格式的优化。就是从整个指令系统的利用 率角度出发，尽量设法减少指令中冗余信息量，以便用最少的位数提 供足够的操作信息和地址信息。包括操作码的优化和操作数的优化； （2）哈夫曼编码。左 1 右 0。（3）理论码长信息源熵。任意随机 事件的出现概率为Pi,则它的信息量Ii=-log2 （Pi）,则平均信息 量为H =-和（Pi*log2 （Pi）,由此式的结果H即为理论码长。信息 冗余量=1-理论码长/操作码的平均长度。（4
14、）等长扩展码。哈夫曼 编码方法形成的指令码很不规则，长度不一。事实上计算机采用等长 扩展码，介于等长二进制编码和全哈夫曼编码之间的一种编码方式， 仍利用哈夫曼思想，对概论高的指令用短码，概率低的用长码，但在 整体上只采用了有限的几种码长。如下表：指令频度哈夫曼码等长码等长扩展码I10.40000000I20.301000101I30.1511001010I40.05111000111100I50.04111011001101I60.03111101011110I70.03111111101111平均码长2.2032.30理论码长为 2.17。指令系统的复杂化（1） CISC 和 RISC 的目
15、标是相同的，都是为 了提高性能，减少语义差距，改善性能价格比。目前多用CISC类型， 如 IBM360/370 和 4300 系列等；（2）指令系统复杂化的实现措施： 面向目标代码的优化。按静态使用频度（程序中出现的百分比）改 进可以减少存储空间；按动态使用频率（执行过程中出现的百分比） 改进可以减少目标程序运行的执行时间；面向高级语言的优化，就 是尽可能缩小高级语言和机器语言之间的语义差异，以利于支持高级 语言的编译系统，左端编译程序的长度和编译所需时间；面向操作 系统的优化。就是进一步缩小操作系统和体系结构之间的语义差异， 减少辅助时间，节省操作系统软件占用空间；（3）CISC的主要弊端： 指令集过于庞杂；微程序技术是其重要支柱，这降低了处理速度；难 以优化编译使之生成真正的目标代码；强调完善的中断机制，导致动 作的烦杂；给芯片设计带来很多困难，出错几率增大，不利于大批量 生产。RISC 技术精简指令 集 计算机 Reduced Instruction Set Computer。（ 1）基本特征：精简指令数量 般在100条左右；简化 指令格式一在12种之内并让全部指令具有相同长度；采用单周期 指令几乎所有指令在一个机器周期内完成；采用寄存器操作尽量 减少访存操作；硬件控制逻辑大多指令采用硬件控制实现，少数用 微程序实现；优化编译程序。（2） RISC体系结构：数据
