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1、第一章 计算机系统结构基础及并行性开发1、 计算机系统的多级层次结构（从低到高） 微程序机器级、传统机器语言机器级、操作系统机器级、汇编语言机器级、高级语言机器级、应用语言机器级2、 固件 固件是一种具有软件功能的硬件，例如将软件固化在只读存储器这种大规模集成电路的硬器件上就是一种固件。3、 系统结构 系统结构是对计算机系统中各级界面的定义及其上下的功能分配。4、 计算机系统结构 计算机系统结构也称计算机系统的体系结构，它只是系统结构中的一部分，指的是传统机器级的系统结构。它是软件和硬件/固件的交界面，是机器语言、汇编语言程序设计者，或编译程序设计者看到的机器物理系统的抽象。5、 软、硬件取舍
2、的基本原则 原则1：应考虑在现有硬件、器件条件下，系统要有高的性能价格比，主要从实现费用、速度和其他性能要求来综合考虑。 原则2：要考虑准备采用和可能采用的组成技术，使之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。 原则3：不能仅从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技术的成果和便于发挥器件技术的进展，还应从“软”的角度把如何为编译和操作系统的实现以及如何为高级语言程序的设计提供更多、更好的硬件支持放在首位。6、 实现软件移植的技术 统一高级语言、采用系列机、模拟和仿真7、 并行性 并行性包含同时性和并发性二重含义。同时性指两个或多个事件在同一时刻发生。并发性指两个或多个时间在同一时间间
3、隔内发生。8、 并行性不同的等级l 从计算机系统执行程序的角度看（低到高） 指令内部 指令之间 任务和进程之间 作业和程序之间l 从计算机系统中的处理数据看（低到高） 位串字串 位并字串 位片串字并 全并行l 从并行性角度看（低到高） 存储器操作并行 处理器操作步骤并行 处理器操作并行 指令、任务、作业并行9、 并行性开发的途径 时间重叠：时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。 资源重复：资源重复是指在并行概念中引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能。 资源共享：资源共享是指用软件方
4、法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源来提高资源的利用率，相应地也就提高系统的性能。10、3T性能目标 1TFLOPS的计算能力、1TB的主存容量、1TB/S的I/O带宽11、 指令流、数据流、多倍性的概念l 指令流是指机器执行的指令序列l 数据流是指由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果l 多倍性是指在系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数12、 计算机系统的分类 单指令流单数据流（SISD）、单指令流多数据流（SIMD）、多指令流单数据流（MISD）、多指令流多数据流（MIMD）第2章 计算机系统结构基础及并行性开发数据表示：数据表示指的是能由机器硬件识
5、别和引用的数据类型，表现在它有对这种类型的数据进行操作的指令和运算部件。2.1.2高级数据自定义数据表示：包括标志符数据表示和数据描述符。P372.1.3引入数据表示的原则：l 原则1：看系统的效率是否显著提高，包括实现时间和存储空间是否有显著减少。实现时间是否减少主要看在主存和处理机之间传送的信息量是否减少。传送的信息量减少，实现时间久越少。l 原则2：看引入这种数据表示后，其通用性和利用率是否提高。P43表2-1 采用尾基为rm的浮点数表示的特性及其举例。（要会算）P45浮点数尾数的下溢处理方法：l 截断法：其方法是将尾数超出机器字长的部分截去。l 舍入法：其方法是在机器运算的规定字长之外
6、增设一位附加位，存放溢出部分的最高位，每当进行尾数下溢处理时，将附件位加1（二进制整数相当于加0.5，二进制小数相当于加2-（m+1）l 恒置“1”法：其方法是将机器运算规定字长之最低位恒置为“1”。l 查表舍入法：其方法是用ROM或PLA存放下溢处理表。2.2.4物理主存中信息的存储分布P542.3 指令系统的设计和优化P55 102.3.1l 指令系统的设计包括指令的功能和指令格式的设计。l 指令类型分非特权性和特权性两类。编译程序设计者要求指令系统应具有如下特性：l 规整性l 对称性l 独立性和全能性l 正交性l 可组合性l 可扩充性系统结构设计者则还希望指令系统具有如下特性：l 兼容性
7、l 适应性指令是有操作码和地址码两部分组成的，指令格式优化就是指如何用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息，是程序中指令的平均字长最短。P57哈夫曼算法的运用P58指令字格式优化的措施概括起来包括如下几点：l 采用扩展操作码，并根据指令的频度pi 的分布状况选择合适的编码方式，以缩短操作码的平均码长。l 采用诸如基址，变址、相对、寄存器，寄存器间接，段式存放，隐式指明等多种寻址方式，以缩短地址码的长度，并在有限的地址长度内提供更多的地址信息。l 采用0、1、2、3等多种地址制，来增强指令的功能，从宏观上缩短程序的长度，并加快程序的执行速度。l 在同种地址内再采用多种地址形式，如寄存器-寄存
8、器，寄存器-主存，主存-主存，让每种地址字段可以有多种长度，且让长操作码和短地址码进行组配。l 在维持指令字在存储器中按整数边界存储的前提下，使用多种不同的指令长度。CISC：一种如何进一步增强原有指令功能以及设置更为复杂的新指令，取代原先由软件子程序完成的功能，实现软功能的硬化。按此方向发展，机器指令系统日益强大，称用这种途径设计CPU的计算机为复杂指令系统计算机。RISC：一种如何通过减少指令种数和简化指令功能来降低硬件设计的复杂度，提高指令的执行速度，按此方向发展，使机器指令系统精简，称用这种途径设计CPU的计算机为精简指令系统计算机。设计RISC的原则：l 确定指令系统时，只选择使用频
9、度很高的那些指令，再增加少量能有效支持操作系统，高级语言实现及其他功能的指令，大大减少指令条数，使之一般不超过100条。l 减少指令系统所用寻址方式种类，一般不超过两种。精简指令的格式限制在两种之内，并使全部指令都是相同长度。l 让所有指令都在一个机器周期内完成。l 扩大通用寄存器数，一般不超过32个，尽量减少访存，所有指令只有存取指令可以访存，其他指令一律只对寄存器操作。l 为提高指令执行速度，大多数指令都用硬联控制实现，少数指令才用微程序实现。l 通过精简指令和优化设计编译程序，简单有效地支持高级语言的实现。设计RISC结构采用的基本技术l 按设计RISC的一般原则来设计l 逻辑实现采用硬
10、联和微程序相结合l 在CPU中设置大量工作寄存器并采用重叠寄存器窗口l 指令用流水和延迟转移：延迟转移：其方法是，将转移指令与其前面的一条指令或多条指令对换一下位置，让成功转移总是在紧跟的指令被执行之后发生，从而使预取的指令不必作废，可以节省一个机器周期。l 采用高速缓冲存储器Cachel 优化设计编译系统延迟转移：将转移指令与其前面的一条指令或多条指令（条数取决于流水线的级数）对换一下位置（由编译程序生成时调整），让成功转移总是在紧跟的指令被执行之后发生。第3章 存储、中断、总线与输入/输出系统1、 存储系统的基本要求 大容量、高速度、低价格2、中断 机器检验中断、访管中断、程序性中断、外部
11、中断、I/O中断、重新启动中断3、总线的分类l 在系统中的位置分为： 芯片级（CPU芯片内的总线） 板级（连接插件板内的各个组件，也称局部总线或内部总线） 系统级（系统间或主机与I/O接口或设备之间的总线）l 总线允许信息传送的方向分为 单向传输 双向传输（半双向、全双向） 半双向：可沿相反方向传送，但同时只能向一个方向传送； 全双向：允许同时向两个方向传送。全双向的速度快，造价高，结构复杂。l 总线按用法分为： 专用总线 非专用总线4、 总线的控制方式 集中式控制：总线控制机构基本集中在一起，不论是在连接到总线的一个部件中，还是在单独的硬件中，都称为集中式控制。 分布式总线控制:而总线控制逻
12、辑分散在连到总线的各个部件时，就称为分布式总线控制。 集中式总线控制的几种不同方式： 串行链接 定时查询 独立请求5、通道处理机的工作原理 中央处理机用来控制外部设备操作用的输入/输出指令被定义为管态指令，用户在目态程序中不能使用这些指令。用户只能在目态程序中安排要求输入/输出的广义指令，然后进入相应管理程序执行这些输入/输出管态指令。第4章 存储体系1、 存储体系 存储体系（即存储层次）是在构成存储系统的几种不用的处理器（M1Mn）之间，配上辅助软、硬件或辅助硬件，使之从应用程序员来看，在逻辑上是一个整体。第五章 标量处理机一次重叠：指令分析部件和指令执行部件任何时候都只有相邻两条指令在重叠解释的方式。重叠原理：指令的重叠解释是在解释第K指令的操作完成之前，就开始解释第K+1条指令。 相关处理：1.转移指令的处理：通过延迟转移技术来解决2.指令相关的处理：通过:“执行”指令，将指令相关转化成了数相关来解决3.主存空间数相关的处理：推后“分析k+1”的读4.通用寄存器组数相关的处理：推后读、增设“相关专用通路”
