计算机系统结构的基本概念.doc

第一章 计算机系统结构的基本概念 1 4．计算机系统设计的定量原理 加快经常性事件的速度(Make the common case fast)。 Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。 Fe表示（改进前可改进部分占用的时间）/（改进前整个任务的执行时间），Se表示（改进前改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间），则： 改进后的整个任务的执行时间为： , 其中为改进前的整个任务的执行时间。 改进后的整个系统加速比为： （3）CPU性能公式。 CPU时间=CPU时钟周期数/频率； CPU时间=CPU时钟周期数*时钟周期长； 平均时钟周期数CPI=CPU时钟周期数/IC（指令的条数）； CPU时间=（IC*CPI）/频率f； （4）访问的局部性原理。 时间局部性、空间局部性。 5. 计算机系统设计者的主要任务 确定用户对计算机系统的功能、价格和性能的要求。 软硬件的平衡。 设计出符合今后发展方向的系统结构。 6. 计算机系统设计的主要方法 “由下往上”（bottom-up）设计。 “由上往下”（top-down）设计。 “由中间开始”（middle-out）设计。 7. 系统结构的评价标准 性能 MIPS（Million Instructions Per Second） MIPS = = MFLOPS（Million FLoating point Operations Per Second） MFLOPS = 用基准测试程序来测试评价机器的性能。 综合基准测试程序。 （2）性能比较 总执行时间。 加权执行时间。 （3）成本 成本指标。 硬件考虑。 8．冯?诺依曼计算机的特征可概括为： 存储器是字长固定的、顺序线形编址的一维结构。 存储器提供可按地址访问的一级地址空间，每个地址是唯一定义的。 由指令形式的低级机器语言驱动。 指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送都途经运算器。运算器、存储器、输入输出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集中控制。 9．软件对系统结构的影响 采用系列机方法。 采用模拟与仿真方法。 采用统一的高级语言方法。 10．价格、应用、VLSI对系统结构的影响 11．技术的发展对价格的影响 12．算法和系统结构 指令系统 1. 指令系统(Instruction Set Architecture, ISA)是计算机系统中软件与硬件的接口；主要研究数据表示、寻址方式等内容。 2. 数据表示 基本的数据表示方法，包括定点数、逻辑数、浮点数、字符、字符串、堆栈等，以及一些新的数据表示方法和在数据表示方面的新的研究成果，如自定义数据表示、带标志符的数据表示法、数据描述符表示法及浮点数表示方面的研究成果等； 数据表示的原则： 缩短程序的运行时间 减少CPU与主存储器之间的通信量 数据表示的通用性和利用率 计算机内浮点数的表数范围、表数精度和表数效率，浮点数尾数基值的选择 浮点数的性质和设计方法 运用浮点数进行四则运算 3. 寻址方式 寻址技术研究的主要内容包括编址方式、寻址方式和定位方式等，研究的对象主要有寄存器、主存储器、堆栈和输入输出设备等，其中以面向主存储器的寻址技术为主要研究对象； 编址方式是指对各种存储设备进行编码的方法，主要包括编址的单位、零地址空间的个数等，另外还包括并行存储器的编址技术和输入输出设备的非线形编址技术； 寻找操作数及数据存放单元的方法称为寻址方式。在分析各种寻址技术优缺点的基础上，重点是能够在计算机系统中如何选择和确定采用哪种寻址技术； 程序的定位是指把指令和数据的逻辑地址（相对地址）转换成主存储器的物理地址（绝对地址）。定位方式可分为三种：直接定位、静态定位和动态定位。 4. 指令格式的优化设计 指令格式优化设计的主要目标有两个，一是节省程序的存储空间，二是指令格式要尽量规整，以减少硬件译码的复杂程度。指令格式优化后，不应该降低指令的执行速度。 操作码的表示方法通常有三种：固定长度操作码、Huffman编码法和扩展编码法。要重点掌握Huffman编码法和扩展编码法； 固定长操作码的主要优点：规整，译码简单；主要缺点：浪费信息量（操作码的总长位数增加） 采用最优Huffman编码法操作码的最短平均长度可以通过如下公式计算： 其中：Pi表示第i种操作码在程序中出现的概率 固定长操作码相对于Huffman操作码的信息冗余量为： 采用Huffman编码法操作码的最短平均长度可