计算机体系结构复习.doc

PAGE PAGE 1 第一章 计算机系统结构设计基础 系统结构的定义：计算机系统结构就是程序员所看到的计算机的基本属性，即概念性结构和功能性结构。 分类： 按“流”分类： ⑴单指令流单数据流(SISD)； ⑵单指令流多数据流(SIMD)； ⑶多指令流单数据流(MISD)； ⑷多指令流多数据流(MIMD)。 按“并行级”和“流水线”分类 ：并行计算机 并行计算机 显式并行 流水 多处理机 (K1) 阵列计算机 (D1) 字片机 (W1) 宏流水 (K′1) 指令流水 (D′1) 算术流水 (D′1) Erlangen 计算机系统分类方法 研究范围： 有关软、硬件等价的概念：功能在逻辑上是等价的。绝大部分硬件功能都可以用软件来实现，反之亦然。但两者在实现时将在性能价格比上以及实现的难易程度上不等价。用硬件代替软件所实现的功能往往在性能上占优，且占用存储量较少，但成本相对较高，改变的灵活性较差，用软件的情况正好相反。 透明：一种本来存在的差异的事物或属性，从某种角度来看似乎不再存在，称为透明现象 兼容：即可移植性，是指一个软件可不经修改或只需少量修改便可以由一台机器移植到另一台机器上去运行。即同一个软件可应用不同的环境。 仿真：当宿主机(A机)本身采用微程序控制时，直接由A机中对应的一段微程序来完成对目标机(B机)指令系统的每条指令的解释执行。 模拟：指用软件的方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。即用实际存在的机器语言解释实现软件移植的方法称为模拟。模拟是采用纯软件解释执行的方法，因此运行速度较慢。 系列机：通过统一的机器语言来实现软件移植的方法，即是预先确定好一种系统结构(软硬件界面)。然后软件工作者依此进行软件设计。硬件工作者则根据不同的性能、价格要求，采用各种不同的组成和物理实现技术，以向用户提供不同挡次的机器。 阿姆达尔定律及加速比的计算： 阿姆达尔定律是指：系统中对某一部件采用某种更快执行方式所能获得的系统性能改进程度，取决于这种执行方式被使用的频率，或占总执行时间的比例。 TO：不采用任何增强功能措施完成某一任务所需时间； Te：采用某种增强功能措施后完成同一任务所需时间； fe：可采取增强功能措施的部分所占百分比 0￡ fe ￡1； re：采用增强功能措施是不采用增强功能措施执行的倍数。 例题：将系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理使用时间仅为整个系统运行时间的40%，采用此增强功能方法后，整个系统功能提高多少？ 解：由题可知：fe=0.4 ，re=10 第二章 计算机的性能和成本 计算机性能(CPU时间、CPI等)，成本指什么？ 响应时间是指在用户向计算机系统送入一个任务后，直到获得他所需要的结果所需的时间。 CPU时间不包括等待I/O的时间以及CPU转去运行另一道程序所花的时间。 衡量计算机性能的主要标准。 在元器件成本和直接成本基础上再加上间接成本就成为产品的平均售价。 CPU性能的TCPU、CPI、MIPS和MFLOPS的计算。 绝大多数计算机用固定速率运行的时钟，运行周期称为时钟周期(Clock cycles)，以时间长短(以ns表示)或运行速率(MHz)表示。一个程序在CPU上运行所需时间TCPU，可用下式表示： TCPU =IN×CPI×TC 式中： IN 表示执行指令的总数； CPI表示执行每条指令所需的平均时钟周期数； TC 表示时钟周期的时间长度。 IN取决于机器指令系统和编译技术；CPI与计算机组成和指令系统有关；TC则主要由硬件工艺和计算机组成决定。 例题：见课本 MIPS(Million instructions per second)─每秒百万条指令 TE表示执行该程序所需时间；RC=1/TC， 表示时钟速率。 相对MIPSRel MFLOPS(Million floating point operations per second)─每秒百万次浮点运算 IFN表示程序中的浮点运算次数。 在Livermore 循环测试程序中， 浮点加、减、乘及比较操作的正则化的值为1； 浮点除法、开方操作的正则化的值为4； 用MFLOPS作衡量单位时，它的值不但会随整数、浮点数操作混合比例的不同发生变化，而且也会随快速和慢速浮点操作混合比例的变化而变化。 1MFLOPS ≈ 3MIPS 第三章 数据类型和数据表示 IEEE754标准。 ①符号位S，②指数部分E，③尾数部分M。 ⑴ 单精度格式(32位)：E=8位、M=23位； ⑵ 扩展单精度格式：E≥11位、M=31位； ⑶ 双精度格式(64位)：E=11位、M=52位； ⑷ 扩展双精度格式：E≥15 位、M≥63位。 第四章 指令系统的设计原理及风格 指令系统集