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第一章计算机体系结构概述

1什么是计算机体系结构？

计算机体系结构就是汇编语言程序员看到的计算机属性，即计算机的概念性结构和功能特性。计算机体系结构研究的内容主要包括：

数据表示：硬件能直接识别和处理的数据类型

寻址方式：包括寻址单位、寻址方式的种类和地址运算等

存放器组织：包括数据存放器、变址存放器和控制存放器等的定义、数量和使用规那么等

指令系统：包括机器指令的类型、格式等

存储系统：包括编址单位、编址方式和最大寻址空间等

中断系统：包括中断类型、中断级别和中断响应方式等

处理机的工作状态：处理机的工作状态定义和切换方式

输入输出系统：包括CPU、主存和外设间的连接方式、数据交换方式、交换过程的控制等

信息保护：包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持

2计算机体系结构、计算机组成和计算机实现

计算机体系结构研究软、硬件的分界面，即哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现；计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现；

3计算机体系结构的分类

1〕Flynn分类法

Flynn分类法根据指令流和数据流的不同组织方式将计算机体系结构分为4类：单指令流单数据流〔SISD〕、单指令流多数据流〔SIMD〕、多指令流多数据流〔MISD〕、多指令流多数据流〔MIMD〕。如图1所示

2〕冯氏分类法

冯氏分类法根据最大并行度Pm〔Pm=字宽×位片宽〕将计算机体系结构分为4类：

字串位串〔WSBS〕：每次处理一个字中的一位

字并位串〔WPBS〕：每次处理m个字中的1位

字串位并〔WSBP〕：每次处理一个字中的n位

字并位并〔WPBP〕：每次处理m字中的n位

MM

MM

PU

CU

IS

DS

IS

〔a〕SISD

MM1

PU1

CU

IS

DS1

IS

PU2

PUn

MM2

MMn

···

···

DS2

DSn

···

〔b〕SIMD

PU1

CU1

IS2

IS1

PU2

PUn

〔c〕MISD

CU2

CUn

···

MM1

MM2

MMn

…

ISn

IS1

IS2

ISn

…

DS

DS

PU1

CU1

IS2

IS1

PU2

PUn

CU2

CUn

···

ISn

IS1

IS2

ISn

MM1

MM2

MMn

···

DS1

DS2

DSn

〔d〕MIMD

图1.1弗林分类法

5计算机系统结构中的并行性

并行性包括两个方面：同时性和并发性。同时性指几件事在同一时刻发生，并发性指几件事在同一时间间隔内发生。并行处理分为：

存储器操作并行

处理器操作步骤并行〔流水线机〕

处理器操作并行〔阵列处理机〕

指令、任务、作业并行〔多处理机、分布式系统、计算机网络〕

第二章CPU

CPU由运算器和控制器组成。运算器包括ALU和用于运算的存放器。控制器包括微操作信号发生器、时序系统和用于控制的存放器。

1ALU

1〕1位全加器框图

∑

∑

Xn

Yn

Fn

Cn+1

Cn

Fn=Xn⊕Yn⊕Cn

Cn+1=Xn·Yn+〔Xn⊕Yn〕Cn

图21位全加器框图

2〕4位串行加法器

X

Xn

Yn

Fn

Cn+1

Cn

图34位串行加法器

Xn

Yn

Fn

Cn+1

Cn

Xn

Yn

Fn

Cn+1

Cn

Xn

Yn

Fn

Cn+1

Cn

F0

C0

C1

C2

C3

C4

F1

F2

F3

X0

Y0

X1

Y1

X2

Y2

X3

Y3

3〕4位并行加法器

进位信号的逻辑式：Cn+1=Xn·Yn+〔Xn⊕Yn〕Cn=Gn+PnCn

令：Gn=Xn·Yn，Pn=Xn⊕Yn

Gn叫进位产生函数，其逻辑含义是：假设Xn，Yn均为1，必向高位产生进位；Pn叫进位传递函数，其逻辑含义是：Xn，Yn有且仅有一个为1，假设低位有进位，本位必有进位。于是有：

Cn+1=Gn+PnCn=Gn+Pn〔Gn-1+Pn-1Cn-1〕

经迭代后可得并行进位产生函数：

Cn+1=Gn+PnCG-1+PnPn-1Gn-2+…+PnPn-1…P1G0+PnPn-1…P1P0C0

C0

C0

X0