計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題

概論1.本課程的性質(zhì)、地位“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程是國家高等教育計(jì)算機(jī)及應(yīng)用專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課程。它是從計(jì)算機(jī)的組織和結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，學(xué)習(xí)和領(lǐng)會計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的課程。整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由軟件和硬件組成的一個復(fù)雜的綜合體。根據(jù)現(xiàn)有硬件、軟件和器件技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，面向各種不同的應(yīng)用，需要研究如何對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件和硬件功能進(jìn)行更合理的分配，并要研究對分配給硬件的那部分功能如何更好地實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)有盡可能高的性能價(jià)格比。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題共14頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!概論2.目的通過對本課程的學(xué)習(xí)，使我們能進(jìn)一步樹立和加深對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體概念，特別著眼于正確掌握有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本原理，了解目前采用的比較成熟的基本結(jié)構(gòu)，掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思想和方法，提高分析問題和解決問題的能力。同時，通過對本課程的學(xué)習(xí)，了解到近20年里，在并行處理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)上的一些重要進(jìn)展及今后可能的發(fā)展趨勢。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題共14頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!概論3.本課程與計(jì)算機(jī)組成原理課程的關(guān)系。4.特點(diǎn)近幾十年來的研究成果，幾乎沒有重復(fù)性；硬件課程，需要的知識面廣，要求設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，難度大。5.教學(xué)法板書結(jié)合課件，講難點(diǎn)和重點(diǎn)。6.學(xué)習(xí)方法、作業(yè)a、弄清每章的重點(diǎn)、難點(diǎn)，多看教材及筆記；b、實(shí)驗(yàn)安排；C、考試要求。7.教材、參考書計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鄭緯民等清華出版社；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教程尹朝慶清華出版社。8.現(xiàn)實(shí)意義考博考研、系統(tǒng)分析師的幫助。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題共14頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!【例2】如果某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有3個部件可以改進(jìn)，則這3個部件經(jīng)改進(jìn)后達(dá)到的加速比分別為：S1=30，S2=20，S3=10。（1）如果部件1和部件2改進(jìn)前的執(zhí)行時間占整個系統(tǒng)執(zhí)行時間的比例都為30%，那么，部件3改進(jìn)前的執(zhí)行時間占整個系統(tǒng)時間的比例為多少，才能使3個部件都改進(jìn)后的整個系統(tǒng)的加速比Sn達(dá)到10？（2）如果3個部件改進(jìn)前執(zhí)行時間占整個系統(tǒng)執(zhí)行時間的比例分別是30%、30%和20%，那么，3個部件都改進(jìn)后系統(tǒng)的加速比是多少？未改進(jìn)部件執(zhí)行時間在改進(jìn)后的系統(tǒng)執(zhí)行時間中占的比例多少？計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題共14頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!【例4】已知4個程序在計(jì)算機(jī)A、B、C上的執(zhí)行時間（s）分別如表1.6所示。表1.6程序在各計(jì)算機(jī)上的執(zhí)行時間（s）假設(shè)4個程序都分別執(zhí)行100*106條指令，計(jì)算這4個程序分別在計(jì)算機(jī)A、B、C上執(zhí)行的MIPS。根據(jù)這些速率值，你能否直接評價(jià)這3臺計(jì)算機(jī)相對性能的優(yōu)劣？如果不能，你能否找到一種方法對3臺計(jì)算機(jī)的相對性能進(jìn)行排序？程序

計(jì)算機(jī)A

計(jì)算機(jī)B

計(jì)算機(jī)C

程序111020程序2100010020程序3500100050程序4100800100計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題共14頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題分析1-7【分析】從機(jī)器（匯編）語言程序看，實(shí)際上也就是從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看的內(nèi)容。指令地址寄存器就是程序計(jì)數(shù)器，機(jī)器語言或匯編語言程序都要用到它，其位數(shù)多少會影響到可執(zhí)行程序的空間大小。指令緩沖器、主存地址寄存器都屬于計(jì)算機(jī)組成的緩沖器技術(shù)，是由全硬件實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)程序不參與對它們的管理。時標(biāo)發(fā)生器、乘法器、先行進(jìn)位鏈、移位器等都屬于計(jì)算機(jī)組成中的專用部件配置，它只影響機(jī)器的速度和價(jià)格，與軟件編程無關(guān)。條件碼寄存器是存放指令執(zhí)行后生成反映結(jié)果狀態(tài)或特征的標(biāo)志碼，它要供轉(zhuǎn)移等指令使用，是編程要用到的。磁盤外設(shè)的種類、編址方式、容量等都是磁盤管理服務(wù)程序要用到的。通用寄存器的數(shù)量、位數(shù)、編址、使用規(guī)定在機(jī)器語言和匯編語言程序中都是直接用到的。中斷字寄存器是用來記錄每一個中斷類中，各個中斷源發(fā)生中斷請求的狀況的，它是中斷服務(wù)程序在處理中斷時要用到的。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題共14頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題分析1-11【分析】系列機(jī)發(fā)展新型號機(jī)器最主要的是必須保證應(yīng)用軟件的向后兼容。就是說，早先機(jī)器上運(yùn)行的程序在后面得新機(jī)器上應(yīng)能照樣運(yùn)行，只是后面出來的新機(jī)器因?yàn)樵鰪?qiáng)了它的功能和速度，可以提高其性能。因此，對于那些不屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而屬于計(jì)算機(jī)組成和實(shí)現(xiàn)的東西，不管是增加、刪去，還是修改，都不會影響到匯編語言程序和機(jī)器語言程序在系列機(jī)上的兼容。但是，對于屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的那些內(nèi)容，為保證軟件的向后兼容，則只能增加其新的功能或部件，而不能去刪掉或更改已有的功能或部件。否則，就保證不了原有的程序能在新機(jī)器上正確運(yùn)行了。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題共14頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

“由下往上”設(shè)計(jì)是不管應(yīng)用要求，只根據(jù)自己的期間、硬件狀況，先設(shè)計(jì)好微程序機(jī)器級和傳統(tǒng)機(jī)器級，再為不同應(yīng)用配備多種不同的操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)軟件，一次設(shè)計(jì)上面的各個機(jī)器級。這是一種通用機(jī)的設(shè)計(jì)思路，但由于軟、硬件的脫節(jié)，軟件得不到為優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)所提供的硬件支持而顯得十分繁雜；研制出的硬件機(jī)器的性能指標(biāo)有可能是虛假的。所以，這種設(shè)計(jì)方法不好，已被淘汰。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)好的設(shè)計(jì)應(yīng)采用從層次的中間開始向兩邊進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。這樣，可以避免“由上往下”和“由下往上”的設(shè)計(jì)所帶來的軟件、硬件脫節(jié)的現(xiàn)象。既考慮能拿到的硬件、器件，又考慮應(yīng)用中可能要用到的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時，還要考慮如何為操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供更好的硬件支持，先確定好軟件和硬件功能分配的界面，然后，再分頭并行設(shè)計(jì)硬件和軟件。這樣做，不僅有利于縮短系統(tǒng)的研制時間，也有利于硬件和軟件設(shè)計(jì)人員之間的交流協(xié)調(diào)，使軟、硬件之間的功能分配更為合理，系統(tǒng)性能價(jià)格比更高。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題共14頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!【例1】在一個時鐘頻率f為40MHZ的處理機(jī)上執(zhí)行一個典型測試程序，該程序有4種類型指令，每種類型指令在程序中出現(xiàn)的條數(shù)和每種指令的CPI如下表1.1所示。

表1.1指令在程序中出現(xiàn)的條數(shù)和每種指令的CPI

計(jì)算這個測試程序在該處理機(jī)上運(yùn)行的CPI和相應(yīng)的MIPS。指令類型

指令條數(shù)

CPI

ALU1200001加載/存儲指令（Cache命中時）360002轉(zhuǎn)移指令240004訪存指令（Cache不命中時）200008計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題共14頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!【例3】假設(shè)高速緩存Cache的工作速度為主存的5倍，且Cache被訪問命中的概率為90%，那么，采用Cache后能使整個存儲系統(tǒng)獲得多高的加速比？計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題共14頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題分析1-6【分析】所謂透明就是看不到，不屬于其管理的部分。對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否是透明，首先要弄清楚教材有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義和所包含的屬性內(nèi)容。簡單來說，凡是編寫機(jī)器語言和匯編語言程序要用到的數(shù)據(jù)表示、指令系統(tǒng)、尋址方式、寄存器組織、機(jī)器級I/O結(jié)構(gòu)、存貯容量及其編址方式、中斷機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)管態(tài)和目態(tài)間的切換、信息保護(hù)方式和機(jī)構(gòu)等對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都是不透明的。而全部由硬件實(shí)現(xiàn)，或是在機(jī)器語言、匯編語言編程中不會出現(xiàn)和不需要了解的部分，以及只影響機(jī)器的速度和價(jià)格的邏輯實(shí)現(xiàn)（計(jì)算機(jī)組成）和物理實(shí)現(xiàn)（計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)）的那些部分，對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都是透明的。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題共14頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題分析1-8【分析】系統(tǒng)程序員是編寫諸如操作系統(tǒng)、編譯程序等各種系統(tǒng)軟件的人員。應(yīng)用程序員是指利用計(jì)算機(jī)及所配的系統(tǒng)軟件支持來編寫解決具體應(yīng)用問題的程序員。他們都可以使用匯編語言或機(jī)器語言來編寫程序，當(dāng)然也可以用高級語言來編寫程序。所以，對系統(tǒng)程序員或應(yīng)用程序員是不透明的，應(yīng)包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所包含的各方面。而屬全硬件實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)組成所包含的方面，如系列機(jī)各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度、Cache存貯器、指令緩沖寄存器等，無論是對系統(tǒng)程序員，還是對應(yīng)用程序員都應(yīng)當(dāng)是透明的。程序狀態(tài)字是操作系統(tǒng)用于管理計(jì)算機(jī)資源及使用狀況的，對目前高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來講，大多數(shù)都是多用戶環(huán)境，應(yīng)用程序（也稱算態(tài)、目態(tài)或用戶態(tài)程序）中不允許使用管態(tài)（也稱系統(tǒng)態(tài)、監(jiān)督態(tài)）中所用的特權(quán)指令，“啟動I/O”是大型機(jī)中的一種管態(tài)指令，屬特權(quán)指令，只在操作系統(tǒng)程序中使用，對系統(tǒng)程序員是不透明的；執(zhí)行指令應(yīng)設(shè)計(jì)成對應(yīng)用和系統(tǒng)程序員都是不透明的。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題共14頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

從計(jì)算機(jī)多級層次結(jié)構(gòu)的上或下開始設(shè)計(jì)，有“由上往下”、“由下往上”和“由中間開始向兩邊設(shè)計(jì)”等三種不同的設(shè)計(jì)思路?！坝缮贤隆痹O(shè)計(jì)是先考慮如何滿足應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)好面對使用者的那級機(jī)器應(yīng)具有哪些基本功能和特性，再逐級地向下設(shè)計(jì)各級機(jī)器，讓每一級都優(yōu)化于上一級來設(shè)計(jì)。這是一種專用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思路，不適合于一般的通用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，因?yàn)橐坏?yīng)用改變，可能會使軟、硬件功能分配很不合理，急劇降低系統(tǒng)的效率。廠家在設(shè)計(jì)時，往往也做不到下一級完全優(yōu)化于上一級來設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題共14頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!計(jì)算機(jī)的透明性概念

在計(jì)算機(jī)中，客觀存在的事物或?qū)傩詮哪硞€角度看不到，稱這些事物或?qū)傩詫λ峭该鞯摹Ｓ?jì)算機(jī)的“透明”與社會生活中“透明”，含義正好相反。社會生活中所稱的“透明”是指公開的，讓大家看到的意思；而計(jì)算機(jī)中的透明，則是指看不到的意思，如同玻璃瓶中明明裝著東西，但從某個角度透過瓶子去看，卻看不到瓶子內(nèi)裝的東西那樣。對目前多數(shù)的通用計(jì)算機(jī)來說，采用什么系列機(jī)，機(jī)器級和匯編級的指令系統(tǒng)，指令的條數(shù)、種類、功能、格式和編碼，主存的容量、編址空間和所用的編址方式，硬件直接識別的數(shù)據(jù)類型。格式和種類，I/O系統(tǒng)采用通道處理機(jī)還是外圍處理機(jī)，I/O設(shè)備的編址，I/O接口的使用規(guī)定等，所有這些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都設(shè)計(jì)成不透