计算机系统结构习题.ppt

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1、概论1.本课程的性质、地位 “计算机系统结构”课程是国家高等教育计算机及应用专业的一门非常重要的专业或专业基础课程。它是从计算机的组织和结构的角度出发，学习和领会计算机系统的课程。整个计算机系统是由软件和硬件组成的一个复杂的综合体。根据现有硬件、软件和器件技术的发展状况，面向各种不同的应用，需要研究如何对计算机系统的软件和硬件功能进行更合理的分配，并要研究对分配给硬件的那部分功能如何更好地实现，使系统有尽可能高的性能价格比。概论2.目的 通过对本课程的学习，使我们能进一步树立和加深对计算机系统的整体概念，特别着眼于正确掌握有关计算机系统结构的基本概念、基本原理，了解目前采用的比较成熟的基本结构

2、，掌握结构设计的基本思想和方法，提高分析问题和解决问题的能力。同时，通过对本课程的学习，了解到近20年里，在并行处理和系统结构技术上的一些重要进展及今后可能的发展趋势。概论3.本课程与计算机组成原理课程的关系。4.特点 近几十年来的研究成果，几乎没有重复性；硬件课程，需要的知识面广，要求设计计算机系统，难度大。5.教学法 板书结合课件，讲难点和重点。6.学习方法、作业a、弄清每章的重点、难点，多看教材及笔记；b、实验安排；C、考试要求。7.教材、参考书 计算机系统结构 郑纬民等 清华出版社；计算机系统结构教程 尹朝庆 清华出版社。8.现实意义 考博考研、系统分析师的帮助。【例1】在一个时钟频率

3、f为40MHZ的处理机上执行一个典型测试程序，该程序有4种类型指令，每种类型指令在程序中出现的条数和每种指令的CPI如下表1.1所示。表1.1 指令在程序中出现的条数和每种指令的CPI 计算这个测试程序在该处理机上运行的CPI和相应的MIPS。指令类型指令类型 指令条数指令条数 CPI ALU120 000 1加载/存储指令（Cache命中时）36 000 2转移指令 24 000 4访存指令（Cache不命中时）20 000 8计算机系统结构习题计算机系统结构习题【例2】如果某计算机系统有3个部件可以改进，则这3个部件经改进后达到的加速比分别为：S1=30，S2=20，S3=10。（1）如果

4、部件1和部件2改进前的执行时间占整个系统执行时间的比例都为30%，那么，部件3改进前的执行时间占整个系统时间的比例为多少，才能使3个部件都改进后的整个系统的加速比Sn达到10？（2）如果3个部件改进前执行时间占整个系统执行时间的比例分别是30%、30%和20%，那么，3个部件都改进后系统的加速比是多少？未改进部件执行时间在改进后的系统执行时间中占的比例多少？计算机系统结构习题计算机系统结构习题【例3】假设高速缓存Cache的工作速度为主存的5倍，且Cache被访问命中的概率为90%，那么，采用Cache后能使整个存储系统获得多高的加速比？计算机系统结构习题计算机系统结构习题【例4】已知4个程序

5、在计算机A、B、C上的执行时间（s）分别如表1.6所示。表1.6 程序在各计算机上的执行时间（s）假设4个程序都分别执行100*106条指令，计算这4个程序分别在计算机A、B、C上执行的MIPS。根据这些速率值，你能否直接评价这3台计算机相对性能的优劣？如果不能，你能否找到一种方法对3台计算机的相对性能进行排序？程序程序 计算机计算机A 计算机计算机B 计算机计算机C 程序1 11020程序2 1 00010020程序3 5001 00050程序4 100800100计算机系统结构习题计算机系统结构习题计算机系统结构习题分析计算机系统结构习题分析1-6【分析】所谓透明就是看不到，不属于其管理的

6、部分。对计算机系统结构是否是透明，首先要弄清楚教材有关计算机系统结构的定义和所包含的属性内容。简单来说，凡是编写机器语言和汇编语言程序要用到的数据表示、指令系统、寻址方式、寄存器组织、机器级I/O结构、存贮容量及其编址方式、中断机构、系统管态和目态间的切换、信息保护方式和机构等对计算机系统结构都是不透明的。而全部由硬件实现，或是在机器语言、汇编语言编程中不会出现和不需要了解的部分，以及只影响机器的速度和价格的逻辑实现（计算机组成）和物理实现（计算机实现）的那些部分，对计算机系统结构都是透明的。计算机系统结构习题分析计算机系统结构习题分析1-7【分析】从机器（汇编）语言程序看，实际上也就是从计算

7、机系统结构看的内容。指令地址寄存器就是程序计数器，机器语言或汇编语言程序都要用到它，其位数多少会影响到可执行程序的空间大小。指令缓冲器、主存地址寄存器都属于计算机组成的缓冲器技术，是由全硬件实现的，系统程序不参与对它们的管理。时标发生器、乘法器、先行进位链、移位器等都属于计算机组成中的专用部件配置，它只影响机器的速度和价格，与软件编程无关。条件码寄存器是存放指令执行后生成反映结果状态或特征的标志码，它要供转移等指令使用，是编程要用到的。磁盘外设的种类、编址方式、容量等都是磁盘管理服务程序要用到的。通用寄存器的数量、位数、编址、使用规定在机器语言和汇编语言程序中都是直接用到的。中断字寄存器是用来

8、记录每一个中断类中，各个中断源发生中断请求的状况的，它是中断服务程序在处理中断时要用到的。计算机系统结构习题分析计算机系统结构习题分析1-8【分析】系统程序员是编写诸如操作系统、编译程序等各种系统软件的人员。应用程序员是指利用计算机及所配的系统软件支持来编写解决具体应用问题的程序员。他们都可以使用汇编语言或机器语言来编写程序，当然也可以用高级语言来编写程序。所以，对系统程序员或应用程序员是不透明的，应包括计算机系统结构所包含的各方面。而属全硬件实现的计算机组成所包含的方面，如系列机各档不同的数据通路宽度、Cache存贮器、指令缓冲寄存器等，无论是对系统程序员，还是对应用程序员都应当是透明的。程

9、序状态字是操作系统用于管理计算机资源及使用状况的，对目前高性能计算机系统来讲，大多数都是多用户环境，应用程序（也称算态、目态或用户态程序）中不允许使用管态（也称系统态、监督态）中所用的特权指令，“启动I/O”是大型机中的一种管态指令，属特权指令，只在操作系统程序中使用，对系统程序员是不透明的；执行指令应设计成对应用和系统程序员都是不透明的。计算机系统结构习题分析计算机系统结构习题分析1-11【分析】系列机发展新型号机器最主要的是必须保证应用软件的向后兼容。就是说，早先机器上运行的程序在后面得新机器上应能照样运行，只是后面出来的新机器因为增强了它的功能和速度，可以提高其性能。因此，对于那些不属于

10、计算机系统结构，而属于计算机组成和实现的东西，不管是增加、删去，还是修改，都不会影响到汇编语言程序和机器语言程序在系列机上的兼容。但是，对于属于计算机系统结构的那些内容，为保证软件的向后兼容，则只能增加其新的功能或部件，而不能去删掉或更改已有的功能或部件。否则，就保证不了原有的程序能在新机器上正确运行了。计算机系统的设计思路计算机系统的设计思路 从计算机多级层次结构的上或下开始设计，有“由上往下”、“由下往上”和“由中间开始向两边设计”等三种不同的设计思路。“由上往下”设计是先考虑如何满足应用要求，设计好面对使用者的那级机器应具有哪些基本功能和特性，再逐级地向下设计各级机器，让每一级都优化于上

11、一级来设计。这是一种专用计算机的设计思路，不适合于一般的通用计算机的设计，因为一旦应用改变，可能会使软、硬件功能分配很不合理，急剧降低系统的效率。厂家在设计时，往往也做不到下一级完全优化于上一级来设计。计算机系统的设计思路计算机系统的设计思路 “由下往上”设计是不管应用要求，只根据自己的期间、硬件状况，先设计好微程序机器级和传统机器级，再为不同应用配备多种不同的操作系统和编译系统软件，一次设计上面的各个机器级。这是一种通用机的设计思路，但由于软、硬件的脱节，软件得不到为优化软件设计所提供的硬件支持而显得十分繁杂；研制出的硬件机器的性能指标有可能是虚假的。所以，这种设计方法不好，已被淘汰。计算机

12、系统好的设计应采用从层次的中间开始向两边进行设计的方法。这样，可以避免“由上往下”和“由下往上”的设计所带来的软件、硬件脱节的现象。既考虑能拿到的硬件、器件，又考虑应用中可能要用到的算法和数据结构，同时，还要考虑如何为操作系统、编译系统的实现提供更好的硬件支持，先确定好软件和硬件功能分配的界面，然后，再分头并行设计硬件和软件。这样做，不仅有利于缩短系统的研制时间，也有利于硬件和软件设计人员之间的交流协调，使软、硬件之间的功能分配更为合理，系统性能价格比更高。计算机的透明性概念计算机的透明性概念 在计算机中，客观存在的事物或属性从某个角度看不到，称这些事物或属性对他是透明的。计算机的“透明”与社

13、会生活中“透明”，含义正好相反。社会生活中所称的“透明”是指公开的，让大家看到的意思；而计算机中的透明，则是指看不到的意思，如同玻璃瓶中明明装着东西，但从某个角度透过瓶子去看，却看不到瓶子内装的东西那样。对目前多数的通用计算机来说，采用什么系列机，机器级和汇编级的指令系统，指令的条数、种类、功能、格式和编码，主存的容量、编址空间和所用的编址方式，硬件直接识别的数据类型。格式和种类，I/O系统采用通道处理机还是外围处理机，I/O设备的编址，I/O接口的使用规定等，所有这些计算机系统结构都设计成不透明的。而系列机内部搞哪几种型号的计算机，指令的解释采用顺序、重叠还是流水，乘法指令是用加法器和移位器经一连串脉冲控制实现其操作还是用专门的高速乘法器来实现，主存采用单体还是多体交叉并行组织，数据总线线数的多少(即数据通路宽度的大小)，通道采用结合型还是独立型，系统采用单总线还是多总线，控制器微操作信号是用微程序控制器产生还是用组合逻辑电路控制器产生等，所有这些对计算机组成设计来说都应是不透明的。