計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念

計算機體系結(jié)構(gòu)的基本概念1、20世紀50年代，人們認為在銀行里用計算機來完成現(xiàn)金存取業(yè)務(wù)的想法三荒唐可笑的。2、填空題：計算機的發(fā)展始終受到制造技術(shù)和計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的雙重影響。3、目前廣泛使用的存儲程序計算機的完整概念就是在這個時期產(chǎn)生的，人們通常稱之為馮.諾依曼計算機結(jié)構(gòu)。3、微處理器出現(xiàn)以后，計算機系統(tǒng)設(shè)計、計算機市場和計算機應(yīng)用都出現(xiàn)了較大的變化。首先，計算機用戶是最直接的收益者。第二，對于市場而言，微處理器的大批量生產(chǎn)促成了計算機產(chǎn)品的批量化、標準化、和市場化，這種變化也促進了計算機設(shè)計、生產(chǎn)和應(yīng)用的良性發(fā)展。第三、大量兼容的微處理器、標準化的接口、高度兼容的計算機系統(tǒng)的出現(xiàn)，避免了系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序的重復(fù)開發(fā)。4、經(jīng)典的關(guān)于“計算機體系結(jié)構(gòu)”的定義三1964年C.M.Amdahl在介紹IBM360系統(tǒng)時提出的，其具體描敘為“計算機體系結(jié)構(gòu)是程序員所看到的計算機的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性”。5、Amdahi提出的體系結(jié)構(gòu)是指機器語言程序級程序員所看見的計算機屬性。6、經(jīng)典計算機體系結(jié)構(gòu)概念的實際是計算機系統(tǒng)中軟、硬件界面的確定，也就是指令集的設(shè)計，該界面之上由軟件的功能實現(xiàn)，界面之下由硬件和固定的功能來實現(xiàn)。7、系列機的軟件兼容還有向上兼容、向下兼容、向前兼容、向后兼容之分。8、現(xiàn)代計算機實現(xiàn)技術(shù)的基礎(chǔ)核心是以晶體管為基本單元的平面集成電路。9、集成電路密度大約每兩年翻一番。10、集成電路制造中的重要技術(shù)指標之一是特征尺寸，在現(xiàn)有集成電路制造工藝中，它是指集成電路上一個晶體管的尺寸或者x和y兩個維度上的最大制造線寬。11、用戶關(guān)心的是響應(yīng)時間：從事件開始到結(jié)束之間的時間，也稱為執(zhí)行時間。管理員關(guān)心的是如何提高流量：在單位時間內(nèi)所能完成的工作量。它們的相同點是都認為能夠以最短時間完成指定任務(wù)的計算機就是最快的；這兩者之間的不同點是響應(yīng)時間通常針對單任務(wù)，而流量往往針對多任務(wù)。12、Amdahl定律指出：加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。13、名詞解析：程序的局部性原理：程序的局部性原理是指程序總是趨向于使用最近使用過的數(shù)據(jù)和指令，也就是說程序執(zhí)行時所訪問存儲器地址分布不是隨機的，而是相對的簇聚；這種簇聚包括指令和數(shù)據(jù)兩部分。程序的局部性包括程序的時間局部性和程序的空間局部性。程序的時間局部性是指程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。程序的空間局部性是指程序即將用到的信息很可能與目前正在使用的信息在空間上相鄰或者鄰近。14、程序執(zhí)行過程中所處理的指令數(shù)，記為IC。這樣可以獲得一個與計算機體系結(jié)構(gòu)有關(guān)的的參數(shù)，即指令時鐘數(shù)（CyclesPerInstruction,CPI），其計算公式為:CPI=總時鐘周期數(shù)/IC15、所謂并行性（parallelism）是指在同一時刻或是同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。只要時間上互相重疊，就存在并行性。嚴格來講，把兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生的并行性叫做同時性（simultaneity）；而把兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生的并行性叫做并發(fā)性（concurrency）。36頁16、計算機系統(tǒng)中的并行性有不同的等級。從執(zhí)行程度的角度看，并行性等級從低到高可分為：1）指令內(nèi)部并行；2）指令級并行性；3）線程級并行；4）任務(wù)級并行；5）作業(yè)或程序級并行。從處理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級從低到高可以分為：字串位串；字串位并；字并位串；字并行。17、計算機系統(tǒng)中提高并行性的措施多種多樣，單就其思想而言，都可歸納下列3種途徑：1）時間重疊；2）資源重復(fù)；3）資源共享。第二章計算機指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計一般來說，可以從以下5個因素考慮對計算機的指令集結(jié)構(gòu)進行分類：CPU中操作數(shù)的存儲方法。指令中顯示表示的操作數(shù)個數(shù)。操作數(shù)的尋址方式。指令集所提供的操作類型。5）操作數(shù)的類型和大小。2、填空題：早期的大多數(shù)機器都是采用堆棧型或累加器型指令集結(jié)構(gòu)。但是自1980年以來的大多數(shù)機器均采用的是通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)。這主要有兩個方面的原因，一是寄存器和CPU內(nèi)部其他存儲單元一樣，要比存儲器快；其次是對編譯器而言，可以更容易、有效地分配和使用寄存器。通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)進一步細分為3種類型，即寄存器-寄存器型（Register-Register,R-R）、寄存器-存儲器型（Register-Memory，R-M）和存儲器-存儲器型（Memory-Memory，M-M）。常見的3種通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點：46頁1）指令集結(jié)構(gòu)類型：寄存器-寄存器型（0,3）優(yōu)點：簡單，指令字長固定，是一種簡單的代碼生成模型，各種指令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)相近。缺點：和ALU指令中含存儲器操作數(shù)的指令集結(jié)構(gòu)相比，指令條數(shù)多，因而其目標代碼量大。2）指令集結(jié)構(gòu)類型：寄存器-存儲器型（1,2）優(yōu)點：可以直接對存儲器操作數(shù)進行訪問，容易對指令進行編碼，且其目標代碼量較小。缺點：指令中的操作數(shù)的類型不同。在一條指令中同時對一個寄存器操作數(shù)和存儲器操作數(shù)進行編碼，將限制指令所能夠表示的寄存器個數(shù)。由于指令的操作數(shù)可以存儲在不同類型的存儲器單元，所以每條指令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)也不盡相同。3）指令集結(jié)構(gòu)類型：存儲器-存儲器型（3,3）優(yōu)點：是一種最緊密的編碼方式，無需“浪費”寄存器保存變量。缺點：指令字長多種多樣。每條指令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)也大不一樣，對存儲器的頻繁訪問將導(dǎo)致存儲器訪問瓶頸問題。注：表中（m,n）表示指令的n個操作數(shù)中有m個存儲器操作數(shù)。我們把由程序計數(shù)器決定的尋址方式，叫做“PC相對尋址”（PCrelative），它主要用來在控制轉(zhuǎn)移指令中指定目標指令的地址。名詞解析：一個方向是強化指令功能，實現(xiàn)軟件功能向硬件功能轉(zhuǎn)移，基于這種指令集結(jié)構(gòu)而設(shè)計實現(xiàn)的計算機系統(tǒng)稱為復(fù)雜指令集計算機（CISC）。另一個方向是20世紀80年代發(fā)展起來的精簡指令集計算機（RISC），其目的是盡可能地降低指令集結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以達到簡化實現(xiàn)、提高性能的目的，這也是當今指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計的一個主要趨勢。CISC指令集結(jié)構(gòu)存在