计算机体系结构总结.doc

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1、计算机体系结构的详尽描述一.计算机系统结构的基本概念1.计算机体系结构的概念1964年G.M.Amdahl在介绍IBM360系统时提出：计算机系统结构是从程序员所看到的计算机属性，即程序员编写出能在机器上正确运行的程序所必须了解的概念性结构和功能特性。系统结构是对计算机系统中各级界面的划分、定义及其上下功能的分配。系统结构设计主要研究界面的属性的透明性的取舍。计算机系统结构（体系结构）指的是传统机器级的系统结构。计算机系统结构研究的是软、硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定。2.计算机系统的多级层次结构二.计算机指令集结构设计根据五个因素对计算机指令集

2、结构进行分类：在CPU中操作数的存储方法；指令中显式表示的操作数个数；操作数的寻址方式；指令集所提供的操作类型；操作数的类型和大小。其中1是最主要的区别根据CPU内部存储单元类型，可将指令集结构分为堆栈型指令集结构、累加器型指令集结构和通用寄存器型指令集结构。优缺点？堆栈型（其CPU中存储操作数的主要单元是堆栈）：是一种表示计算的简单模型；指令短小。不能随机访问堆栈，从而很难生成有效代码；同时，由于堆栈是瓶颈，所以很难被高效地实现。累加器型（其CPU中存储操作数的主要单元是累加器）：减少了机器的内部状态；指令短小。由于累加器是唯一的暂存器，这种机器的存储器通信

3、开销最大。寄存器型（CPU中存储操作数的主要单元是通用寄存器）：易于生成高效的目标代码。所有操作数均需命名，且要显式表示，因而指令比较长现代大多数机器均采用通用寄存器型指令集结构，原因：一是寄存器和CPU内部其他存储单元一样，要比存储器快；其次是对编译器而言，可以更加容易、有效地分配和使用寄存器。寄存器－寄存器型（RR）优点：简单，指令字长固定，是一种简单的代码生成模型，各种指令的执行时钟周期数相近。缺点：和ALU指令中含存储器操作数的指令集结构相比，指令条数多，因而其目标代码量较大。寄存器－存储器（RM）优点：可以直接对存储器操作数进行访问，容易对指令进行编

4、码，且其目标代码量较小。缺点：指令中的操作数类型不同。在一条指令中同时对一个寄存器操作数和存储器操作数进行编码，将限制指令所能够表示的寄存器个数。由于指令的操作数可以存储在不同类型的存储器单元，所以每条指令的执行时钟周期数也不尽相同存储器－存储器型（MM）优点：是一种最紧密的编码方式，无需“浪费”寄存器保存变量。缺点：指令字长多种多样。每条指令的执行时钟周期数也大不一样，对存储器的频繁访问将导致存储器访问瓶颈问题CISC即复杂指令集计算机。它是增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实行，并且指令的数量也是越来越多。RISC精简指令集计算机。它是尽可能的把指令

5、集简化，不仅指令的条数少，而且指令的功能也比较简单。三.流水线技术流水线技术：将一个重复的时序过程分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。时空图：用来描述流水线的工作，横坐标表示时间，纵坐标代表流水线的各段。流水技术有哪些特点？1）流水过程由多个相联系的子过程组成，每个过程称为流水线的“级”或“段”。2）每个子过程由专用的功能段实现。3）各个功能段所需时间应尽量相等。4）流水线需要有“通过时间”，在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期(拍)流出一个结果。5）流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端能

6、连续地提供任务，流水线的效率才能充分发挥。多倍性：在系统受限的部件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大数目。流水线分类1按照流水线所完成的功能（1）单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线（2）多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连接，从而使流水线在不同的时间，或者在同一时间完成不同的功能。2按照同一时间内各段之间的连接方式（1）静态流水线：在同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。2）动态流水线：在同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。3按照流水的级别（1）部件级流水线（运算操作流水线）：把处理机的算

7、术逻辑部件分段，以便为各种数据类型进行流水操作。（2）处理机级流水线（指令流水线）：把解释指令的过程按照流水方式处理。（3）处理机间流水线（宏流水线）：由两个以上的处理机串行地对同一数据流进行处理，每个处理机完成一项任务。4按数据表示（1）标量流水处理机：处理机不具有向量数据表示，仅对标量数据进行流水处理。（2）向量流水处理机：处理机具有向量数据表示，并通过向量指令对向量的各元素进行处理。5按照流水线中是否有反馈回路（1）线性流水线：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。（2）非线性流水线：流水线中除有串行连接的通路外，还有反馈回路。流水线寄存器的作用：把数据和

8、控制信息从一个流水段传送到下一个流水段