系统结构概念、性能评价与指令系统

本节导读

计算机系统结构是大纲五门专业知识课程的第一门，大纲共九条，要求「掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法」，并且「重点强调用量化的方法分析和评价一个计算机系统」。本课用三节讲完：本节讲基本概念与性能评价、数据表示与指令系统、CISC 与 RISC；第 16 节讲存储系统与输入输出；第 17 节讲流水线与并行处理。

常见资料提到这门课的题型有填空、计算、设计、综合。本节的计算题主要是 CPU 时间、CPI、MIPS 和 Amdahl 定律；设计题的代表是用 Huffman 编码或扩展操作码给指令编码、算平均码长。学完你应该能熟练写出这几个公式并代入计算，并能说出 RISC 的主要特点和关键技术。

系统结构的基本概念

经典定义（Amdahl 等人，1964 年）：计算机系统结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。从使用者看，计算机是一个多级层次结构：应用语言机器、高级语言机器、汇编语言机器、操作系统机器、传统机器语言机器、微程序机器，下层为上层提供支持。对某一级程序员来说不必了解、也看不到的属性，叫对他「透明」，比如 Cache 对机器语言程序员是透明的。

系统结构、组成与实现的区别，常用乘法指令来说明：

层面	关心的问题	乘法的例子
计算机系统结构	软硬件界面上的功能属性	指令系统里要不要设乘法指令
计算机组成	系统结构的逻辑实现	乘法指令用专门的乘法器实现，还是用加法器循环实现
计算机实现	组成的物理实现	乘法器用什么器件、什么工艺制造

Flynn 分类按指令流和数据流的多少把计算机分成四类：单指令流单数据流 SISD（传统的单处理机）、单指令流多数据流 SIMD（阵列处理机、向量运算）、多指令流单数据流 MISD（实际机器很少）、多指令流多数据流 MIMD（多处理机、集群）。

设计方法有「由上往下」「由下往上」和「从中间开始」三种，「中间」指软硬件的交界面。解决软件可移植性的办法有：采用统一的高级语言、采用系列机（同一系列的新机器保证向后兼容）、模拟（用软件解释另一台机器的指令）和仿真（用微程序解释）。

性能评价

指标	公式
CPU 时间	$T = IC \times CPI \times T_c = \frac{IC \times CPI}{f}$T=IC×CPI×Tc​=fIC×CPI​
平均 CPI	$CPI = \sum_i CPI_i \times \frac{IC_i}{IC}$CPI=∑i​CPIi​×ICICi​​
MIPS	$MIPS = \frac{f}{CPI \times 10^6}$MIPS=CPI×106f​
Amdahl 定律	$S = \frac{1}{(1 - F_e) + F_e / S_e}$S=(1−Fe​)+Fe​/Se​1​

表中 IC 是执行的指令条数，$T_c$Tc​ 是时钟周期，f 是主频；$F_e$Fe​ 是可改进部分在原执行时间中所占的比例，$S_e$Se​ 是这部分改进后的加速比。Amdahl 定律说明：系统的加速比受不可改进部分的限制，即使 $S_e$Se​ 无限大，整机加速比也不会超过 $\frac{1}{1 - F_e}$1−Fe​1​。例如可改进部分占 40%、它被加速 10 倍，整机加速比是 $\frac{1}{0.6 + 0.04} \approx 1.56$0.6+0.041​≈1.56，离 10 倍很远。所以要优先加速经常发生的情况。

性能评价的另一个基础是程序的局部性原理：时间局部性（最近访问过的内容很快会再次访问）和空间局部性（与访问过的地址相邻的内容很快会被访问）。比较性能常用基准测试程序，按可信程度从高到低依次是实际应用程序、核心程序、小型测试程序、合成测试程序；常见的有 SPEC 测试程序组、测定点性能的 Dhrystone、测浮点性能的 Whetstone。

数据表示与寻址方式

数据表示指计算机硬件能够直接识别、可以被指令系统直接调用的数据类型。浮点数由阶码和尾数组成：阶码位数决定表示范围，尾数位数决定精度。IEEE 754 单精度格式是 1 位符号、8 位阶码（偏移 127）、23 位尾数，尾数前隐含一个 1，值为 $(-1)^s \times 1.f \times 2^{e - 127}$(−1)s×1.f×2e−127；双精度是 1、11、52 位，偏移 1023。

自定义数据表示有两种：标志符数据表示，每个数据带一个说明类型的标志符，由硬件自动识别类型；数据描述符，用来描述成块的数据（向量、数组、记录），与数据分开存放。此外还有向量数据表示、堆栈数据表示。

常见寻址方式：立即寻址（操作数在指令里）、直接寻址（指令给出操作数地址）、间接寻址（指令给出地址的地址）、寄存器寻址与寄存器间接寻址、变址寻址（变址寄存器加形式地址，常用于数组）、基址寻址（基址寄存器加位移，常用于程序重定位）、相对寻址（PC 加位移，常用于转移）。

指令系统设计与操作码优化

指令由操作码和地址码组成。设计指令系统要兼顾完整性、规整性、高效率和兼容性。操作码编码有三种思路：