第一篇：深圳大學-計算機體系結(jié)構(gòu)總結(jié)
一，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導論
1.層次機構(gòu)：按照計算機語言從低級到高級的次序，把計算機系統(tǒng)按功能劃分成多級層次結(jié)構(gòu)。這些層次依次為：微程序機器級，傳統(tǒng)機器級，操作系統(tǒng)機器級，匯編語言機器級，高級語言機器級，應用語言機器級等。
2.翻譯：先用轉(zhuǎn)換程序把高一級機器上的程序轉(zhuǎn)換為低一級機器上等效的程序，然后再在這低一級機器上運行，實現(xiàn)程序的功能。
解釋：對于高一級機器上的程序中的每一條語句或指令，都是轉(zhuǎn)去執(zhí)行低一級機器上的一段等效程序。執(zhí)行完后，再去高一級機器取下一條語句或指令，再進行解釋執(zhí)行，如此反復，直到解釋執(zhí)行完整個程序。
解釋比翻譯花的時間多，存儲空間占用少。
3.虛擬機：用軟件實現(xiàn)的機器。以區(qū)別于由硬件或固件實現(xiàn)的實際機器。
4.計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機器程序員所看到的計算機屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。5.透明性：在計算機技術(shù)中，把這種本來存在的事物或?qū)傩裕珡哪撤N角度看又好像不存在的概念稱為透明性。
三種分類：Fllynn，馮氏，Handler。
6.計算機組成：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，計算機實現(xiàn)：計算機組成的物理實現(xiàn)，一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種實現(xiàn)。
址。3寄存器尋址是指在指令的地址碼部分直接給出操作數(shù)所在的寄存器編號。而所需的操作數(shù)就在這個寄存器中4.寄存器間接尋址，寄存器給的不是操作數(shù)而是操作數(shù)地址，可以用這一地址去讀寫存儲器相關(guān)單元。
三．數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)設(shè)計 1.數(shù)據(jù)表示：是指能由機器硬件直接識別、可以被指令系統(tǒng)直接調(diào)用的數(shù)據(jù)類型。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):研究的是面向系統(tǒng)軟件、應用領(lǐng)域所需要處理的各種數(shù)據(jù)類型，研究這些數(shù)據(jù)類型的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，并給出相應的算法。數(shù)據(jù)表示是結(jié)構(gòu)的組成元素，都是數(shù)據(jù)類型的子集。是硬軟件交界面。
2.定點數(shù)：數(shù)據(jù)表示中小數(shù)點位置固定的數(shù)據(jù)，分為純整數(shù)和純小數(shù).純整數(shù)：最大數(shù)（Rm的n次-1）最小數(shù)（-Rm的n次）表數(shù)個數(shù)（Rm的n+1次）
純小數(shù)：最大數(shù)（1-Rm的-n次）最小數(shù)（-Rm的-n次）表數(shù)個數(shù)（Rm的n+1次）。
3.浮點數(shù)
第一種：
單精度：A =(-1)S*2E-127 *1.F 雙精度：A =(-1)S*2E-1023 *1.F
7.馮諾依曼特點：1.機器以運算器為中心2.采用存儲程序原理3.存儲器是按地址訪問的，線性編址的空間4.控制流由指令流產(chǎn)生5.指令由操作碼和地址碼組成6.數(shù)據(jù)以二進制編碼表示，采用二進制運算。
范圍：1to(2-2的-23次)
N?m?ree?rg
8.計算機應用的發(fā)展可以歸納為：數(shù)據(jù)處理，信息處理，知識處理，智能處理。
9.同型號的計算機。系列機：由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不
兼容機：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機。10.軟件兼容：一個軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺計算機移植到另一臺計算機上運行。差別只是執(zhí)行時間的不同。
向上（下）兼容：按某檔計算機編制的程序，不加修改就能運行于比它高（低）檔的計算機。向后（前）兼容：按某個時期投入市場的某種型號計算機編制的程序，不加修改地就能運行于在它之后（前）投入市場的計算機。
軟件具有兼容性和可移植性
硬件軟件邏輯上等效 11.解決軟件可移植性：采用系列機，模擬和仿真，采用統(tǒng)一高級語言。
11.模擬：用軟件的方法在一臺現(xiàn)有的計算機上實現(xiàn)另一臺計算機的指令系統(tǒng)。
仿真：用一臺現(xiàn)有計算機上的微程序去解釋實現(xiàn)另一臺計算機的指令系統(tǒng)。
12.MIPS:每秒百萬條指令
MFLOPS：每秒百萬條浮點運算指令。無法體現(xiàn)機器性能
指令條數(shù) MIPS?指令條數(shù)Te=執(zhí)行時間?106MIPS?106MFLOPS?程序中的浮點操作次數(shù)12.大概率事件優(yōu)先原則：是計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要和最常用的原則，基本思想CPU執(zhí)行時間?106是：對于大概率事件，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。13.Amdahl定律：當對一個系統(tǒng)中的某個部件進行改進后，所能獲得的整個系統(tǒng)性能的提高，受限于該部件的執(zhí)行時間占總執(zhí)行時間的百分比。14.15.可改進部分在原系統(tǒng)計算時間中所占比例：改進部分采用改進措施后比沒有采用改進措施前性能提高的倍數(shù)：Fe
Se
T 1?FT0?Fe?F?T01n ?T 0?e??S?T0?1?Fee?S?Sn?T?n?1?FFeee?e??CPU CPU時鐘周期數(shù)? 時間=SCPU時間=CPU時鐘周期數(shù)?時鐘周期長度e 時鐘頻率CPU時鐘周期數(shù)CPU時間 = CPI?IC?時鐘周期長度= IC?CPICPI = IC時鐘頻率16.IC：執(zhí)行指令條數(shù)
CPI：平均時鐘周期數(shù)
MIPS=f(MHz)/ CPI
17.程序的局部性原理：程序執(zhí)行時所訪問的存儲器地址不是隨機分布的，而是相對地簇聚。包括時間局部性和空間局部性。時間局部性：程序即將用到的信息很可能是目前正在使用的信息。空間局部性：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接近。
CPU時間=用戶CPU時間和系統(tǒng)CPU時間。
二．現(xiàn)代計算機組成
1.馮諾依曼體系：1運算器和控制器成為中央處理機，CPU是硬件系統(tǒng)核心，用于數(shù)據(jù)加工處理，完成各種算術(shù)，邏輯運算及各種控制功能。2存儲器是記憶設(shè)備，分內(nèi)存和外存。3輸入輸出設(shè)備是計算機與外界交換信息的裝置。
2.CPU：由控制器，運算器和寄存器組成。控制器是計算機控制中心，運算器是計算機對數(shù)據(jù)進行加工處理的中心，寄存器是CPU內(nèi)部臨時存儲單元，容量小速度快。3.尋址方式：解決的是指令中如何提供操作數(shù)及操作數(shù)地址等問題。
分為立即數(shù)尋址，直接尋址，寄存器尋址，寄存器間接尋址，變址尋址，基址尋址，相對尋址。4.設(shè)備和算法的總稱。存儲系統(tǒng)：計算機中存放程序和數(shù)據(jù)的各種存儲設(shè)備，控制部件及管理信息調(diào)度的主要指標：大容量，高速度，低價格。
5.程序訪問局部性原因：1程序進行時，除了少部分的轉(zhuǎn)移和過程調(diào)用指令外，大多數(shù)情況下仍是順序執(zhí)行。2過程調(diào)用深度值大多數(shù)情況不超過5，3程序中存在循環(huán)結(jié)構(gòu) 4.7.程序中包括許多對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的處理輸入輸出系統(tǒng)作用：1.提供人機交互接口。
2.完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。3.是重要的存儲媒介。4.為各領(lǐng)域提供應用手段。
8.件提供互連和信息傳輸?shù)囊唤M公共信號線。總線:是多個系統(tǒng)功能部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路，或者說是能為多個功能部
工作原理：當多個設(shè)備連接在總線上時，其中一個設(shè)備發(fā)出的信號可以為其他所有設(shè)備接收，但是在某個時段內(nèi)，只有一個設(shè)備能成功發(fā)出信號，總線數(shù)據(jù)傳輸過程分為：總線申請與裁決，總線尋址，數(shù)據(jù)傳送及錯誤檢測等。
9.單總線結(jié)構(gòu)：所有部件，設(shè)備連接到這組總線。結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于接入新的設(shè)備，不利于提高總線的數(shù)據(jù)傳輸率。
10.雙總線結(jié)構(gòu)：CPU和主存間設(shè)置一組高速存儲總線。
11.三總線結(jié)構(gòu)：在雙總線基礎(chǔ)上增加一組從存儲器到高速I/O的總線，DMA總線、主存總線用于CPU和主存之間的信息傳送；I/O總線用于CPU和各個I/O之間進行信息傳輸；DMA總線用于高速外設(shè)和主存之間的信息交換。DMA和主存總線不能同時訪問主存。
目前常用——Cache總線，主存總線，I/O總線三級總線結(jié)構(gòu)。
12.配。CPU
和 接口功能I/O處理匹配：數(shù)據(jù)緩沖功能，接受和執(zhí)行：速度不匹配，時序不匹配，信息格式不匹配，信息類型不匹CPU命令功能，信號轉(zhuǎn)換功能，地址譯碼和設(shè)備選擇功能，中斷管理功能，可編程功能。
13.操作數(shù)地址。四種基本尋址方式區(qū)別2直接尋址是指在指令的地址碼部分給出的就是操作數(shù)在存儲器中的地：1立即數(shù)尋址指令的地址碼部分就是指令操作數(shù)，而不是第二種：m:尾數(shù)的值
e：階碼的值
Rm：尾數(shù)的基
Re：階碼的基
p：尾數(shù)長度
q：階碼長度m e
3.四種舍入法：截斷法，舍入法，恒置法，查表舍入法。
4.常用的編址方式：隱含編址，統(tǒng)一編址，獨立編址。
隱含編址：操作碼隱含了其尋址方式。統(tǒng)一編址：將I/O端口地址和存儲器地址合為一體，進行統(tǒng)一編址。
獨立編址：將I/O與存儲器分別單獨編址。
5.尋址技術(shù)：系統(tǒng)尋找數(shù)據(jù)或其他有用信息的地址的技術(shù)。
尋址方式：指令系統(tǒng)中如何形成所要訪問的數(shù)據(jù)的地址。
三類面向：面向主存，面向寄存器，面向堆棧。6.邏輯地址：計算機系統(tǒng)的各個源程序或程序段是從自己的零地址開始分配地址空間的。
物理地址：程序調(diào)入主存中占用的實際地址稱為物理地址。
7.數(shù)的類型。指令一般由操作碼和地址碼組成。
地址碼包括操作數(shù)地址，地址的附加信息和尋址方式等信息。
操作碼通常包括指令的操作種類和所用的操作 8.指令格式優(yōu)化：操作碼優(yōu)化+地址碼優(yōu)化。
9.息量。操作碼優(yōu)化可以通過信息源熵和信息冗余衡量。
操作碼編碼分為：固定長度編碼，Huffman
編碼和擴展編碼。信息源熵是信息源所含的平均信
10.Huffman編碼不是唯一的，操作碼的平均碼長是唯一的，且肯定是可用二進制位編碼平均碼長最短的編碼。
信息冗余=（實際平均碼長-H）/實際平均碼長
11.地址碼個數(shù)選擇標準：程序的存儲量（越小越好）和程序的執(zhí)行速度（越快越好）。12.地址碼指令：1零地址指令，只有操作碼沒有地址碼。2一地址指令，包含一個地址字段。3二地址指令，兩個操作數(shù)地址，源和目標地址。4三地址指令，兩個源操作地址，一個目標操作數(shù)地址。
13.DLX指令格式：I類指令，J類指令，R類指令。
14.的目的存儲器基地址I類指令：1.Store指令： 2.LordOP指令：為操作碼，OP為操作碼，Ra為要讀取的源寄存器地址，Ra為要寫入的目的寄存器地址，Rb為要寫入Rb為要讀取的源存儲器基地址。3移位指令格式：Ra：要寫入的目的寄存器地址，Rs是要進行移位操作的源寄存器，保留10位，5位Imm是移位的位數(shù)
4.有一個立即數(shù)指令：Ra為目的寄存器地址，Rd為源操作數(shù)地址，Imm為立即數(shù)。5.條件分支指令：Rb為判斷跳轉(zhuǎn)條件，Rb空缺，Imm為16位偏移量。6.寄存器跳轉(zhuǎn)指令：Ra空缺，Rb15.J為跳轉(zhuǎn)的目的基地址，類指令：OP，0-25位在跳轉(zhuǎn)指令中為跳轉(zhuǎn)地址，在中斷指令中為中斷向量號。Imm為跳轉(zhuǎn)的偏移地址。
16.R類指令：1.算術(shù)/邏輯運算指令：OP為操作碼，Ra為目的寄存器，Rs，Rt為源寄存器，F(xiàn)unc包含四位指令擴展功能碼和6位保留。2.移位指令：OP為操作碼，Rd為移位目的寄存器，Rs為移位源操作數(shù)寄存器，Rt為移位位數(shù)寄存器，F(xiàn)unc同上。3.第一類寄存器間數(shù)據(jù)傳輸指令：OP為操作碼，Rd為目的寄存器，Rs，Rt保留，F(xiàn)unc同上。4.第二類寄存器間數(shù)據(jù)傳輸指令：OP為操作碼，Rd空缺，Rs為移位源操作數(shù)寄存器，Rt空缺，F(xiàn)unc同上
17.CISC（Complex Instruction Set Computer）：復雜指令集計算機
缺點：1.各種指令的使用頻率相差懸殊 2.帶來了計算機體系結(jié)構(gòu)的復雜性 3.不利于單片集成 4.運行速度慢 5.不利于采用先進的計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)來提高性能。
18.RISC(Reduced Instruction Set Computer): 精簡指令集計算機
設(shè)計原則：1.選取使用頻率最高的指令，并補充一些最有用的指令 2.每條指令功能盡可能簡單，并在一個機器周期內(nèi)完成 3.所有指令長度相同 4.只有Load和Store才能防問存儲器，其余在寄存器中進行 5.以簡單有效的方式支持高級語言。
19.的指令使用量則很少，僅占整個程序使用量的二八定理：20%的指令反復地執(zhí)行，使用量占據(jù)整個程序使用量20%。80%：而剩下80%20.現(xiàn)代微處理機主頻提升的原因：先延遲，功耗。
21.3.計算機價格的發(fā)展趨勢。計算機系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)計者應考慮的因素
：1.技術(shù)發(fā)展趨勢 2.計算機使用的發(fā)展趨勢 22.線延遲墻：隨著集成電路工藝的進步，芯片內(nèi)晶體管大小不斷變小，其邏輯門延遲也隨之減小，而走線延遲所占的比重也隨之越來越大，導致電路頻率不能隨著工藝的減小而線性減小。
23.指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮的問題以及解決方法：1.指令及功能設(shè)計：RISC和CISC。2.尋址方式設(shè)計：可以對基準程序進行測試統(tǒng)計，查看使用頻度，確定尋址方式。3.操作數(shù)表示和操作數(shù)類型：浮點型，整形，字符型。4.尋址方式表示：尋址方式可以編入操作碼（速度快，增大了CPU譯碼難度）也可以單獨處理（速度慢，易于指令擴展）5.指令集格式設(shè)計：固定長，可變長，混合編碼。
24.指令集基本要求：完整性，規(guī)整性，高效率，兼容性。
25.區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素：區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是CPU中用來存儲操作數(shù)的存儲單元。據(jù)此可將指令分為堆棧結(jié)構(gòu)、累加器結(jié)構(gòu)和通用寄存器結(jié)構(gòu)。四，存儲系統(tǒng)
1.存儲器容量Sm=W*l*m。W為存儲體字長，l為每個存儲體字數(shù)，m為并行存儲體個數(shù)。訪問時間TA：存儲器從接到訪存申請到信息被讀到數(shù)據(jù)總線上所需時間。存儲周期TM：是連續(xù)啟動一個存儲體所需要的時間間隔，一般大于TA。頻寬Bm：存儲器可以提供的數(shù)據(jù)傳輸率。容量大價格低，速度越快價格越高，容量越大速度越慢。2.存儲系統(tǒng)目的：1.組織好速度，容量，價格不同的存儲器，2.使這個存儲器速度接近速度最快的存儲器。3.存儲容量接近容量最大的存儲器。4.單位價格接近最便宜。3.命中率H：由CPU產(chǎn)生的邏輯地址在存儲器M訪問到指定信息的概率。
4.平均訪問時間T=H*T1+(1-H)*T2 提高存儲器系統(tǒng)速度兩條途徑：1.提高命中率。2.使構(gòu)成存儲系統(tǒng)的相鄰兩個存儲器速度之比不要太大。
5.虛擬存儲器：是“主存-輔存”存儲層次的發(fā)展和完善，它使該存儲層次具有輔存容量，接近主存的等效速度和輔存的每位價格。多個進程共享主存空間。
6.虛擬地址：是應用程序員對程序進行翻譯生成的訪問地址，它表示的存儲空間為虛存空間。實地址：是指主存儲器或磁盤存儲器的物理地址，表示的存儲空間為主存物理空間。
7.地址映像：虛擬存儲器中虛擬地址和物理地址之間的對應關(guān)系的規(guī)則。
8.地址變換：虛擬存儲系統(tǒng)按照某種地址映像方式把虛擬地址變換為主存實地址。9.虛擬存儲器工作原理：頁式虛擬存儲器是比較廣泛的一種。把主存儲器，磁盤存儲器和虛擬存儲器都分成固定大小的頁，每一頁容納字數(shù)相同。當用戶要訪問虛擬存儲器時，必須給出多用戶虛地址Av；如果未命中，必須訪問輔存，需要進行外部地址變換；如果主存儲器中沒有空頁，利用某種替換算法處理。
10.管理方式：1.段式：將虛地址通過段表找到段的基地址，然后形成物理地址，訪問存儲器。2.頁式。3.段頁式：把實存機械的等分成固定大小的頁，把程序按模塊分段，每個段分成與主存頁面大小相同的頁，每道程序通過一個段表和相應于每段的一組頁表來進行定位。
10.頁面替換算法：1.隨機替換算法（RAND）：利用軟件或硬件的隨機數(shù)發(fā)生器來確定11.中斷源：把凡能向CPU提出中斷請求的各種因素統(tǒng)稱為中斷源。
中斷軟硬功能分配：一是中斷響應時間，二是靈活性。要在硬件的快速性和軟件的靈活性之間進行綜合權(quán)衡。必須硬件：保存中斷點和進入中斷服務(wù)程序入口。必須軟件：中斷服務(wù)和返回到中斷點。
12.中斷屏蔽：為提高中斷系統(tǒng)靈活性，可以動態(tài)改變中斷源優(yōu)先級
用處：(1)在中斷優(yōu)先級由硬件確定了的情況下，改變中斷源的中斷服務(wù)順序。(2)決定設(shè)備是否采用中斷方式工作。(3)在多處理機系統(tǒng)中，把外圍設(shè)備的服務(wù)工作分配到不同的處理機中。
13.四種I/O工作方式：程序控制，中斷，DMA I/O處理機。
六．流水線技術(shù)
1.指令執(zhí)行過程：1.取指令。按照指令計數(shù)器的內(nèi)容訪問主存。2.分析指令。對指令寄存器中的指令進行譯碼分析。3.執(zhí)行指令。對操作數(shù)進行運算處理，完成指定功能。2.重疊方式：1.順序執(zhí)行方式（串行執(zhí)行）。T=3nt，控制簡單，利用率低，速度慢。2.一次重疊方式：指第i條指令的執(zhí)行階段和第i+1條指令的取指令階段同時進行。T=（1+2n）t,利用率中，速度中，控制復雜。3.二次重疊方式：指第i條指令的執(zhí)行階段，第i+1條指令的分析階段和第i+2條指令的取指令階段同時進行。T=（2+n）t，利用率高，速度快，需要解決問題：1.必須有獨立的取指令部件，指令分析部件和指令執(zhí)行部件。2.要解決訪問主存沖突問題。
3.解決訪問主存沖突問題：1.把主存分成兩個獨立編址的存儲器，一個指令存儲器，一個數(shù)據(jù)存儲器。2.主存采用低位交叉編址的秉性存儲器。3.采用先行控制技術(shù)。
4.先行指令緩沖棧：平滑主存和指令分
析器的工作。指令分析器：從先行指令
緩沖棧取得指令后就行預處理。先行操
作棧：是指令分析器和運算控制器之間的一個緩沖存儲器。先行讀書棧：平滑
運算器與主存儲器的工作。后行寫數(shù)棧 主存儲器中被替換頁的頁號。2.先進先出替換算法(FIFO)：選擇最早裝入主存的頁作為被替換的頁。3.近期最少使用算法：選擇近期最少訪問的頁面作為被替換頁面。4.最久沒用使用的算法(LFU)：把近期最久沒有訪問過的頁面作為被替換的頁面。5.最后的算法應該是選擇將來最久不被訪問的頁面作為被替換的頁面，命中率一定最高，但只是理想標準。
11.為頁數(shù)減少了。虛擬存儲器性能2.主存容量，當主存容量增加到一定值，對命中率影響不大。：1.頁面大小，當頁大小增加到一定值時，命中率反而降低，是因3.頁面調(diào)度方式：分頁方式，請求頁式，預取式+請求頁式結(jié)合。
12.13.Cache命中時間：高速緩沖存儲器是在：訪問Cache命中時所用的時間。CPU與主存之間設(shè)置的一個高速度，小容量存儲器。
失效率：CPU訪存時，在一級存儲器 中找不到所需信息的概率。
失效開銷：CPU向二級存儲器發(fā)出訪問請求到把這個數(shù)據(jù)調(diào)入一級存儲器所需的時間。
Cache平均訪問時間=命中時間+失效率*失效開銷。14.Cache與虛擬存儲器的不同：1.Cache與主存之間以塊為單位進行數(shù)據(jù)交換。2.兩級存儲器的速度比不同。3.CPU和Cache之間和CPU與主存之間都有直接通路。4.Cache系統(tǒng)以提高存儲系統(tǒng)速度為目標，虛擬存儲系統(tǒng)以擴大存儲系統(tǒng)容量為目標。
13.基本工作原理：Cache與主存分成大小相同的塊，主存地址由塊號B和塊內(nèi)地址W組成，Cache地址由塊號b和塊內(nèi)地址w組成。由于塊相等，塊內(nèi)地址相同。、15.復雜）地址映像及變換方式：主存中的任意一塊可以映像到：1.全相聯(lián)映像及變換（利用率最高，沖突概率最低，實現(xiàn)最Cache中任意一塊位置上。2.直接相聯(lián)映像及變換（利用率最低，沖突概率最高，實現(xiàn)最簡單）：雖然也是多對一，但一個主存塊只能映像到Cache的一個特定塊上去。3.組相聯(lián)映像及變換：把主存按Cache容量分區(qū)，主存中各區(qū)和Cache再按同樣大小分成相同數(shù)量的組，組內(nèi)按同樣大小分成相同數(shù)量的塊，主存組到Cache組間采用直接映像方式，兩個對應的組的塊之間采用全相聯(lián)映像方式。4.段相聯(lián)映像方式：實質(zhì)上是組相聯(lián)的特例。5.位選擇組相聯(lián)及其變換：與一般組相聯(lián)映像方式不同，Cache仍然分組，主存不分組。
16.提高Cache性能方法：1.命中率與容量關(guān)系。2.命中率與塊大小關(guān)系。3.命中率與組數(shù)關(guān)系：Cache容量一定時，分組的數(shù)目對命中率的影響是很明顯的，隨著分組數(shù)目增加，組內(nèi)的塊數(shù)減少，命中率下降。4.命中率與Cache組織方式間的關(guān)系：容量一定，全相聯(lián)命中率比直接相聯(lián)高。
17.體，避免存儲體沖突。提高主存性能方法：增加存儲器寬度，采用簡單的多體交叉存儲器，采用獨立存儲
18.從哪幾方面改進主存性能：降低失效率，減少失效開銷，減少Cache命中時間。
五．輸入輸出系統(tǒng)
1.輸入輸出系統(tǒng)：把處理機與主存儲器之外的部分統(tǒng)稱為輸入輸出系統(tǒng)。包括輸入輸出設(shè)備、輸入輸出接口和輸入輸出軟件等。
2.輸入輸出系統(tǒng)特點：1.異步性：各個設(shè)備按照自己時鐘工作。2.與設(shè)備無關(guān)性：設(shè)有獨立于具體設(shè)備的標準接口。3.實時性。針對異步性，采用自治控制方針，針對與設(shè)備無關(guān)性，采用分類處理方法，針對實時性，采用層次結(jié)構(gòu)的方法。
3.基本輸入輸出方式：1.程序查詢方式：不斷查詢I/O準備情況。2.中斷輸入輸出方式。3.直接存儲器訪問方式（DMA）：主存和I/O設(shè)備交換信息時，無需處理中斷服務(wù)程序。
4.通道方式。5.I/O處理機方式
4.DMA特點：1.主存儲器可以被CPU訪問，也可以被外圍設(shè)備訪問。2.外設(shè)與主存之間傳送數(shù)據(jù)不需要執(zhí)行程序，也不動用CPU中的資源。3.在DMA開始之前，CPU要對DMA控制器進行初始化。
5.總線分類：1.在計算機結(jié)構(gòu)中所在位置：片內(nèi)總線，片總線，內(nèi)總線，外總線。2.傳遞信息類型：數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。3.信息傳送方向：單向和雙向。4.總線用途：CPU-存儲器總線和I/O總線。5.信息在總線上傳送方式：同步和異步。
6.總線仲裁：解決的是多個設(shè)備競爭使用總線的管理問題，由總線仲裁邏輯線路完成。7.總線控制方式：1.集中式串行鏈接控制：選擇算法簡單，可擴充性好，可靠性差，靈活性差，分配速度低。2.集中式定時查詢控制：靈活性好，可靠性高，可擴充性差，輔助總線多，分配速度低。3.集中式獨立請求控制：分配速度高，靈活性好，可靠性高，輔助總線多，可擴充性差，復雜價格高。
8.步通信。總線的通行方式4.雙向互鎖異步通信。：1.單向源控式異步通信。2.單向目控式異步通信。3.雙向非互鎖異9.總線指標：總線寬度：通常指其一次操作可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)。總線頻率：是總線工作的最高頻率時鐘
單個數(shù)據(jù)傳送周期數(shù)。
10.中斷：當出現(xiàn)異常情況或者特殊請求時，計算機停止現(xiàn)行程序的運行，轉(zhuǎn)向?qū)@些異常情況或特殊請求的處理，處理結(jié)束后再返回到現(xiàn)行程序的間斷處。
：是主存儲器與運算器之間的一個緩沖
存儲器。
4.執(zhí)行指令部件完全獨立的工作。并始終處于忙碌狀態(tài)。先行控制技術(shù)是緩沖技術(shù)和預處理技術(shù)的結(jié)合。
使取指令部件，分析指令部件和
5.流水線技術(shù)：流水線技術(shù)是指將一個重復的時序過程分解為若干個子過程，每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時執(zhí)行。
6.時空圖：橫坐標表示時間：即輸入到流水線中的各個任務(wù)在流水線中所經(jīng)過的時間；縱坐標表示空間：即流水線的各個子過程。從橫坐標方向看，流水線中的各個功能部件在逐個連續(xù)地完成自己的任務(wù)。
從縱坐標方向看，在同一個時間段內(nèi)有多個流水段在同時工作，執(zhí)行不同的任務(wù)。
7.流水線特點：1.把一個大的功能部件分解為多個獨立的功能部件。2.每一個功能部件后面都有一個緩沖寄存器，3.工作一般分為時間段，裝入時間，裝滿和排空時間。4.流水線中各段時間應盡量相等，長的功能段將成為其瓶頸，造成堵塞和斷流。5.流水線技術(shù)適合大量同類任務(wù)，只有向連續(xù)不斷提供任務(wù)，其效率才能充分發(fā)揮。8.行分段，再把這些部件分段相互連接而成。它使得運算操作能夠按流水方式進行。這流水線分類：1.按級別分：部件級流水線（運算操作流水線）：把處理機中的部件進種流水線也稱為運算操作流水線。處理機級流水線（指令流水線）：它是把指令的執(zhí)行過程按照流水方式進行處理，即把一條指令的執(zhí)行過程分解為若干個子過程，每個子過程在獨立的功能部件中執(zhí)行。
處理機間流水線（宏流水線）：它是把多個處理機串行連接起來，對同一數(shù)據(jù)流進行處理，每個處理機完成整個任務(wù)中的一部分。前一個處理機的輸出結(jié)果存入存儲器中，作為后一個處理機的輸入。
2.按反饋回路分：線性流水線（各段逐個串接起來）非線性流水線（除了有串行連接，還有反饋回路）3.功能多少分：單功能和多功能。4.同一時間各段連接方式：靜態(tài)（指同一時段，多功能流水線中各個流水段只能按照一個固定方式連接，實現(xiàn)固定功能）和動態(tài)（指同一時段，多功能流水線中各段可以按照不同方式連接，同時執(zhí)行多種功能）。5.按數(shù)據(jù)表示分：標量處理機（只能同時對一個或一對標量操作數(shù)進行運算或操作指令）和向量處理機（可以同時處理相同類型的多個或多對數(shù)據(jù)）。
8.吞吐率：單位時間內(nèi)流水線完成的任務(wù)數(shù)或輸出的結(jié)果數(shù)。TP=N/Tk
N:任務(wù)數(shù)，Tk完成n個任務(wù)所用的時間。
最大吞吐率受限于瓶頸子過程，要提高最大吞吐率，設(shè)法取消瓶頸功能段。方法有：1.將流水線瓶頸部分再細分。2.重復設(shè)置瓶頸功能段，讓多個瓶頸部件并行工作。
9.加速比：是指完成一批任務(wù)時，不采用流水線所用時間與采用流水線所用的時間之比。S=T0/Tk。T0:順序方式下執(zhí)行時間 最大加速比與流水線的功能段數(shù)相等。10.效率：是指流水線的設(shè)備利用率。時空圖上是n個任務(wù)占的時空區(qū)和k個功能段總的時空區(qū)之比
E=T0/KTk
E=TP*t
E=S/k 11.12.相關(guān)包括資源相關(guān)：資源相關(guān)，數(shù)據(jù)相關(guān)，控制相關(guān)。：指多條指令進入流水線后，同一時間爭用同一功能部件從而發(fā)生的沖突。一般采用延遲執(zhí)行和細分功能部件來解決。
數(shù)據(jù)相關(guān):又稱局部相關(guān)，指令在流水線中執(zhí)行時，使得原來對操作數(shù)的訪問順序發(fā)生變化，對數(shù)據(jù)的讀寫操作順序不同于指令在順序方式下執(zhí)行時的順序，從而導致對數(shù)據(jù)的訪問發(fā)生錯誤。
數(shù)據(jù)相關(guān)分為：先寫后讀，先讀后寫，寫后寫。
解決方法有：推遲處理，設(shè)置專用路徑。
控制相關(guān)：又稱全局相關(guān)，是由程序執(zhí)行轉(zhuǎn)移類指令而引起的相關(guān)。它的影響范圍比較大，會引起程序執(zhí)行方向的改變。解決方法有：改進硬件功能，采用預測分支失敗機制，采用延遲分支機制。
13.碼。減少條件轉(zhuǎn)移對流水線的影響3.轉(zhuǎn)移預測技術(shù)。分為靜態(tài)轉(zhuǎn)移預測和動態(tài)轉(zhuǎn)移預測。：1.延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)和指令取消技術(shù)。2.提前形成條件14.靜態(tài)轉(zhuǎn)移預測：指在處理機的硬件和軟件設(shè)計完成后，轉(zhuǎn)移預測的方向就已經(jīng)確定，在程序?qū)嶋H執(zhí)行過程中，轉(zhuǎn)移預測的方向不能改變。分為：軟件猜測法，硬件猜測法和設(shè)置兩個指令緩沖棧。
15.動態(tài)轉(zhuǎn)移預測技術(shù)：是根據(jù)近期轉(zhuǎn)移是否成功的歷史記錄來預測下一次轉(zhuǎn)移的方向，它能夠隨程序的執(zhí)行過程動態(tài)地改變轉(zhuǎn)移的預測方向。分為：在指令Cache中記錄轉(zhuǎn)移歷史記錄，轉(zhuǎn)移目標地址緩沖棧，轉(zhuǎn)移指令功能緩沖棧。
16.中斷：中斷請求是隨機發(fā)生的，不可預知的。
不精確斷點：凡是已經(jīng)進入流水線的指令都執(zhí)行完成，斷點就是最后進入流水線的那條指令的地址。
精確斷點：是對于在流水線中同時執(zhí)行的多條指令，如果有哪一條指令由于程序錯誤或者故障發(fā)出中斷申請，斷點就是那條指令的地址。
17.過程中，可能會多次通過同一個功能段或越過某個功能段。非線性流水線的調(diào)度技術(shù)：在非線性流水線中，功能段間有反饋回路，任務(wù)在執(zhí)行
如果每個時鐘周期向流水線送入一個新任務(wù)，將會發(fā)生多個任務(wù)爭用同一個功能段的沖突現(xiàn)象。
一張非線性流水線的預約表可能與多個非線性流水線的連接圖相對應；一個非線性流水線的連接圖也可能與多個非線性流水線的預約表相對應。
19.非線性流水線的啟動距離：是指向一條非線性流水線的輸入端連續(xù)輸入兩個任務(wù)之間的時間間隔，它通常用時鐘周期數(shù)表示。
非線性流水線調(diào)度的任務(wù)：就是找出一個最小的啟動循環(huán)周期，按照這個周期向流水線輸入任務(wù)，流水線的各個功能段都不會發(fā)生沖突。同時，非線性流水線的吞吐率和效率最高。
20.水線的狀態(tài)圖（當初始沖突向量確定后，狀態(tài)圖就是唯一的，由于不同的預約表可能非線性流水線的調(diào)度方法步驟：1.寫出禁止向量和初始沖突向量。2.畫出非線性流產(chǎn)生相同的初始沖突向量，因此從預約表可以畫出狀態(tài)圖，但從狀態(tài)圖不能得到預約表）。3.求出最小啟動循環(huán)（指平均啟動距離最小的啟動循環(huán)）和最小平均啟動距離。4.求平均啟動距離最小的恒定循環(huán)。
21.多指令流水線技術(shù)：在一般流水線標量處理機的基礎(chǔ)上，提出提高指令級并行的高性能超級處理機，讓單個處理機在每個時鐘周期里可以執(zhí)行多條指令。
22.超標量處理機：指在一個時鐘周期內(nèi)能夠同時發(fā)射兩條或者兩條以上的指令的處理機。
超流水線處理機：指在一個時鐘周期內(nèi)分時發(fā)射多條指令的處理機。
超標量超流水線處理機：是前兩種的結(jié)合，在一個時鐘周期發(fā)射n次，每次發(fā)射m條指令。23.定向技術(shù)：是指流水線中將計算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到真正需要它的地方，而不是從寄存器文件讀出使用，它是一種解決數(shù)據(jù)相關(guān)，避免流水線暫停的方法。
第二篇：計算機體系結(jié)構(gòu)總結(jié)（模版）
計算機體系結(jié)構(gòu)的詳盡描述
一.計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念
1.計算機體系結(jié)構(gòu)的概念
1964年G.M.Amdahl在介紹IBM360系統(tǒng)時提出：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是從程序員所看到的計算機屬性，即程序員編寫出能在機器上正確運行的程序所必須了解的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是對計算機系統(tǒng)中各級界面的劃分、定義及其上下功能的分配。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計主要研究界面的屬性的透明性的取舍。
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（體系結(jié)構(gòu)）指的是傳統(tǒng)機器級的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的是軟、硬件之間的功能分配以及對傳統(tǒng)機器級界面的確定。
2.計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)
二.計算機指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)五個因素對計算機指令集結(jié)構(gòu)進行分類：在CPU中操作數(shù)的存儲方法；指令中顯式表示的操作數(shù)個數(shù)；操作數(shù)的尋址方式；指令集所提供的操作類型；操作數(shù)的類型和大小。其中1是最主要的區(qū)別 根據(jù)CPU內(nèi)部存儲單元類型，可將指令集結(jié)構(gòu)分為
堆棧型指令集結(jié)構(gòu)、累加器型指令集結(jié)構(gòu)和通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)。優(yōu)缺點？堆棧型（其CPU中存儲操作數(shù)的主要單元是堆棧）：是一種表示計算的簡單模型；指令短小。不能隨機訪問堆棧，從而很難生成有效代碼；同時，由于堆棧是瓶頸，所以很難被高效地實現(xiàn)。累加器型（其CPU中存儲操作數(shù)的主要單元是累加器）：減少了機器的內(nèi)部狀態(tài)；指令短小。由于累加器是唯一的暫存器，這種機器的存儲器通信開銷最大。寄存器型（CPU中存儲操作數(shù)的主要單元是通用寄存器）：易于生成高效的目標代碼。所有操作數(shù)均需命名，且要顯式表示，因而指令比較長
現(xiàn)代大多數(shù)機器均采用通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)，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，可以更加容易、有效地分配和使用寄存器。
寄存器－寄存器型（RR）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，因而其目標代碼量較大。
寄存器－存儲器（RM）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)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)也不盡相同存儲器－存儲器型（MM）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致存儲器訪問瓶頸問題
CISC即復雜指令集計算機。它是增強指令功能，把越來越多的功能交由硬件來實行，并且指令的數(shù)量也是越來越多。RISC精簡指令集計算機。它是盡可能的把指令集簡化，不僅指令的條數(shù)少，而且指令的功能也比較簡單。
三.流水線技術(shù)
流水線技術(shù)：將一個重復的時序過程分解成為若干個子過程，而每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時執(zhí)行。
時空圖：用來描述流水線的工作，橫坐標表示時間，縱坐標代表流水線的各段。
流水技術(shù)有哪些特點？
1）流水過程由多個相聯(lián)系的子過程組成，每個過程稱為流水線的“級”或“段”。2）每個子過程由專用的功能段實現(xiàn)。3）各個功能段所需時間應盡量相等。4）流水線需要有“通過時間”，在此之后流水過程才進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，每一個時鐘周期(拍)流出一個結(jié)果。5）流水技術(shù)適合于大量重復的時序過程，只有在輸入端能連續(xù)地提供任務(wù)，流水線的效率才能充分發(fā)揮。
多倍性：在系統(tǒng)受限的部件上，同時處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大數(shù)目。
流水線分類
1按照流水線所完成的功能（1）單功能流水線：只能完成一種固定功能的流水線（2）多功能流水線：流水線的各段可以進行不同的連接，從而使流水線在不同的時間，或者在同一時間完成不同的功能。2按照同一時間內(nèi)各段之間的連接方式（1）靜態(tài)流水線：在同一時間內(nèi)，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。2）動態(tài)流水線：在同一時間內(nèi)，當某些段正在實現(xiàn)某種運算時，另一些段卻在實現(xiàn)另一種運算。
3按照流水的級別（1）部件級流水線（運算操作流水線）：把處理機的算術(shù)邏輯部件分段，以便為各種數(shù)據(jù)類型進行流水操作。（2）處理機級流水線（指令流水線）：把解釋指令的過程按照流水方式處理。（3）處理機間流水線（宏流水線）：由兩個以上的處理機串行地對同一數(shù)據(jù)流進行處理，每個處理機完成一項任務(wù)。
4按數(shù)據(jù)表示（1）標量流水處理機：處理機不具有向量數(shù)據(jù)表示，僅對標量數(shù)據(jù)進行流水處理。（2）向量流水處理機：處理機具有向量數(shù)據(jù)表示，并通過向量指令對向量的各元素進行處理。
5按照流水線中是否有反饋回路（1）線性流水線：流水線的各段串行連接，沒有反饋回路。（2）非線性流水線：流水線中除有串行連接的通路外，還有反饋回路。
流水線寄存器的作用：把數(shù)據(jù)和控制信息從一個流水段傳送到下一個流水段。
消除流水線的瓶頸段:細分瓶頸段；重復設(shè)置瓶頸段。
價流水線的性能指標(1)吞吐率：指在單位時間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量。(2)流水線的加速比：指m段流水線的速度與等功能的非流水線的速度之比。(3)效率：指流水線的設(shè)備利用率。
流水線相關(guān)的三種類型：
相關(guān)是指兩條指令之間存在某種依賴關(guān)系。確定程序中指令之間存在什么樣的相關(guān)，對于充分發(fā)揮流水線的效率有重要的意義。1.結(jié)構(gòu)相關(guān)：當指令在重疊執(zhí)行過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求，發(fā)生資源沖突時將產(chǎn)生“結(jié)構(gòu)相關(guān)”；2.數(shù)據(jù)相關(guān)：當一條指令需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果，而這些指令均在流水線中重疊執(zhí)行時，就可能引起“數(shù)據(jù)相關(guān)”；3.控制相關(guān)：當流水線遇到分支指令和其他會改變PC值的指令時就會發(fā)生“控制相關(guān)”。
消除相關(guān)的基本方法：1讓流水線暫停執(zhí)行某些指令，而繼續(xù)執(zhí)行其他一些指令。2當一條指令被暫停時，在該暫停指令之后發(fā)射的所有指令都要被暫停，而在該暫停指令之前發(fā)射的指令則可繼續(xù)執(zhí)行，在暫停
期間，流水線不會取新的指令。
輸入/輸出方式：程序控制（程序等待、程序中斷）、DMA、通道、I/O處理機
數(shù)據(jù)相關(guān)：對于兩條指令i（在前）和j（在后），如果下述條件之一成立，則稱指令j與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)：
（1）指令j使用指令i產(chǎn)生的結(jié)果；（2）指令j與指令k數(shù)據(jù)相關(guān)，而指令k又與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)。名相關(guān)
如果兩條指令使用相同的名，但是它們之間并沒有數(shù)據(jù)流動，則稱這兩條指令存在名相關(guān)。指令j與指令i之間的名相關(guān)有以下兩種：（1）反相關(guān)。如果指令j寫的名與指令i讀的名相同，則稱指令i和j發(fā)生了反相關(guān)。反相關(guān)指令之間的執(zhí)行順序是必須嚴格遵守的，以保證i讀的值是正確的。（2）輸出相關(guān)。如果指令j和指令i寫相同的名，則稱指令i和j發(fā)生了輸出相關(guān)。輸出相關(guān)指令的執(zhí)行順序是不能顛倒的，以保證最后的結(jié)果是指令j寫進去的。
解決方法：換名技術(shù)，通過改變指令中操作數(shù)的名來消除名相關(guān)。
控制相關(guān)：由分支指令引起的相關(guān)。它需要根據(jù)分支指令的執(zhí)行結(jié)果來確定后續(xù)指令是否執(zhí)行。
流水線沖突
指對于具體的流水線來說，由于相關(guān)的存在，使得指令流中的下一條指令不能在指定的時鐘周期執(zhí)行。
（1）結(jié)構(gòu)沖突：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。解決方法：流水化功能單元；資源重復；暫停流水線。（2）數(shù)據(jù)沖突：當指令在流水線中重疊執(zhí)行時，因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。根據(jù)指令對寄存器的讀寫順序，可將數(shù)據(jù)沖突分為：寫后讀沖突；寫后寫沖突；讀后寫沖突。（3）控制沖突：流水線遇到分支指令和其他會改變PC值的指令所引起的沖突。
四種解決數(shù)據(jù)沖突的方法：1）定向技術(shù)：在某條指令產(chǎn)生一個結(jié)果之前，其他指令并不真正需要該計算結(jié)果，如果將該計結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其他指令需要它的地方，就可以避免暫停；2）暫停技術(shù)：設(shè)置一個“流水線互鎖”的功能部件，一旦流水線互鎖檢測到數(shù)據(jù)相關(guān)，流水線暫停執(zhí)行發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)指令后續(xù)的所有指令，直到該數(shù)據(jù)相關(guān)解決為止。；3）采用編譯器調(diào)度。當流水線中出現(xiàn)沖突時，編譯器通過重新排列代碼的順序來消除流水線中的暫停，這種技術(shù)稱為流水線調(diào)度4）重新組織代碼順序。流水線設(shè)計者有時會允許結(jié)構(gòu)沖突的存在，原因：一是為了減少硬件開銷，二是為了減少功能單元的延遲。
向量處理機：具有向量數(shù)據(jù)表示和相應向量指令的流水線處理機。
向量處理方式
(1)水平處理方式：向量計算是按行的方式從左到右橫向地進行。若向量長度為N，則水平處理方式相當于執(zhí)行N次循環(huán)。若使用流水線，在每次循環(huán)中可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)相關(guān)和功能轉(zhuǎn)換，不適合對向量進行流水處理。(2)垂直處理方式：適合對向量進行流水處理，向量運算指令的源/目向量都放在存儲器內(nèi)，使得流水線運算部件的輸入、輸出端直接與存儲器相聯(lián)，構(gòu)成MM型（存儲器－存儲器）的運算流水線。(3)分組處理方式：適合流水處理。可設(shè)長度為n的向量寄存器，使每組向量運算的源/目向量都在向量寄存器中，流水線的運算部件輸入、輸出端與向量寄存器相聯(lián)，構(gòu)成RR型運算流水線。
提高向量處理機性能的方法：多個功能部件；鏈接技術(shù)；分段開采技術(shù)；多處理機系統(tǒng)
向量鏈接技術(shù)：當兩條向量指令出現(xiàn)“寫后讀”相關(guān)時，若它們不存在功能部件沖突和向量寄存器(源或目的)沖突，就有可能把它們所用的功能部件頭尾相接，形成一個鏈接流水線，進行流水處理。
鏈接技術(shù)應用條件：1.無功能部件沖突2.無向量寄存器使用沖突 3.只有在前一條指令的第1個結(jié)果元素送入結(jié)果向量機寄存器的那個時鐘周期才可以進行鏈接。4.當一條向量指令的兩個源操作數(shù)分別是兩條先行指令的結(jié)果寄存器時，要求先行指令產(chǎn)生運算結(jié)果的時間必須相等。5.要求進行鏈接執(zhí)行的向量指令的向量長度必須相等。
四.指令級并行
指令級并行：當指令之間不存在相關(guān)時，它們可以在流水線中重疊起來并行執(zhí)行。這種指令序列中存在的潛在并行性稱為指令級并行。
靜態(tài)調(diào)度技術(shù)：依靠編譯器對代碼進行靜態(tài)調(diào)度，以減少相關(guān)和沖突。它不是在程序執(zhí)行的過程中、而是在編譯期間進行代碼調(diào)度和優(yōu)化。靜態(tài)調(diào)度通過把相關(guān)的指令拉開距離來減少可能產(chǎn)生的停頓。動態(tài)調(diào)度方法：在流水線中出現(xiàn)相關(guān)時，通過硬件重新安排指令的執(zhí)行順序，來調(diào)整相關(guān)指令實際執(zhí)行時的關(guān)系，減少處理器空轉(zhuǎn)。優(yōu)點。（1）能夠處理一些編譯時情況不明的相關(guān)（比如涉及存儲器訪問的相關(guān)），并簡化了編譯器。（2）能夠使本來是面向某一流水線優(yōu)化編譯的代碼在其他的流水線（動態(tài)調(diào)度）上也能高效地執(zhí)行。當然，動態(tài)調(diào)度的這些優(yōu)點是以硬件復雜性的顯著增加為代價的。
為了支持亂序執(zhí)行，將5段流水線的譯碼（ID）段細分為兩個段（1）流出：指令譯碼，并檢查是否存在結(jié)構(gòu)沖突。如果不存在結(jié)構(gòu)沖突，就將指令流出。（2）讀操作數(shù)：等待數(shù)據(jù)沖突消失（如果有的話），然后讀操作數(shù)。
Tomasulo算法的核心思想① 記錄和檢測指令相關(guān)，操作數(shù)一旦就緒就立即執(zhí)行，把發(fā)生RAW沖突的可能性減少到最少；② 通過寄存器換名來消除WAR沖突和WAW沖突。
Tomasulo算法的基本思想是：只要操作數(shù)有效，就將其取到保留站，避免指令流出時才到寄存器中取數(shù)據(jù)，這就使得即將執(zhí)行的指令從相應的保留站中取得操作數(shù)，而不是從寄存器中。指令的執(zhí)行結(jié)果也是直接送到等待數(shù)據(jù)的其他保留站中去。因而，對于連續(xù)的寄存器寫，只有最后一個才真正更新寄存器中的內(nèi)容。一條指令流出時，存放操作數(shù)的寄存器名被換成為對應于該寄存器保留站的名稱（編號）。指令流出邏輯和保留站相結(jié)合實現(xiàn)寄存器換名，從而完全消除了數(shù)據(jù)寫后寫和先讀后寫相關(guān)這類名相關(guān)。保留站：設(shè)置在運算部件的入口，每個保留站中保存一條已經(jīng)流出并等待到本功能部件執(zhí)行的指令（相關(guān)信息），包括操作碼、操作數(shù)以及用于檢測和解決沖突的信息。
動態(tài)分支預測技術(shù)
在程序運行時，根據(jù)分支指令過去的表現(xiàn)來預測其將來的行為。如果分支行為發(fā)生了變化，預測結(jié)果也跟著改變。動態(tài)分支預測技術(shù)的目的有兩個：預測分支是否成功和盡快找到分支目標地址（或指令），從而避免因控制相關(guān)而造成流水線停頓。
需要解決兩個關(guān)鍵問題（1）如何記錄分支的歷史信息；（2）如何根據(jù)這些信息來預測分支的去向（甚至取到指令）。
前瞻執(zhí)行的基本思想。
對分支指令的結(jié)果進行猜測，并假設(shè)這個猜測總是對的，然后按這個猜測結(jié)果繼續(xù)取、流出和執(zhí)行后續(xù)的指令。只是執(zhí)行指令的結(jié)果不是寫回到寄存器或存儲器，而是放到一個稱為ROB的緩沖器中。等到相應的指令得到“確認”（即確實是應該執(zhí)行的）后，才將結(jié)果寫入寄存器或存儲器。
五.存儲層次
單級存儲器的主要矛盾：速度越快，每位價格就越高。容量越大，每位價格就越低。容量越大，速度越慢。采取多級存儲層次方法來解決。
從用戶的角度來看，存儲器的三個主要指標是：容量、速度和價格。
評價存儲層次的主要參數(shù):存儲層次的平均每位價格、命中率或失效率、平均訪問時間。
“Cache－主存”層次：在CPU和主存之間增加一級速度快、但容量較小而每位價格較貴的高速緩沖存儲器。借助于輔助軟硬件，它與主存構(gòu)成一個有機的整體，以彌補主存速度的不足。
“主存－輔存”層次：目的是為了彌補主存容量的不足。它是在主存外面增加一個容量更大、每位價格更便宜、但速度更慢的存儲器。它們依靠輔助軟硬件的作用，構(gòu)成一個整體。
主要區(qū)別是什么？
目的：為了彌補主存速度的不足；為了彌補主存容量的不足。存儲管理的實現(xiàn)：全部由專用硬件實現(xiàn)；主要由軟件實現(xiàn)。典型的塊（頁）大小：幾十個字節(jié)；幾百到幾千個字節(jié)。CPU對第二級的訪問方式：可直接訪問；均通過第一級。不命中時CPU是否切換：不切換切換到其他進程
存儲層次中應解決四個問題：映像規(guī)則：當把一個塊調(diào)入高一層存儲器時，可以放到哪些位置上。查找算法：當所要訪問的塊在高一層存儲器中時，如何找到該塊。替換算法：當發(fā)生失效時，應替換哪一塊。寫策略：當進行寫訪問時，應進行哪些操作。
地址映像方法，優(yōu)缺點
（1）全相聯(lián)映像。實現(xiàn)查找的機制復雜，代價高，速度慢。Cache空間的利用率較高，塊沖突概率較低，因而Cache的失效率也低。
（2）直接映像。實現(xiàn)查找的機制簡單，速度快。Cache空間的利用率較低，塊沖突概率較高，因而Cache的失效率也高。
（3）組相聯(lián)映像。組相聯(lián)是直接映像和全相聯(lián)的一種折中。
組相聯(lián)Cache比相同容量的直接映像Cache的失效率低。由此是否可以得出結(jié)論：采用組相聯(lián)Cache一定能帶來性能上的提高？為什么？ 不一定。因為組相聯(lián)命中率的提高是以增加命中時間為代價的，組相聯(lián)需要增加多路選擇開關(guān)。
Cache中，實現(xiàn)并行查找的方法：1用相聯(lián)存儲器實現(xiàn)。2用單體多字存儲器和比較器來實現(xiàn)。替換算法
（1）隨機法：簡單、易于用硬件實現(xiàn)，但這種方法沒有考慮Cache塊過去被使用的情況，反映不了程序的局部性，所以其失效率比LRU的高。（2）先進先出法：容易實現(xiàn)。它雖然利用了同一組中各塊進入Cache的順序這一“歷史”信息，但還是不能正確地反映程序的局部性。（3）最近最少使用法LRU：失效率最低。但是LRU比較復雜，硬件實現(xiàn)比較困難。
有效構(gòu)建方法：在構(gòu)建系統(tǒng)的過程中消除故障隱患，這樣建立起來的系統(tǒng)就不會出現(xiàn)故障。
寫策略
(1)寫直達法：易于實現(xiàn)，而且下一級存儲器中的數(shù)據(jù)總是最新的。
(2)寫回法：速度快，寫操作能以Cache存儲器的速度進行。而且對于同一單元的多個寫最后只需一次寫回下一級存儲器，有些“寫”只到達Cache，不到達主存，因而所使用的存儲器頻帶較低。
六.輸入/輸出系統(tǒng)
輸入/輸出系統(tǒng)簡稱I/O系統(tǒng)，它包括I/O設(shè)備以及I/O設(shè)備與處理機的連接。
總線按用途分類，總線可分為
(1)CPU存儲器總線。CPU存儲器總線比較短，通常具有較高的速度，并且要和存儲器系統(tǒng)的速度匹配來優(yōu)化帶寬。(2)I/O總線。I/O總線要連接許多不同類型、不同帶寬的設(shè)備，因而比較長，并且應遵循總線標準。
按設(shè)備定時方式分類，總線可分為
(1)同步總線。所有設(shè)備通過統(tǒng)一的總線系統(tǒng)時鐘進行同步。成本低，因為它不需要設(shè)備之間互相確定時序的邏輯。缺點：總線操作必須以相同的速度運行。(2)異步總線。設(shè)備之間沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)時鐘，設(shè)備自己內(nèi)部定時。設(shè)備之間的信息傳送用總線發(fā)送器和接收器控制。容易適應更廣泛的設(shè)備類型，擴充總線時不用擔心時鐘時序和時鐘同步問題。但在傳輸時，異步總線需要額外的同步開銷。
輸入輸出系統(tǒng)概述
經(jīng)歷了3個階段對應著3種方式：程序控制I/O（程序查詢、中斷驅(qū)動）、直接存儲器訪問（DMA）、I/O處理機方式（通道、外圍處理機PPU）。
輸入輸出設(shè)備分外存和傳輸設(shè)備兩大類。
總線設(shè)計
總線分類：半雙工、全雙工；
芯片級、板級（局部總線）、系統(tǒng)級；
專用總線、非專用總線。
根據(jù)信息傳送方式的不同通道分為三種類型：
（1）字節(jié)多路通道：一種簡單的共享通道，主要為多臺低速或中速的外圍設(shè)備服務(wù)。傳送過程：通道每連接一個外圍設(shè)備，只傳送一個字節(jié)，然后又與另一臺設(shè)備連接，并傳送一個字節(jié)。
（2）數(shù)組多路通道：適于為高速設(shè)備服務(wù)。傳送過程：每連接一臺高速設(shè)備，一般傳送一個數(shù)據(jù)塊，傳送完成后，又與另一臺高速設(shè)備連接，再傳送一個數(shù)據(jù)塊。
（3）選擇通道：為多臺高速外圍設(shè)備服務(wù)。傳送過程：在選擇通道中，通道每連接一個外圍設(shè)備，就把這個設(shè)備的n個字節(jié)全部傳送完成，然后再與另一臺設(shè)備相連接。
通道處理機：能夠執(zhí)行有限I/O指令，并且能夠被多臺外圍設(shè)備共享的小型DMA專用處理機。通道完成一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕^程？
(1)在用戶程序中使用訪管指令進入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。(2)通道處理機執(zhí)行CPU為它組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)I/O工作。(3)通道程序結(jié)束后向CPU發(fā)中斷請求。CPU響應這個中斷請求后，第二次進入操作系統(tǒng)，調(diào)用管理程序?qū)/O中斷請求進行處理。通道的主要功能8
(1)接收CPU發(fā)來的I/O指令，根據(jù)指令要求選擇一臺指定的外圍設(shè)備與通道相連接。(2)執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序，從主存中取出通道指令，對通道指令進行譯碼，并根據(jù)需要向被選中的設(shè)備控制器發(fā)出各種操作命令。(3)給出外圍設(shè)備的有關(guān)地址，即進行讀／寫操作的數(shù)據(jù)所在的位置。(4)給出主存緩沖區(qū)的首地址，這個緩沖區(qū)用來暫時存放從外圍設(shè)備上輸入的數(shù)據(jù)，或者暫時存放將要輸出到外圍設(shè)備中去的數(shù)據(jù)。(5)控制外圍設(shè)備與主存緩沖區(qū)之間數(shù)據(jù)交換的個數(shù)，對交換的數(shù)據(jù)個數(shù)進行計數(shù)，并判斷數(shù)據(jù)傳送工作是否結(jié)束。(6)指定傳送工作結(jié)束時要進行的操作。(7)檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)是正常或故障。根據(jù)需要將設(shè)備的狀態(tài)信息送往主存指定單元保存。(8)在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成必要的格式變換。
第三篇：計算機體系結(jié)構(gòu)論文剖析
高 級 計 算 機 體 系 結(jié) 構(gòu)
題目: 計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展史
2015年12月
計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展史
摘要
本文回顧了計算機體系的發(fā)展歷程，并分析了計算機體系的發(fā)展和技術(shù)研究的關(guān)鍵: Cell和多核等新型處理結(jié)構(gòu)和可重構(gòu)計算技術(shù)。提出了新的計算機體系結(jié)構(gòu)，為計算機研究和應用提供參考。
關(guān)鍵詞： 計算機體系 微處理器 多處理器 可重構(gòu) 多核
目錄
引言................................................................1 計算機體系的發(fā)展歷程................................................1 Cell和多核等新型處理器結(jié)構(gòu)帶來新的方向.............................3 可重構(gòu)技術(shù)與多核技術(shù)的融合..........................................6
引言
現(xiàn)代計算機的發(fā)展歷程可以分為2個時代：串行計算時代和并行計算時代。并行計算是在串行計算的基礎(chǔ)上，由一組處理單元組成，處理單元彼此通過相互之間的通信與協(xié)作，共同高速完成一項大規(guī)模的計算任務(wù)。而每一個計算時代都是從體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展開始，然后才是基于該結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)軟件(特別是編譯器與操作系統(tǒng))、應用軟件的發(fā)展，最后隨著問題求解和發(fā)展而達到頂峰。
計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以稱為計算機體系結(jié)構(gòu)。1964年Amdahl等人提出了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這個概念。他們把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義為程序員所看到的計算機系統(tǒng)的屬性，即計算機系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)與功能屬性。這些屬性是機器語言程序設(shè)計者（或者編譯程序生成系統(tǒng)）為使其所設(shè)計（或生成）的程序能在機器上正常運行，所需遵循的計算機屬性。這些屬性是計算機系統(tǒng)中由硬件或固件完成的功能，程序員在了解這些屬性后才能編出在傳統(tǒng)機器級上正確運行的程序。因此，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念的實質(zhì)是確定計算機系統(tǒng)中軟硬件的界面。界面之上是軟件的功能，界面之下是硬件和固件的功能。
微電子技術(shù)和封裝技術(shù)的進步，使得高性能的VLSI 微處理器得以大批量生產(chǎn)，性能價格比不斷合理，這為并行多處理機的發(fā)展奠定了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。
計算機系統(tǒng)性能增長的根本因素有兩個：一是微電子技術(shù)，另一個是計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)。五十年代以來，人們先后采用了先行控制技術(shù)、流水線技術(shù)、增加功能部件甚至多機技術(shù)、存儲尋址和管理能力的擴充、功能分布的強化、各種互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)以及支持多道、多任務(wù)的軟件技術(shù)等一系列并行處理技術(shù)，提高計算機處理速度，增強系統(tǒng)性能。多處理機體系結(jié)構(gòu)是計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展中的一個重要內(nèi)容，已成為并行計算機發(fā)展中人們最關(guān)注的結(jié)構(gòu)。
計算機體系的發(fā)展歷程
隨著計算技術(shù)的發(fā)展，計算機體系也在不斷發(fā)展變化。20世紀60年代初期，隨著晶體管和磁芯存儲器的出現(xiàn)，處理單元和存儲器實現(xiàn)小型化，并行計算機開始出現(xiàn)。到了20世紀60年代末期，單一處理器中可以集成多個功能單元，產(chǎn)生 了流水線技術(shù)。該技術(shù)與單純提高CPU時鐘頻率相比，大大提高了并行計算機系統(tǒng)的性能。
當時，伊利諾依大學和Burroughs公司開始著手實施Illiac Ⅳ計劃，研制1臺64顆CPU的SIMD主機系統(tǒng)，涉及到相關(guān)硬件技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)、I/O設(shè)備、操作系統(tǒng)、程序設(shè)計語言，以及包括應用程序在內(nèi)的眾多研究課題。1975年，隨著一臺規(guī)模大大縮小的原型系統(tǒng)(僅使用了16顆CPU)的面世，新的計算技術(shù)也得到了發(fā)展。
首先是存儲系統(tǒng)的概念，提出了虛擬存儲和緩存的思想，大大提高了計算機的整體性能。其次是半導體存儲器開始代替磁芯存儲器，大大縮小了存儲器的體積并提高了訪存速度。集成電路技術(shù)也被廣泛而迅速地應用到計算機技術(shù)中。1976年Cray-1問世，向量計算技術(shù)被應用到高性能計算機中。Cray-1對所使用的邏輯電路是經(jīng)過精心設(shè)計的，采用RISC精簡指令集，引入向量寄存器，完成向量運算。
20世紀80年代開始，微處理器技術(shù)高速發(fā)展，隨著機器的字長從4位、8位、16位一直增加到32位、64位，其性能也隨之顯著提高。卡內(nèi)基·梅隆大學提出共享存儲多處理器體系結(jié)構(gòu)，并在當時流行的DEC PDP-11小型計算機的基礎(chǔ)上研制出1臺由16臺PDP-11/40處理機通過交叉開關(guān)與16個共享存儲器模塊相連接而成的共享存儲多處理器系統(tǒng)C.mmp。伯克利加州大學對基于SMP方式的總線協(xié)議進行擴展，提出了Cache一致性問題的處理方案。從此，C.mmp開創(chuàng)出的共享存儲多處理器體系結(jié)構(gòu)便成為服務(wù)器和桌面工作站的主流。
20世紀80年代中期，基于消息傳遞機制的并行計算機開始出現(xiàn)，加州理工學院將64個i8086/i8087處理器通過超立方體互連結(jié)構(gòu)連接起來。此后，便先后出現(xiàn)了Intel iPSC系列、INMOS Transputer系列、Intel Paragon，以及IBM SP的前身Vulcan等基于消息傳遞機制的并行計算機。RISC 精簡指令集計算機，用20%指令的組合實現(xiàn)了CISC 計算機指令系統(tǒng)不常用的80%指令的功能。在提高性能方面，RISC 采用了超級流水線、超級標量、超長指令字并行處理結(jié)構(gòu)；多級指令Cache；編譯優(yōu)化等技術(shù)，充分利用RISC 的內(nèi)部資源，發(fā)揮其內(nèi)部操作的并行性，從而提高流水線的執(zhí)行效率。20 世紀80 年代后期，RISC 處理機的性能指標幾乎以每年翻一番的速度發(fā)展，它對于提高計算機系統(tǒng)的性能和應用水平起著巨大的作用。目前，由Intel 和HP 兩家公司聯(lián)合開發(fā)的基于IA—64 架構(gòu)的Merced 芯片，并由其共同定義的顯式并行指令計算技術(shù)EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing)，將為微處理器技術(shù)的發(fā)展帶來突破性進展。EPIC 技術(shù)主要指編譯器在微處理器執(zhí)行指令之前就對整個程序的代碼作出優(yōu)化安排，編譯器分析指令間的依賴關(guān)系，將沒有依賴關(guān)系的指令(最多3 個)組成一“組”，由Merced內(nèi)置的執(zhí)行單元讀入被分成組的指令群并執(zhí)行。從理論上講，EPIC 可以并行執(zhí)行3 倍于執(zhí)行單元數(shù)的指令。64 位體系結(jié)構(gòu)的Merced 芯片還采用了指令預測、數(shù)據(jù)預裝等技術(shù)，可以顯著地減少實際執(zhí)行程序的長度，同時增強語句執(zhí)行的并行性，經(jīng)過代碼的重組，程序的執(zhí)行時間比基于傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的微處理器幾乎減少了一半；更加不同凡響的是，可以消除分支預測錯誤的三分之二。IA—64 微處理器具有128 個通用寄存器以及128 個浮點寄存器，而目前基于RISC 的微處理器通常只有32 個寄存器。它還具有更為豐富的與大量寄存器相連的附屬功能部件，使得其應用更為廣泛，同時內(nèi)部各功能部件之間的可伸縮性擴展了機器的“寬度”，提高了系統(tǒng)的性能。容量更大的Cache 以及更多的讀寫端口，使得基于IA—64 微處理器的速度不再受到存儲延遲的限制。EPIC 設(shè)計的Merced 芯片可并行處理十幾個運算，而當今最優(yōu)秀的芯片也只能并行處理4 個運算操作。EPIC 芯片用并行方式執(zhí)行任務(wù)而不用順序執(zhí)行，這將使其速度比現(xiàn)在的CISC 和RISC 芯片至少快兩倍。只有0.18 微米微小距離的跡線間寬度也使芯片時鐘能夠達到900MHZ。使用EPIC 設(shè)計的Merced 是第一個被分為三部分的芯片：一部分運行CISC，另一部分運行RISC，第三部分運行EPIC。把三種體系結(jié)合于一塊芯片意味著現(xiàn)存的應用程序?qū)⑷匀豢梢赃\行在基于新芯片的服務(wù)器上。
Cell和多核等新型處理器結(jié)構(gòu)帶來新的方向
隨著人們對計算機CPU速度的不斷追求和微電子技術(shù)的發(fā)展及限制，一種新的處理器結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)，它就是Cell和多核架構(gòu)技術(shù)的實現(xiàn)。
Cell架構(gòu)是1個單芯片多核處理單元，處理單元之間共享存儲器資源。與多核處理器不同，Cell主要采用協(xié)處理器方式，然后依靠多個處理器并行技術(shù)來實 現(xiàn)運算速度的提高。盡管存在應用程序難以充分利用的弊病，但是其綜合效率以及功耗控制都非常理想，開創(chuàng)了完全可擴展的架構(gòu)模式。從而為大型機、服務(wù)器、以至包括手機在內(nèi)的所有消費類電子產(chǎn)品提供1個統(tǒng)一的架構(gòu)平臺。只需要改變頻率、內(nèi)核數(shù)量等相關(guān)參數(shù)，即可保證在1個機器上開發(fā)、在所有機器上運行，大大節(jié)省了軟件移植所帶來的費用。因此，使用Cell的手機完全可以與相應的服務(wù)器進行直接溝通和資源共享，從而把這些小資源集合成為一個龐大的計算資源，構(gòu)成一個真正的信息化時代。在這個資源體系中，每個資源節(jié)點可能是微不足道的，但是每個節(jié)點的運算都可能被整個資源庫無窮放大，從而構(gòu)成一個完整的Cell網(wǎng)絡(luò)，為消費類電子的信息網(wǎng)絡(luò)化帶來真正的革命。
多核處理器的出現(xiàn)則是一場新的計算方式的革命[1，2]。2006 年，處理器開始從單核向多核處理器發(fā)展，多核處理器已不再局限于高端服務(wù)器，開始向 PC機普及，多核處理器使 PC 機變成并行式計算機。在多核處理器逐漸成為市場主導后，怎樣利用多核的優(yōu)勢來優(yōu)化并行程序設(shè)計成為一個需要研究和解決的問題。多核設(shè)計的出現(xiàn)為摩爾定律轉(zhuǎn)向基辛格規(guī)則帶來了生命力。英特爾推出了雙核、四核至強和雙核安騰處理器，AMD也推出了雙核、四核皓龍芯片，IBM的Power5+芯片也是雙核設(shè)計，針對HPC和圖形運算的Cell芯片更是擁有1+8個核，SUN公司的Ultrasparc T1擁有8個核，Clearspeed(96核)、思科NPU（192核）、RIKEN（512核）更是推出了擁有數(shù)十個甚至數(shù)百個核的芯片，預計到2020年，千核CPU也會誕生。同時，多核技術(shù)在高性能計算中也已獲得了廣泛應用。
3可重構(gòu)計算技術(shù)帶來新的亮點 以前的計算機硬件技術(shù)都是固件化的，無法隨著環(huán)境的改變而改變，產(chǎn)生大量的電子垃圾，不利于環(huán)保經(jīng)濟的發(fā)展，而可重構(gòu)計算技術(shù)的出現(xiàn)則為我們帶來了曙光。可重構(gòu)計算就是通過實現(xiàn)硬件的可編程技術(shù)來滿足不同計算任務(wù)的需求，從而達到最佳性能，且要求這種硬件結(jié)構(gòu)的變化能實時地適應計算任務(wù)要求的變化。這種體系結(jié)構(gòu)可變的特點，可以滿足實際應用中的多元化需求。實現(xiàn)可重構(gòu)計算的底層技術(shù)有FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）和CPLD編程技術(shù)。
在處理器芯片體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用可重構(gòu)計算技術(shù)的基本思想是通過動態(tài)配置片上大量的處理單元、存儲單元和互連單元，來支持各種不同類型并行性的計算模型，從而能在一個很寬的應用范圍內(nèi)達到高性能，提高片上硬件資源的利用率。基于可重構(gòu)計算技術(shù)實現(xiàn)的多型微處理芯片體系結(jié)構(gòu)能夠很好地利用半導體技術(shù)發(fā)展提供的能力，在解決應用的多樣性問題的同時，還可解決片上資源利用率、設(shè)計復雜性、系統(tǒng)可靠性以及降低成本和功耗等多方面的問題。可重構(gòu)計算技術(shù)在處理器芯片設(shè)計中的應用改變了傳統(tǒng)的指令集體系結(jié)構(gòu)、微體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和實現(xiàn)技術(shù)。
可重構(gòu)計算技術(shù)[3-5]使計算機硬件的設(shè)計不再復雜，硬件不再只是“硬”，也具備“軟”的特性，即硬件可“編程”。在可編程的介質(zhì)中提供強大的計算能力和密度，使得在單片系統(tǒng)上以低硬件復雜度開發(fā)出各種類型的應用, 同時能夠針對應用中固有的并行性特征動態(tài)配置多個微體系結(jié)構(gòu)模型，從而大幅度提高計算系統(tǒng)性能、降低功耗和設(shè)計的復雜性。
在設(shè)計中通常采用“自頂向下”的方法，即把系統(tǒng)分為若干模塊。原則是使得每個模塊有較獨立的功能，模塊之間的耦合盡可能小（通常表現(xiàn)為相互通信盡量簡單）。劃分之后，再分別實現(xiàn)每個模塊，最后把模塊像搭積木似地組裝起來。其中某些模塊可以做成現(xiàn)成的，可供設(shè)計時使用，即IP核心，它可以重復使用，從而提高了設(shè)計效率。再配合成熟的EDA工具作為設(shè)計流程的工具鏈，這樣設(shè)計就顯得相對容易。當然相對使用高級語言的軟件編程，仍然是難于設(shè)計和缺乏靈活性的，其實IP的思想與軟件的靜態(tài)鏈接庫很相似。可以把IP核心封裝成軟件可調(diào)用的庫的形式。庫分為靜態(tài)庫和動態(tài)庫，動態(tài)庫允許在程序執(zhí)行時按需加載和卸載。這相當于硬件在設(shè)計運行時，IP核心可以動態(tài)地載入和卸出，當然前提是并不破壞原有程序和數(shù)據(jù)。把IP核心封裝成動態(tài)庫，將是可重構(gòu)計算平5 臺最為核心的思想。
隨著芯片設(shè)計技術(shù)的SoC化，如何在1個芯片中集成很多現(xiàn)有的IP核，快速設(shè)計系統(tǒng)成為未來研究發(fā)展的重點。這時，IP核的可重用性和可更改性就成了最關(guān)鍵的技術(shù)，而開放源碼的IP核將提供方向。中國有案可查的開放源碼硬件項目是2001年3月啟動的OpenARM項目，在“中國芯”盛行的那幾年里，不少學校和研究單位參考開放源碼的處理器設(shè)計了自己的微處理器。這個時期，中國利用開放源碼硬件的資源進行IC設(shè)計的方法開始悄然流行。中國工程院院士許居衍的論文《半導體特征循環(huán)與可重構(gòu)芯片》中基于此技術(shù)的發(fā)展提出 “許氏循環(huán)”[3]，半導體產(chǎn)品的主要特征將沿著“通用”與“專用”循環(huán)波動，每10年1次，從2018年～2028年，將會重新走向通用。“許氏循環(huán)”發(fā)展圖如圖2所示。
許居衍的依據(jù)是，因為“可重構(gòu)計算是1個難度頗大、涉及面甚廣的課題，盡管當前很多人在研究，但是無論在器件結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還是在設(shè)計方法學方面，均存在不少問題，仍有很長的路要走。可重構(gòu)計算技術(shù)的發(fā)展，最終將推動主流應用進入U-SoC通用波動。只通過對‘毛坯芯片’(Raw Chip)的配置編程就可以得到用戶自定義的功能電路，從而引導半導體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演變，最終促進芯片應用創(chuàng)新Designless 模式的興起”。所謂的Designless，就是無需設(shè)計、自動生成集成電路，工程師只需要關(guān)注應用和功能層面即可。但實現(xiàn)Disignless的前提是必須軟硬件都開放。因為如果只開放軟件，不知硬件細節(jié)，還是無法生成一個完整設(shè)計。因此，一個邏輯的發(fā)展應是“硬”、“軟”均可編程，即算法可編程、可重構(gòu)器件也可編程的U-SoC。
可重構(gòu)技術(shù)與多核技術(shù)的融合 自從計算機發(fā)明以來，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)一直占據(jù)計算機體系結(jié)構(gòu)的統(tǒng)治地位，科學家和工程師們在此基礎(chǔ)上不斷研究硬件和軟件，使CPU和存儲器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，也為信息化、網(wǎng)絡(luò)化奠定了基礎(chǔ)。隨著人們對信息化的要求越來越高，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足人們的技術(shù)需求和發(fā)展要求，對計算機的要求不再僅僅是高速計算，同時更應具備信息處理和智能升級能力。可重構(gòu)技術(shù)與多核技術(shù)的出現(xiàn)為此提供了基礎(chǔ)。筆者認為新的計算機體系結(jié)構(gòu)將是：(1)CPU將不再由1個核組成，而是由多個核組成的Cell；(2)存儲器將不是中心，取而代之的將是信息通路；(3)計算機不再是五大部件，而是由多個信息處理節(jié)點構(gòu)成，每個節(jié)點的智能化[5]和集成化越來越高；(4)程序設(shè)計將包括軟件和硬件設(shè)計，生產(chǎn)商們提供的產(chǎn)品將是一個個封裝好的中間件，作為應用者將勿需關(guān)心程序設(shè)計，只需要關(guān)注專業(yè)設(shè)計，對于應用者將會更加友好。新的計算機體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。
全文回顧了計算機體系的發(fā)展歷程和新技術(shù)，并分析了目前計算機體系的發(fā)展和技術(shù)研究的關(guān)鍵: Cell和多核等新型處理結(jié)構(gòu)和可重構(gòu)計算技術(shù)，提出了新的計算機體系結(jié)構(gòu)，為計算機研究和應用提供了參考。
第四篇：計算機體系結(jié)構(gòu) 實驗報告2 華東理工大學
實驗名稱多通路運算器和寄存器堆
實驗地點 信息樓420 實驗日期 2012-12-7
一、實驗目的
1． 了解多通路的運算器與寄存器堆的組成結(jié)構(gòu)。
2． 掌握多通路的運算器與寄存器堆的工作原理及設(shè)計方法。
二、實驗設(shè)備
PC 機一臺，TD-CMX 實驗系統(tǒng)一套。
三、實驗原理
1．ALU® 單元的結(jié)構(gòu)
ALU®單元由運算器和雙端口寄存器堆構(gòu)成，通過不同的控制信號SEL1、SEL0 產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)的運算器。運算器內(nèi)部含有三個獨立運算部件，分別為算術(shù)、邏輯和移位運算部件，要處理的數(shù)據(jù)存于暫存器A 和暫存器B。
SEL0 和SEL1 用于選擇運算器和寄存器堆的通路：
(1)當SEL1=0、SEL0=0，ALU 的輸出D7?D0、REG（右口）的輸出OUT7?OUT0 和ALU與REG 的輸入IN7?IN0 接到CPU 內(nèi)總線上時，如圖1-2-1 所示，寄存器堆只能從右口進行操作，相當于只有一組控制線的單端口寄存器堆，一般計算機組成原理實驗涉及到的運算器和寄存器就是采用這種結(jié)構(gòu)。
(2)當SEL1=
1、SEL0=0，REG（右口）的輸出OUT7?OUT0 和ALU 與REG（右口）的輸入IN7?IN0 接到CPU 內(nèi)總線上時，運算器和雙端口寄存器堆的結(jié)構(gòu)如圖1-2-2 所示，寄存器堆由兩組控制信號來分別進行控制，每組控制信號都可以相對獨立的對寄存器堆進行讀寫操作，同時增加了執(zhí)行專用通道A 總線，以利于提高指令執(zhí)行的效率。
(3)當SEL1=
1、SEL0=1，REG（右口）的輸出OUT7?OUT0 和ALU 與REG（右口）的輸入IN7?IN0 接到CPU 內(nèi)總線上時，運算器和雙端口寄存器堆的結(jié)構(gòu)如圖1-2-3 所示，在雙通道雙端口運算器和寄存器堆的基礎(chǔ)上增加了暫存器旁路，把運算結(jié)果寫回到寄存器堆的同時也可以寫到暫存器A、暫存器B 中。由于在運算型指令中把運算的結(jié)果寫到通用寄存器中的指令很多，占運算型指令的大多數(shù)，發(fā)生通用寄存器數(shù)據(jù)相關(guān)的概率相當高，因此，可以用硬件 設(shè)置專用路徑來解決這種通用寄存器數(shù)據(jù)相關(guān)問題。
上面介紹了運算器和寄存器堆的三種典型的數(shù)據(jù)通路圖，在計算機組成原理這門課程中我們已經(jīng)對運算器有了初步的了解，明白運算器的主要功能是完成算術(shù)和邏輯類運算。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這門課程中經(jīng)過進一步的研究，還會了解到運算器與寄存器堆的結(jié)構(gòu)對于計算機系統(tǒng)的設(shè)計有著重要的作用，對于計算機性能的優(yōu)劣有著很大的影響。2．ALU® 單元的應用
在了解運算器與寄存器堆結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于如圖1-2-3 所示的雙通道雙端口運算器和雙端口寄存器堆的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計一段程序：從IN 單元讀入一個數(shù)據(jù)，存入R0；從IN 單元讀入另一個數(shù)據(jù)，存于R1；將R0 和R1 相加，結(jié)果存于R0；將R0 和R1 相加，結(jié)果存于R3，同 時打入暫存器A 中；再將R0 的值送OUT 單元顯示。
四、實驗操作及運行結(jié)果
(1)實驗步驟
1、把時序與操作臺單元的“MODE”短路塊插上，使系統(tǒng)工作在四節(jié)拍模式，按實驗連接圖接線。注意：連線時實驗箱電源要處于關(guān)閉狀態(tài)。
2、確保接線正確后，將實驗箱連到電腦：電源線+并口Jtag下載線（打印機口），并打開實驗箱電源。
3、在軟件Quartus II 8.0中選擇“File->Open Project”選項，按照以下路徑查找實驗過程中需要下載到FPGA中的數(shù)據(jù)“C:TangDuCMXFPGAALU® ALU®.qpf(.sof)”，打開該文件后，單擊軟件中的“Programmer”選項，單擊“Start”完成下載。如果下載成功在界面Progress中可以看到100%的標志字樣。
4、用串口電纜連接實驗箱和電腦打印機口，接通電源，打開軟件CMX，進行串口測試（如果串口線未連接或者串口線故障則自動彈出錯誤信息對話框）：端口→串口選擇→COM1或者COM2；然后，測試串口通訊是否成功：端口→串口測試。
5、如果串口通訊成功，在PC 機上運行TD-CMX，進入聯(lián)機軟件界面，選擇菜單命令“【實驗】—【ALU®實驗】”，打開數(shù)據(jù)通路圖。
6、首先按CON單元的CLR開關(guān)進行系統(tǒng)清零，狀態(tài)機為S0態(tài)。然后，采用單節(jié)拍運行方式來觀察數(shù)據(jù)流通。
1）用連接成的雙通道雙端口運算器和雙端口寄存器堆的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)以下一段程序：從IN 單元讀入一個數(shù)據(jù)，存入R0；從IN 單元讀入另一個數(shù)據(jù)，存于R1；將R0 和R1 相加，結(jié)果存于R0；將R0 和R1 相加，結(jié)果存于R3，同時打入暫存器A 中；再將R0 的值送OUT 單元顯示。
2）根據(jù)指令要求，得出用時鐘進行驅(qū)動的狀態(tài)機描述，即得出其有限狀態(tài)機
S0：空操作，系統(tǒng)復位后的狀態(tài)
S1：IN->R0;從IN 單元往R0 中打一個數(shù) S2：IN->R1;從IN 單元往R1 中打一個數(shù)
S3：R0->A, R1->B;同時把R0、R1 中的數(shù)打入暫存器A、B 中 S4：A+B->R0;將A+B 的結(jié)果送往R0 S5：A+B->R3，A+B->A;增加暫存器旁路，將A+B 的結(jié)果送往R3 的同時打入暫存器A中 S6：R0->OUT;把R0 中的數(shù)送入輸出單元顯示
3）每個狀態(tài)運行4個周期（T1—T4），即每個狀態(tài)按４次單節(jié)拍運行按鈕
。請在S1和S2狀態(tài)，通過ＩＮ單元的開關(guān)分別輸入兩個數(shù)（比如１和３）。觀察數(shù)據(jù)通路圖中數(shù)據(jù)的變化，并檢查是否與狀態(tài)的描述相符合。最后觀察OUT液晶單元是否顯示正確（如果從IN單元輸入的兩個數(shù)分別為1和3，則OUT單元輸出應該為4）。
7、當模型機執(zhí)行完一遍后，檢查OUT 單元顯示的數(shù)是否正確，按下CON 單元的總清按 鈕CLR，改變IN 單元的值，再次執(zhí)行機器程序，從OUT 單元顯示的數(shù)判別程序執(zhí)行是否正確。
(2)實驗結(jié)果
五、實驗中出現(xiàn)的問題和解決方法
問題1：接線問題 解決方法：本試驗我自認為是這三個實驗里連線最復雜的一個，因為開始的時候小組其他的兩個同學連的線，后來實驗執(zhí)行不成功，所以我們又檢查了一下連線，雖然找到了幾個錯誤但是仍然不成功，不得不在找一遍，最終發(fā)現(xiàn)了加法運算器執(zhí)行不正確的地方了。問題2：串口問題
解決方法：使用新的串口需要根據(jù)實驗操作指示重新安裝USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動程序。問題3：ID問題
解決3：每次實驗的 ID都不一致所以需要根據(jù)實驗操作指示做相關(guān)修改。
第五篇：深圳大學研究生分子微生物學總結(jié)
分子微生物學（表觀遺傳調(diào)控）
表觀遺傳是指在染色體中DNA 序列不發(fā)生變化的情況下，基因表達卻發(fā)生了可遺傳的改變，這種改變在發(fā)育和細胞增殖過程中能穩(wěn)定地遺傳下去。
表觀遺傳分子機制：DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑以及RNA干擾等
DNA甲基化
DNA 甲基化是指由S．腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)作用下，基因組內(nèi)CpG 二核苷酸中胞嘧啶的5位碳原子被甲基化形成5-甲基胞嘧啶。
組蛋白修飾
組蛋白作用：作為核小體的組成部件，為DNA提供結(jié)合位點；調(diào)控轉(zhuǎn)錄的起始。
組蛋白修飾：組蛋白在相關(guān)酶作用下在N-末端通過共價修飾作用發(fā)生甲基化、乙酰化、泛素化、SUMO化和磷酸化等翻譯后修飾，進而形成豐富的組蛋白密碼。
組蛋白修飾-乙酰化、甲基化
高乙酰化狀態(tài)以及H3K4甲基化=euchromatin（真染色質(zhì)）
低乙酰化狀態(tài)以及H3K9，H3K27甲基化=Heterochromatin（異染色質(zhì)）
Promoter范圍內(nèi)的DNA甲基化直接抑制轉(zhuǎn)錄
組蛋白修飾-泛 素 化、SUMO化
泛素化：(ubiquitylation)是介導蛋白質(zhì)降解的重要方式之一，它通過將76個氨基酸的泛素(ubiquitin，Ub）結(jié)合到靶蛋白上，形成多聚泛素鏈，被蛋白酶體識別，引起蛋白質(zhì)降解;SUMO(small ubiquitin related modifier)化：結(jié)構(gòu)與泛素類似，在細胞內(nèi)具有廣泛功能，但并不介導蛋白酶體依賴的蛋白質(zhì)降解過程
表觀修飾與真菌次生代謝產(chǎn)物的關(guān)系
一、組蛋白甲基化與次生代謝
組蛋白甲基化酶: 復雜
賴氨酸殘基（me, me2, me3）;精氨酸（me, me2）
LaeA CclA
一、組蛋白甲基化與次生代謝 LaeA（組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶）
LaeA（組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶）
存在：絲狀真菌（A． terreus，A．nidulans，A．fumigatus，A．Flavus； Penicillium chrysogenum），酵母中沒有；
全局調(diào)控因子（global regulator）：菌種形態(tài)；多種次生代謝產(chǎn)物；
調(diào)控機理不清楚
一、組蛋白甲基化與次生代謝 LaeA（組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶）
LaeA與VeA，VelB形成復合體發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用；
在光的作用下，VeA的核內(nèi)轉(zhuǎn)移被抑制，進而LaeA的作用被抑制；
LaeA含有SAM結(jié)合位點，甲基化酶類？？
Bok J W, Chiang YM，Szewczyk E，et al．Chromatin-level regulation of biosynthetic gene clusters．Nat Chem Biol，2009，5(7)：462-464．
cclA阻斷突變株H3K4的二甲基化和三甲基化顯著降低，并伴隨著H3K9的二甲基化和三甲基化降低。ccl阻斷突變株至少激活了2條沉默基因簇的表
達，產(chǎn)生8種新化合物，包括mondeictyphenone、幾種大黃素同系物、芳香聚酮F9775A和F9775B等。
二、組蛋白乙酰化與次生代謝 HdaA, HosB, HstA（組蛋白脫乙酰化酶）
構(gòu)巢曲霉：青霉素、norsolorinic acid和terrequinone A。
阻斷hosB(真菌特異的 HOS3-like HDAC)和hstA(sirtuin的同源體)對真 菌次級代謝沒有顯著的影響，而阻斷hdaA(保守的 class II HDAC)后顯著地提高norsolorinic acid和青 霉素的產(chǎn)量。同時失去這3種HDACs的突變株的 norsolorinic acid產(chǎn)量進一步提高。
二、組蛋白乙酰化與次生代謝 A.nidulans與streptomyces共培養(yǎng)
共培養(yǎng)外部刺激：
Saga/Ada復合體（HAT）促進H3K9和H3K14的乙酰化；
表觀遺傳修飾對次生代謝的影響
化學表觀遺傳修飾對真菌次生代謝產(chǎn)物的影響
化學表觀遺傳修飾對真菌次生代謝產(chǎn)物的影響
How to regulate antibiotics(secondary metabolites)production? 2012年國家自然科學基金面上項目
化學表觀遺傳刺激對海洋真菌活性產(chǎn)物多樣性的研究
王立巖
目的1：如何發(fā)現(xiàn)更多的結(jié)構(gòu)新穎的次生代謝產(chǎn)物
（1）激活沉默基因：
a）改變培養(yǎng)基和培養(yǎng)方式；
b）過表達次級代謝產(chǎn)物生合成途徑特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因或全局調(diào)控基因；
c）異源表達；
（2）利用新菌種資源
目的2：利用化學表觀遺傳刺激劑為探針，深入探討真菌次生代謝產(chǎn)物生物合成的調(diào)控機制
Nancy Keller etal., 生物學手段研究化學現(xiàn)象，靶向性不明確；
Cichewicz，利用化學表觀刺激物發(fā)現(xiàn)新化合物（=目的1）
Hertweck，偶像？利用化學指標為探針，深入探討生物學問題！
表一：化學表觀遺傳試劑
（1）對NO產(chǎn)生抑制活性測定
（2）對人結(jié)腸癌細胞細胞毒活性
分子微生物學-2-
紅霉素的生物合成和組合生物合成
從青霉素開始… 組合生物合成的意義
據(jù)估計目前大概有105 種的抗生素被發(fā)現(xiàn), 但是只有102種的抗生素被用于臨床。
原因：毒副作用、或者水溶性差、或者抑菌活性不高。
以活性天然產(chǎn)物為母體進行化學結(jié)構(gòu)修飾合成新的衍生物, 與從環(huán)境中隨機篩選新的天然產(chǎn)物相比更具有針對性, 因此也成為目前新藥發(fā)展的重要途徑之一。組合生物合成解決化學合成難以解決的復雜結(jié)構(gòu)修飾問題。如何去做？
復雜天然產(chǎn)物的生物合成是從簡單的小分子前體到終產(chǎn)物形成的多步驟反應。
有特定的蛋白酶催化
參與復雜天然產(chǎn)物生物合成的基因，通常特征性的成簇分布與微生物染色體的某一區(qū)域。
紅霉素是一類用于治療革蘭氏陽性細菌感染的廣譜大環(huán)內(nèi)酯類抗生素, 最早于1952 年從紅色糖多孢菌(Saccharopolyspora erythraea)的發(fā)酵產(chǎn)物里分離得到。
聚酮合成酶
在目前發(fā)現(xiàn)的具有良好生物活性的天然產(chǎn)物中, 聚酮類化合物占據(jù)了很大的比例.這類化合物是以小分子羧酸為前體, 通過聚酮合酶(polyketide synthase, PKS)催化合成的.根據(jù)催化模塊是否重復利用以及功能域的不同, PKS 可分為I 型、II 型和III 型
Post assembly line modifiucation
1、酰基轉(zhuǎn)移酶AT
酰基轉(zhuǎn)移酶AT 負責特異性識別底物, 替換識別不同底物的模塊, 可以使不同的底物摻入內(nèi)酯環(huán)的合成中。
6-脫氧紅霉內(nèi)酯合成過程中6 個延伸模塊的酰基轉(zhuǎn)移酶AT 都特異識別甲基丙二酸單酰輔酰A 為底物,將特異識別丙二酰輔酶A 的AT 結(jié)構(gòu)域分別替換模塊1到模塊6 的AT 結(jié)構(gòu)域, 將分別產(chǎn)生在內(nèi)酯環(huán)C-12,C-10, C-8, C-6, C-4 和C-2 位置缺少？紅霉素結(jié)構(gòu)類似物
采用一個識別乙基丙二酰輔酶A 為底物的AT功能域(來自Niddamycin 的PKS 模塊7)替換紅霉素PKS模塊5, 則可獲得C-6 位上的乙基取代類似物
阿維菌素合成PKS 中起始模塊的AT 具有廣泛底物選擇性的, 把后者的AT-ACP 區(qū)域替換原本紅霉素合成PKS 所對應的區(qū)域后, 雜合的PKS 能夠識別異丁酰輔酶A或者2-甲基丁酰輔酶A為起始單元, 合成C-13 位上帶異丙基或2-丁基的紅霉素結(jié)構(gòu)類似物
許多I 型PKS 聚酮化合物如泰樂菌素(tylosin)、苦霉素(pikromycin)、多殺菌素(spinosyn)等的起始模塊AT-ACP結(jié)構(gòu)域的前端還含有KSQ功能域.這種結(jié)構(gòu)單元的起始模塊AT 首先識別的是二酸單酰輔酶A, 結(jié)合到酰基載體蛋白ACP后并不是直接轉(zhuǎn)移到延伸模塊的KS 結(jié)構(gòu)域中, 而是由其自身模塊的酮基硫酯合成酶KSQ 結(jié)構(gòu)域催化脫羧, 再轉(zhuǎn)移到第一個延伸模塊的酮基硫酯合成酶KS1 上進行下一步的合成。
通過此種方式獲得R1為甲基的產(chǎn)物
2、紅霉素PKS 結(jié)構(gòu)修飾功能域的改變
在I 型PKS 的某些模塊組合有β-酮基還原酶KR、脫水酶DH 和烯醇還原酶ER 等功能域, 這些功能域非PKS 催化反應往下延伸的必須基團, 但它們的存在會影響大環(huán)骨架上β-羰基的還原水平.對紅霉素PKS 延伸模塊6 中酮基還原酶KR 功能域和模塊4 中烯醇還原酶ER 功能域失活, 可以得到相應的C-3 ？類似物27 和C-6－C-7 ？類似物28
直接刪除紅霉素PKS 延伸模塊6 中酮基還原酶KR 結(jié)構(gòu)域?qū)⒂绊懪c之相連的AT 結(jié)構(gòu)域的底物識別特異性, 結(jié)果除了產(chǎn)生化合物27 外, 還產(chǎn)生預料不到的化合物29
對紅霉素PKS 唯一DH(延伸模塊4)活性中心的點突變, 將導致DEBS 蛋白的完全失活
在紅霉素的PKS 中增加相關(guān)的功能域, 同樣能產(chǎn)生紅霉素的一些結(jié)構(gòu)類似物.采用合成雷帕霉素PKS 延伸模塊4 的DH/KR 結(jié)構(gòu)域分別替換紅霉素PKS 延伸模塊
2、模塊6中的KR 結(jié)構(gòu)域, 分別產(chǎn)生內(nèi)酯環(huán)上含有烯鍵的化合物30, 31.雷帕霉素PKS 中的延伸模塊1 的DH/ER/KR 結(jié)構(gòu)域分別替換紅霉素PKS 延伸模塊
2、模塊5 中的KR 結(jié)構(gòu)域則產(chǎn)生內(nèi)酯環(huán)脫羥基的化合物？？
采用此結(jié)構(gòu)域替換紅霉素PKS 延伸模塊6 時, 并未發(fā)現(xiàn)脫羥基化合物34 出現(xiàn), 反而有較多的化合物27 和31 積累，說明？
組合生物合成在擴展天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)多樣性方面的巨大潛力
通過對各種聚酮類的結(jié)構(gòu)域或模塊互相組合, 分別得到多種組合突變的重組子, 表達得到近60 種6-脫氧紅霉內(nèi)酯類似物庫.占當時已知的所有聚酮化合物數(shù)量的3%, 超過之前自然界所發(fā)現(xiàn)的不同大環(huán)內(nèi)酯環(huán)結(jié)構(gòu)的總量.這些復雜的結(jié)構(gòu)類似物采用化學合成的方法都是很難獲得的.3、內(nèi)酯環(huán)單元數(shù)的改變
TE：負責將合成的長鏈脂肪酸從PKS 上水解下來, 并與PKS 的其它部位共同作用, 將產(chǎn)物環(huán)化成一個十四元環(huán)的化合物6-脫氧紅霉內(nèi)酯。
TE 對聚酮鏈的長度有較高的容忍性,能夠識別環(huán)化不同數(shù)目碳鏈原子形成數(shù)目不同元環(huán).KR 功能域?qū)儆谝活惗替溸€原酶(short-chain dehydrogenase/reductase,SDR)家族的酶系
催化產(chǎn)生R 構(gòu)型化合物的KR 活性中心一側(cè)含有一個高度保守的天冬氨酸殘基
還原產(chǎn)生S 構(gòu)型化合物的KR 活性中心則缺少此天冬氨酸殘基, 但在活性中心相反的一側(cè)含有一個色氨酸殘基.這些活性中心結(jié)構(gòu)上細微差異使聚酮類化合物(底物)進入KR活性中心時的方向不同, 從而最終使還原產(chǎn)物形成不同的立體構(gòu)型。
把合成雷帕霉素rapamycin PKS 模塊2 或模塊5 插入到紅霉素PKS延伸模塊1 后面后, 能夠產(chǎn)生16 元環(huán)化合物38, 39 及在C-13 位環(huán)化的十四元環(huán)產(chǎn)物40, 41
4、后修飾途徑過程中的組合生物合成
紅霉素合成后修飾途徑組合生物合成中最感興趣的是內(nèi)酯環(huán)的糖基化。這些糖基是紅霉素生物活性的關(guān)鍵所在。
糖基轉(zhuǎn)移酶EryCIII 催化C-5 羥基上的糖基化, 有較高的底物特異性.但目前仍然有報道顯示EryCIII 能夠把D-mycaminose 轉(zhuǎn)移到內(nèi)酯環(huán)的C-5羥基上從而形成新的紅霉素類似物紅霉素M(53)
與紅霉素結(jié)構(gòu)非常相似的另外一個天然產(chǎn)物苦霉素picromycin C-5 羥基的德胺糖轉(zhuǎn)移酶對底物的容忍性也比較寬泛, 能夠識別一系列6-脫氧紅霉內(nèi)酯的結(jié)構(gòu)類似物.問題與展望
應 用組 合 生物合成可以改變抗生素原有的生物合成過程，使其結(jié)構(gòu)多樣化，而這一點通過化學方法是很難甚至是無法達到的。
這方面的進一步研究將有助于理解醫(yī)學上的一些重要二級代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。
隨著這一研究方法的不斷發(fā)展，人們將能夠合成更多抗酸且對耐藥性致病菌具有活性的新的紅霉素類物質(zhì)，從而使更安全、更有效的藥物不斷出現(xiàn)。
問題與展望
實際操作過程中新化合物能否被催化合成取決于酶對于底物的容忍性.絕大多數(shù)經(jīng)過組合生物合成手段合成的結(jié)構(gòu)類似物產(chǎn)量要比原始的天然產(chǎn)物低；
在自然界中存在的酶催化反應都是由千百萬年進化而來, 天然的酶與天然的底物在進化過程中已經(jīng)處于一個相對最適的狀態(tài)；
通過人為的方法產(chǎn)生新雜合酶從概率上來說是很難比天然的酶對底物更加匹配。
Moduler assembly of type II PKS
? 天然產(chǎn)物創(chuàng)新藥物研究背景 ? 初級代謝產(chǎn)物
? 初級代謝產(chǎn)物是指微生物通過代謝活動所產(chǎn)生的、自身生長和繁殖所必需的物質(zhì)。
? 如蛋白、核酸、多糖、氨基酸、核苷酸、單糖、脂類、維生素等。通過初級代謝，能使營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)物質(zhì)、具生理活性物質(zhì)或為生長提供能量，因此初級代謝產(chǎn)物，通常都是機體生存必不可少的物質(zhì)，只要在這些物質(zhì)的合成過程的某個環(huán)節(jié)上發(fā)生障礙，輕則引起生長停止，重則導致機體發(fā)生突變或死亡，是一種基本代謝類型。
? 次級代謝產(chǎn)物
幾個著名的天然產(chǎn)物藥物 嗎啡（Morphine）
? 在公元前3 世紀的希臘文獻中已有記載
? 到16 世紀中期，阿片在歐洲被認為是最有效的鎮(zhèn)痛藥
? 在公元前139年張騫出使西域時，傳到中國 ? 三國時名醫(yī)華佗就使用大麻和鴉片作為麻醉劑 ? 明朝李時珍的《本草綱目》中就有“阿芙蓉”的記載 ? 青霉素(Penicillin)? 青霉素的著名傳奇始于1928年，弗萊明醫(yī)生在他并不整潔的實驗室的一個的培養(yǎng)皿里發(fā)現(xiàn)了一株霉菌-青霉(Penicillium notatum)。霉菌周圍的葡萄球菌菌落已被溶解。
? 神奇之藥，第一個臨床例：1942年美國的女患者安妮米勒(Anne Miller)
? 二戰(zhàn)期間，美國大規(guī)模生產(chǎn)
? 我國在天然產(chǎn)物創(chuàng)新藥物研究中的貢獻
※ 抗瘧藥—青蒿素（Artemisinin）
60年代中期開發(fā)，我國在世界首先研制成功的一種抗瘧新藥。被世界衛(wèi)生組織評價為治療惡性瘧疾唯一真正有效的藥物。據(jù)聯(lián)合國世界衛(wèi)生組織近年統(tǒng)計報告，全世界瘧區(qū)207300萬人口(占世界總?cè)丝?0)，臨床患者4-5億多人，每年死亡200-300萬人,目前全世界每年抗瘧藥銷售額高達15億美元。
? 曾經(jīng)限制天然產(chǎn)物化學創(chuàng)新藥物研究的瓶頸 ? 活性成分含量低，分離純化困難
? 結(jié)構(gòu)復雜，結(jié)構(gòu)解析困難
? 活性追蹤的分離方法（1990-2000）假陽性，假陰性（漏篩）
? 工作量大，重復分離已知成分
? 復雜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)修飾問題
? 新型的制備型HPLC
? maitotoxin, 是目前分離得到的結(jié)構(gòu)最大的聚醚類化合物，最大的非蛋白，非多糖類有機化合物，被認為是毒性最大的非蛋白質(zhì)類化合物。
? Wyeth’s method for natural product drug screening ?
為什么是新化合物？
? 什么是專利：政府授予發(fā)明者的專有權(quán)，在規(guī)定的期限（20年），只有發(fā)明者（持有人）才能開發(fā)該發(fā)明/創(chuàng)新。
? 專利為實物資產(chǎn)，可以出售或者授權(quán)第三方。
? 2011年11月末，制藥巨頭輝瑞公司的膽固醇明星藥立普妥的專利保護到期，該公司每年失去100億美元的收入。
? 2011年，制藥業(yè)失去對10多種暢銷藥品的控制權(quán)，與之相關(guān)的年收入近500億美元。
? 根據(jù)美國再就業(yè)公司Challenger, Gray & Christmas的數(shù)據(jù)，制藥行業(yè)在2009年裁員61000人，2010年裁員53000人，遠遠超過其他行業(yè)。
? 專利保護的對象 ? 新化合物
? 新的藥物制劑及復方 ? 新的制藥工藝
? 已知藥物（或化合物）的新用途等 ? 結(jié)構(gòu)修飾 ? Action of 6-APA
? PGA（青霉素酰化酶）is the natural substrate for Pen.G ? Penicillin G is hydrolysed in a reversible reaction to 6-APA and phenylacetic acid.? Vital intermediate for the production of semi-syntheic penicillins
? 半合成青霉素的方法 ① 酰氯法：
②
③ 酸酐法：
? 博萊霉素（bleomycin）
? The structural differences between BLMs and ZBM ? 加快建設(shè) 青蒿素原料藥基地 2012-06-27 05:05:00 來源: 重慶日報(重慶)
? 酉陽地處武陵山區(qū)腹地，獨特的地形和氣候有利于青蒿的生長和青蒿素的合成。據(jù)檢測，酉陽青蒿葉中的青蒿素綜合含量比全國平均水平高兩倍多。據(jù)專家調(diào)查，酉陽39個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中海拔800米以下的黃壤土均適宜人工種植青蒿。全縣175萬畝耕地，適宜種植青蒿的耕地面積約45至50萬畝。目前酉陽已建成青蒿核心基地9萬畝，青蒿種植面積達12萬畝。形成年生產(chǎn)青蒿素35噸、青蒿素衍生物35噸、糖漿劑300萬瓶、西藥片劑1200萬片的生產(chǎn)能力，建成世界最大的青蒿素原料藥生產(chǎn)基地。
? 2009年底，重慶（目前中國最大黃花蒿種植地區(qū)和青蒿素原料藥生產(chǎn)基地）市場上青蒿素原料藥售價已恢復到2005年水平——2500元/公斤，鮮草收購價迅速提高至每公斤6元人民幣
? 目前桂林南藥的產(chǎn)能最大，年需要近百噸的青蒿素原料藥。南藥的種植基地廣泛分布在四川、云南、貴州、湖南、廣西等地。而且此次我們采訪 桂林南藥負責人時獲悉，南藥現(xiàn)在“胃口”相當大青蒿素的原料越多越好。醫(yī)學 教育網(wǎng)搜集整理
華立年產(chǎn)青蒿素60余噸，現(xiàn)居青蒿素產(chǎn)能第二位。華立早因擁有最大的青蒿種植基地而聞名業(yè)內(nèi)。華立的種植基地分布最廣，目前仍擁有最大種植面積的“霸主”地位。
廣藥年產(chǎn)15噸青蒿素，6噸蒿甲醚和6噸青蒿琥酯。廣藥的青蒿基地也主要分布在四川、湖南，貴州等地。
南藥的“大胃口”，對于國內(nèi)很多小規(guī)模的生產(chǎn)青蒿素廠家是一個非常好的信息。目前國內(nèi)的很多的小型生產(chǎn)企業(yè)以及剛剛參與到青蒿素產(chǎn)業(yè)中的生產(chǎn)廠家看好青蒿素的市場卻苦于找不到好的銷售渠道。而且據(jù)健康網(wǎng)調(diào)查，有關(guān)的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的青蒿素如果符合南藥的有關(guān)要求，南藥會給它的很多合作者亮起綠燈。所收購的青蒿素價格遠高于市場價格。
南藥、華立和廣藥的圈地運動的最終結(jié)果是：使國內(nèi)青蒿素的流向越來越趨向于集中。青蒿素也屬于資源型品種，質(zhì)優(yōu)價廉的青蒿原料非我國莫屬。
十二五973課題：2012CB721100-G新功能人造生物器件的構(gòu)建與集成
? 埃博霉素
? 紫杉醇
? 人參皂苷
? 開發(fā)天然產(chǎn)物創(chuàng)新藥物的時機!The timing is never better
? 新的提取分離分析技術(shù)的應用（HPLC, UPLC, C18, C8, C4-ODS, sephadex LH-20, XAD-16, HP-20, Amberlite etc.）
? 新的結(jié)構(gòu)解析的儀器，技術(shù)的開發(fā)應用(MS/MS, HR-MS, HR-NMR(950MHz), LC-NMR-MS, etc.)
可以解析最低微克級的樣品
? 數(shù)據(jù)庫的建立，現(xiàn)代的研究理念
? 生物合成: 化學與生物學相結(jié)合的方法 微生物天然產(chǎn)物的復雜結(jié)構(gòu)的修飾
分子微生物學-3-生物合成途徑中的化學問題
抗生素品種從化學結(jié)構(gòu)類別包括：
? β-內(nèi)酰胺類（肽類）：青霉素、頭孢菌素 ? 環(huán)肽類（肽類）： 桿菌肽、環(huán)絲氨酸； ? 糖肽類（肽類）： 萬古霉素、博萊霉素；
? 多肽類（肽類）： 多粘菌素、放線菌素D；
? 氨基糖苷類（糖類衍生物）： 鏈霉素、卡那霉素、慶大霉素
? 大環(huán)內(nèi)酯類： 紅霉素、螺旋霉素、麥迪霉素、交沙霉素 ? 四環(huán)類： 四環(huán)素、金霉素、土霉素；
? 多烯大環(huán)類： 兩性霉素B、制霉菌素、殺假絲菌素；
? 核苷類： 阿糖腺苷、嘌呤霉素、多氧菌素、日光霉素；
抗生素品種從化學結(jié)構(gòu)類別包括（續(xù)）：
? 聚醚類：鹽霉素、莫能霉素；（獸藥）? 蒽環(huán)類： 柔紅霉素、阿克拉霉素； ? 醌類： 絲裂霉素C； ? 甾體類： 羧鏈孢酸； ? 安莎類： 利福霉素；
? 其他： 灰黃霉素、新生霉素、林可霉素、磷霉素、氯霉素、赤霉素、有效霉素（井崗霉素）。次級代謝產(chǎn)物的生物合成途徑
乙酸途徑
單元：乙酰輔酶A 來源：糖酵解
酚類、前列腺素類、大環(huán)內(nèi)脂類、脂肪酸類
Erythromycin Biosynthesis Rifamycin biosynthesis Tetracycline biosynthesis Folate biosynthesis 甲羥戊酸途徑
磷酸脫氧木糖途徑
甲羥戊酸途徑
常見天然產(chǎn)物的構(gòu)造單元
C1單元：L-甲硫氨酸，OCH2O
C2單元：乙酰輔酶A，丙二酸單酰輔酶A C3單元：？？
C5單元：甲羥戊酸、磷酸脫氧木糖
C6C3單元：L-絡(luò)氨酸、L-苯丙氨酸（有時C6C2，C6C1，C6C2N等為C6C3修飾后的單元）
吲哚C2N單元：L-色氨酸脫羧
C4N單元：L-鳥氨酸脫羧脫氨
C5N單元：L-賴氨酸脫羧脫氨
組裝機制
天然產(chǎn)物由一系列酶催化產(chǎn)生
烴化反應：親核取代，親電加成遷移反應：Wagner-meerwein重排
C-C鍵形成：羥醛反應（aldol reaction）和克萊森反應（Claisen reaction）希夫堿的形成以及曼尼希反應
轉(zhuǎn)氨基反應
脫羧反應
氧化還原反應
糖基化反應
1.烴化反應：親核取代 SAM作用下的O-烴化及N-烴化
DMAPP作用下的氧烴化
1.烴化反應：親電加成分子內(nèi)和分子間的加成碳正離子產(chǎn)生過程
碳正離子的脫去過程
遷移反應：Wagner-meerwein重排
羥醛縮合和克萊森反應
生物合成中輔酶A的參與
Aldol reaction
Reverse aldol and reverse Claisen 希夫堿的形成以及曼尼希反應 轉(zhuǎn)氨基反應（transamination）-引入氮原子或者失去氮原子
脫羧反應（decarboxylation）脫去一個碳原子
氧化還原反應1-脫氫酶（dehydrogenase）
氧化還原反應2-氧化酶（oxydase）
氧化還原反應3-加單氧酶（mono-oxygenase）
氧化還原反應4-加雙氧酶（dioxygenase）
加雙氧酶-（2-酮戊二酸依賴型）2-oxoglutarate-dependent dioxygenase
氧化還原反應5-胺氧化酶（amine oxidase）
氧化還原反應5-酚的氧化偶聯(lián)（phenolic oxidative coupling）
糖基化反應
化學反應是生物合成的基礎(chǔ)！
Fungi epi-genetics regulation（真菌的表觀遺傳調(diào)控）
Fungi epi-genetics regulation（真菌的表觀遺傳調(diào)控）
Typical natural products from Fungi Epi-genetic regulation（表觀遺傳調(diào)控）
表觀遺傳是指在染色體中DNA 序列不發(fā)生變化的情況下，基因表達卻發(fā)生了可遺傳的改變，這種改變在發(fā)育和細胞增殖過程中能穩(wěn)定地遺傳下去。表觀遺傳分子機制：DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑以及RNA干擾等
DNA甲基化
DNA 甲基化是指由S．腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)作用下，基因組內(nèi)CpG 二核苷酸中胞嘧啶的5位碳原子被甲基化形成5-甲基胞嘧啶。
組蛋白修飾
組蛋白作用：作為核小體的組成部件，為DNA提供結(jié)合位點；調(diào)控轉(zhuǎn)錄的起始。
組蛋白修飾：組蛋白在相關(guān)酶作用下在N-末端通過共價修飾作用發(fā)生甲基化、乙酰化、泛素化、SUMO化和磷酸化等翻譯后修飾，進而形成豐富的組蛋白密碼。
組蛋白修飾-乙酰化、甲基化
高乙酰化狀態(tài)以及H3K4甲基化=euchromatin（真染色質(zhì)）
低乙酰化狀態(tài)以及H3K9，H3K27甲基化=Heterochromatin（異染色質(zhì)）
Promoter范圍內(nèi)的DNA甲基化直接抑制轉(zhuǎn)錄
組蛋白修飾-泛 素 化、SUMO化
泛素化：(ubiquitylation)是介導蛋白質(zhì)降解的重要方式之一，它通過將76個氨基酸的泛素(ubiquitin，Ub）結(jié)合到靶蛋白上，形成多聚泛素鏈，被蛋白酶體識別，引起蛋白質(zhì)降解;
SUMO(small ubiquitin related modifier)化：結(jié)構(gòu)與泛素類似，在細胞內(nèi)具有廣泛功能，但并不介導蛋白酶體依賴的蛋白質(zhì)降解過程
表觀修飾與真菌次生代謝產(chǎn)物的關(guān)系
一、組蛋白甲基化與次生代謝
組蛋白甲基化酶: 復雜
賴氨酸殘基（me, me2, me3）;精氨酸（me, me2）
LaeA CclA
一、組蛋白甲基化與次生代謝 LaeA（組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶）
LaeA（組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶）
存在：絲狀真菌（A． terreus，A．nidulans，A．fumigatus，A．Flavus； Penicillium chrysogenum），酵母中沒有；
全局調(diào)控因子（global regulator）：菌種形態(tài)；多種次生代謝產(chǎn)物；
一、組蛋白甲基化與次生代謝 LaeA（組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶）
LaeA與VeA，VelB形成復合體發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用；
在光的作用下，VeA的核內(nèi)轉(zhuǎn)移被抑制，進而LaeA的作用被抑制；
LaeA含有SAM結(jié)合位點，甲基化酶類？？
Bok J W, Chiang YM，Szewczyk E，et al．Chromatin-level regulation of biosynthetic gene clusters．Nat Chem Biol，2009，5(7)：462-464．
cclA阻斷突變株H3K4的二甲基化和三甲基化顯著降低，并伴隨著H3K9的二甲基化和三甲基化降低。ccl阻斷突變株至少激活了2條沉默基因簇的表達，產(chǎn)生8種新化合物，包括mondeictyphenone、幾種大黃素同系物、芳香聚酮F9775A和F9775B等。
二、組蛋白乙酰化與次生代謝
HdaA, HosB, HstA（組蛋白脫乙酰化酶抑制劑）
構(gòu)巢曲霉：青霉素、norsolorinic acid和terrequinone A。
阻斷hosB(真菌特異的 HOS3-like HDAC)和hstA(sirtuin的同源體)對真 菌次級代謝沒有顯著的影響，而阻斷hdaA(保守的 class II HDAC)后顯著地提高norsolorinic acid和青 霉素的產(chǎn)量。同時失去這3種HDACs的突變株的 norsolorinic acid產(chǎn)量進一步提高。
二、組蛋白乙酰化與次生代謝 A.nidulans與streptomyces共培養(yǎng)
共培養(yǎng)外部刺激：
Saga/Ada復合體（HAT）促進H3K9和H3K14的乙酰化；
表觀遺傳修飾對次生代謝的影響
化學表觀遺傳修飾對真菌次生代謝產(chǎn)物的影響
化學表觀遺傳修飾對真菌次生代謝產(chǎn)物的影響
表一：化學表觀遺傳試劑
? 真菌表觀遺產(chǎn)調(diào)控與次生代謝產(chǎn)物的關(guān)系
? 核小體（英語：Nucleosome，也譯作核體或核仁小體等）
? 是組成真核生物染色質(zhì)（除精子染色質(zhì)外）的基本單位。核小體是由DNA與四對組織蛋白（共8個）的復合物，其中有H2A和H2B的二聚體兩組以及H3和H4的二聚體兩組。另外還有一種H1負責連結(jié)兩個核小體之間的DNA。核小體假說是在1974年，由Don Olins、Ada Olins與羅杰·科恩伯格等人首次提出的。
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