计算机系统结构复习要点.doc

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计算机系统结构复习要点

计算机系统结构是研究软件、硬件和固件的功能分配，确定软件和硬件的分界面，即哪些功能用硬件实现，哪些功能用软件实现。

计算机组成（ComputerOrganization）：

也称计算机组织，是在明确计算机系统结构分配给硬件的功能与概念性结构之后，研究硬件系统各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器语言级指令的功能与特性。

计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内部数据流和控制流的组成及其逻辑设计等。

计算机实现（ComputerImplementation）:

是计算机组成的物理实现。

目前，计算机实现所涉及的主要内容包括：

（1）处理机、主存等部件的物理结构

（2）器件的集成度和速度

（3）器件、模块、插件、底板的划分与连接

（4）专用器件的设计、微组装技术

（5）信号传输、电源、冷却及整机装配技术以及有关的制造工艺和技术等

系列机指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列不同型号的计算机。

系列机的概念就是指先设计好一种系统结构，而后就按这种系统结构设计它的系统软件，按器件状况和硬件技术研究这种结构的各种实现方法。

并按照速度、价格等不同要求，分别提供不同速度、不同配置的各档机器。

系列机必须保证用户看到的机器属性一致。

冯·诺依曼计算机的主要特点如下：

（1）机器以运算器为中心。

（2）采用存储程序原理。

（3）存储器是按地址访问的、线性编址的空间。

（4）控制流由指令流产生。

（5）指令由操作码和地址码组成。

（6）数据以二进制编码表示，采用二进制运算。

冯·诺依曼结构两个最重要特征：

Ø指令驱动计算机内部的信息流动

Ø计算机应用主要面向数值计算和数据处理

Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类：

Ø单指令流单数据流（SISD）

Ø单指令流多数据流（SIMD）

Ø多指令流单数据流（MISD）

Ø多指令流多数据流（MIMD）

四种定量分析技术的概念，及其相关计算：

运用Amdahl定量的计算，CPI的计算

大概率事件优先原则：

对于大概率事件（最常见的事件），赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。

Amdahl：

优化某部件所获得的系统性能的改善程度，取决于该部件被使用的频率，或所占总执行时间的比例。

T0为改进前的系统的总执行时间；

Fe表示可改进部分比例；

Se表示改进部分的加速比。

【例1.2】若将计算机系统中某一部件的处理速度提高8倍，该部件处理时间占整个系统运行时间的60%。

试问该部件的处理速度提高后，整个系统的性能提高了多少？

解：

根据题意，Se=8，Fe=60%，则

CPI=执行程序所需的时钟周期数／IC

IC：

所执行的指令条数

CPU时间=IC×CPI×时钟周期时间

三

数据表示：

能由机器硬件直接识别、可以被指令系统直接调用的数据类型。

通常是最常用，相对比较简单的、用硬件实现相对比较容易数据类型。

数据结构：

面向系统软件、应用领域所需要处理的各种数据类型。

研究这些数据类型的逻辑结构和物理结构之间的关系，并给出相应的算法。

数据表示和数据结构都是数据类型的子集。

浮点数：

sm：

是尾数的符号位，占用一位；

se：

是阶码的符号位，占用一位；

e：

是阶码的值，占用q位；

m：

是尾数的值，占用p位。

指令格式优化设计标准：

（1）节省程序的存储空间。

（2）指令字格式具有规整性，对相似的操作做相同的规定。

（3）指令格式的对称性。

（4）指令的高效性。

指令格式（组成）：

操作码+地址码

指令分类：

零地址指令、一地址指令、二地址指令、三地址指令。

操作码的设计方法：

固定操作码、Huffman编码，扩展编码

RISC计算机的特点：

（1）大量使用通用寄存器。

（2）精简指令书目并简化其结构。

（3）优化的编译系统。

（4）芯片大量使用硬布线逻辑。

（5）为了保证指令可以不间断地传送给cpu，很多采用RISC技术的系统都设置有高速缓存。

四

单级存储器的主要矛盾：

速度越快，每位价格就越高。

容量越大，每位价格就越低。

容量越大，速度越慢。

采取多级存储层次方法来解决。

从用户的角度来看，存储器的三个主要指标是：

容量、速度和价格。

评价不同存储层次的性能:

存储层次的平均每位价格C、命中率H、等效访问时间T

存储器是计算机的核心部件，其性能关系到整个计算机系统性能的高低

虚拟存储器的工作原理：

把程序分割成若干较小的段或页，用映像表指明该程序的某段或页是否已装入主存。

程序执行时，查映像表将程序虚地址变换成实际主存地址。

针对页式虚拟存储器判断页面的失效情况，并能够计算出虚-实地址的对应关系

页式虚拟存储器的性能分析

提高虚拟存储器性能关键在于主存的命中率H的提高。

对于某道程序来说，影响主存命中率H的主要因素包括：

a．程序在执行过程中的页地址流的分布情况；

b．所采用的页面替换算法；

c．页面的大小：

当页大小增加到一定值时，命中率反而降低，这是因为页数减少了。

d．主存容量：

当主存容量增加到一定时，主存容量对命中率H的提高影响不大了。

e：

页面调度算法  

调度方式：

（1）分页方式：

一次装入运行，命中率为100%，但主存的利用率会降低。

（2）请求页式：

当需要时才从硬盘装入主RAM。

这种方法RAM的利用率高，但命中率不太高。

 （3）预取式＋请求页相结合的调度方法。

页式管理：

把主存空间和程序空间都机械的等分成固定大小的页，按页顺序编号。

页式管理的优点：

主存储器的空间利用率比较高。

页表比较简单，大大简化了映像表的硬件，节省了页表的存储量

地址映象与地址转换速度比较快。

页式管理缺点：

页表很长，占用很大的存储空间。

程序的模块化性能不好。

程序和数据的保护不方便。

页面替换算法：

随机替换算法，先进先出替换算法、近期最少使用算法、最久没用使用算法。

Cache存储系统的工作原理及其与虚拟存储器之间的区别

工作原理：

在高速缓冲存储器中把Cache和主存机械的分成大小相同的块（或行）。

每一块由若干个字（或字节）组成。

Cache与虚拟存储器之间的区别：

Cache与主存之间以块为单位进行数据交换，Cache中块的大小通常以一个主存存储周期能对主存访问到的数据量为限，一般是几个到几十个主存存储字之间。

虚拟存储系统的页的大小在1K到几十K存储字之间。

两级存储器间的速度比不同。

Cache存储系统中，Cache的工作速度是主存工作速度的3~10倍。

虚拟存储系统中，主存的工作速度是通常磁盘存储器工作速度的105倍。

根据Cache存储系统的映射关系，计算出主存块号对应的Cache块号

CPU与Cache存储器和主存之间有直接通路，若CPU对Cache存储器中的块访问未命中，则CPU可直接访问主存。

但在虚拟存储系统中，若CPU对主存中的页访问未命中，则CPU需要等待要访问的虚页从磁盘存储器调入主存后才能进行访问。

Cache系统以提高存储系统的速度为目标，因此，Cache系统中的各项管理功能需要采用硬件实现；而虚拟存储系统以扩大存储系统的容量为目标，虚拟存储系统中的管理功能更多地依靠软件实现。

Cache系统对系统程序员和应用程序员都是透明的，虚拟存储系统仅对应用程序员是透明的。

Cache存储系统的性能分析

地址映像及变换方式/组织方式：

1.全相联映像及其变换

2.直接映象及其变换

3.组相联映象及其变换

4.段相联映象

Cache系统加速比：

tc为Cache的访问时间，tm为主存周期，H为访Cache的命中率，则Cache存储器的等效存储周期为te=Htc+（1-H）tm，Cache系统的加速比为：

Cache与主存不一致性引起的原因和解决方法

原因：

（1）CPU写Cache，但没有写Memory。

此时，若直接将Mem中的数据写入HD，就出问题。

（2）I/O处理机—>RAM,但没有到Cache,在这种情况下,若直接访问Cache中的数据也将出问题。

解决方法:

（1）写回法（Write-back）执行“写”操作时，被写数据只写入Cache，不写入主存。

仅当Cache中相应的块被替换时，才写回主存。

（设置“修改位”，当修改为为“1”时，替换时必须写回主存；当修改位为“0”时，不必写回。

）

（2）写直达法（Write-through）执行“写”操作时，必须把数据同时写入Cache和主存。

五

中断处理过程

现行指令结束，且没有更紧急的服务请求

关CPU中断

保存断点，主要保存PC中的内容

撤消中断源的中断请求

保存硬件现场，主要是PSW及SP等

识别中断源

改变设备的屏蔽状态

进入中断服务程序入口

保存软件现场，在中断服务程序中使用的通用寄存器等

开CPU中断，可以响应更高级别的中断请求

中断服务，执行中断服务程序

关CPU中断

恢复软件现场

恢复屏蔽状态

恢复硬件现场

开CPU中断

返回到中断点

根据中断屏蔽码求出中断的实际处理顺序

常用的通道种类，及其通道流量的计算

选择通道:

又称高速通道，在物理上它可以连接多个设备，在某一段时间内通道只能选择一个设备进行工作，传输完成后才为其他外围设备传输数据。

TS：

设备选择时间

Di：

通道正在为第i台设备服务，i＝1，2，…，p

TDi：

通道传送第i个数据所用的时间，i＝1，2，…，n

Tselect：

总共所需要的时间：

TS／n＋TD）·P·n

字节多路通道:

以字节交叉方式轮流为多个外设服务，以提高通道的利用率

TS：

设备选择时间

TD：

传送一个字节的时间

Dij：

第i台设备的第j个数据，i＝1，2，…，p；j＝1，2，…，n。

Tbyte：

共所需要的时间（TS＋TD）·P·n

数组多路通道:

以数组（数据块）为单位在若干高速传输操作之间进行交叉复用。

TS：

设备选择时间

TDi：

传送第i个数据所用的时间（i＝1，2，…，n）

Di：

通道正在为第i台设备服务（i＝1，2，…，p）

Tblock：

总共所需要的时间为：

（TS／k＋TD）·P·n

六

一次重叠和二次重叠的定义，并根据其定义求出给定任务的完成时间

一次重叠:

第i条指令的执行阶段和第i+1条指令的取指令阶段同时进行

二次重叠:

第i条指令的执行阶段、第i+1条指令的分析阶段和第i+2条指令的取指令阶段同时进行。

先行控制处理机结构、技术和原理

先行控制技术：

缓冲技术和预处理技术的结合。

1.二次重叠方式，指令执行的三个阶段的执行时间不相等

2.先行控制方式中，指令执行的三个阶段的执行时间不相等

原理：

指令执行过程中，只要前一条指令完成第一个功能段，就可以读取下一条指令，而前一条指令进入第二个功能段，以此类对，前面的指令一级一级地往后移动，后面的指令不断地流入，便形成了标量流水线工作方式。

流水线的分类

按照流水线的级别来分：

（1）功能部件级流水线也称为运算操作流水线

（2）处理机级流水线又称指令流水线

（3）处理机间级流水线又称宏流水线

按照是否有反馈回路来分

（1）线性流水线

（2）非线性流水线

按照功能的多少来分

（1）单功能流水线

（2）多功能流水线