计算机系统结构复习要点Word下载.doc
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(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。
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
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:
单指令流单数据流(SISD)
单指令流多数据流(SIMD)
多指令流单数据流(MISD)
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。
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
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
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)·
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。
传送第i个数据所用的时间(i=1,2,…,n)
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)·
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