07系统结构复习Word文档下载推荐.docx

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M2~M5。

3在计算机层次结构中：

机器：

指能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构。

二、计算机系统结构、组成与实现

1、计算机系统结构

（1）、概念：

系统结构：

指计算机系统中对各级之间界面的定义及其上下功能的分配。

因此每级都有其自身的系统结构。

本课程所讲的系统结构指的是传统机器级（简称机器级）的系统结构。

该界面是软件与硬件/固件的交界面。

界面之上：

为所有软件功能（包括操作系统、汇编语言、高级语言、应用语言的所有功能）。

界面之下：

为所有硬件和固件的功能。

（2）、计算机系统结构的任务

确定软硬件功能分配以及对机器软硬件界面的确定。

2、计算机组成

指计算机系统结构的逻辑实现。

包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

着眼于机器级内各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能以及各部件间的联系。

3、计算机实现

指计算机组成的物理实现。

包括处理机、主存等部件的物理结构等。

着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中起主导地位。

4、计算机系统结构、组成、实现间的关系

（1）、一种系统结构可以用多种不同的组成实现，一种组成也可以用多种不同的物理实现方法实现。

（2）、计算机组成和实现也会影响到系统结构。

（3）、计算机系统结构的设计应尽可能不要对组成、实现技术的采用和发展过多或不合理的限制。

（4）、计算机组成的设计，其上决定于计算机系统结构，其下又受限于所用的实现技术。

（5）、计算机实现是计算机系统结构和组成的基础，对计算机系统结构有很大影响。

（6）、系统结构、组成和实现所包含的具体内容随不同时期及不同的计算机系统会有些变化。

系统结构中的并行性发展及计算机系统结构的分类　

1、并行性含义与级别

（1）并行性的含义

并行性：

指问题中具有可以同时进行运算或操作的特性。

并行性包含同时性和并发性两重含义：

同时性：

指两/多个事件在同一时刻发生。

并发性：

指两/多个事件在同一时间间隔内发生。

（2）、并行性级别（从低到高）　

①从执行程序角度

指令内部、指令之间、任务或进程之间、作业或应用程序之间。

②从处理数据角度

位串字串（无并行性）、位并字串、位片串字并、全并行。

③从信息加工的角度

存储器操作并行、处理器操作步骤并行、处理器操作并行、指令/任务/作业并行。

2、并行性开发途径　　

（1）、时间重叠

在并行性概念中引入时间因素。

（2）、资源重复

在并行性概念中引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能。

如P21图1.11的双工系统：

利用资源重复，通过多台完全相同的处理单元（PE），在同一个控制器（CU）控制下，给PE分配不同的数据完成指令要求的同一种运算，以提高运算速度。

（3）、资源共享

计算机系统的分类　

弗林分类法：

按指令流和数据流的多倍性状况分类。

指令流：

机器执行的指令序列。

数据流：

由指令流调用的数据序列。

（输入数据、中间结果）

多倍性：

在系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的最大指令/数据个数。

按弗林分类法，计算机系统可分为：

（1）、单指令流单数据流（SISD）

（2）、单指令流多数据流（SIMD）

（3）、多指令流单数据流（MISD）

（4）、多指令流多数据流（MIMD）

第三章　　数据表示与运算方法　　

浮点数运算和下溢处理，数据表示与转换，信息按整数边界存储，

一、数据表示与转换

1、数据表示

（1）原码，反码，补码表示。

（2）asc码，汉字处理编码：

输入法编码，机内码，输出编码。

二、运算方法:

原码，反码，补码加减法，定点一位乘法

三、CRC校验码

四、浮点数加减法

第五章指令系统

一、指令格式及优化设计（重点）　　

指令格式的优化指如何用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息，使程序中指令的平均字长最短。

（1）定长操作码

（2）Huffman编码

（3）扩展操作码

要求：

会按Huffman编码和扩展操作码方法设计指令的操作码。

衡量的标准是看哪一种编码法能使平均字长最短。

二、寻址方式　

1、寻址方法分析

有面向寄存器、面向堆栈、面向主存的寻址方式。

2、逻辑地址与主存物理地址

（1）逻辑地址：

指程序员编写程序时使用的地址；

物理地址：

指程序在主存中的实际地址。

（2）当程序在装入主存时需要进行逻辑地址到物理地址空间的变换，即进行程序的定位。

（3）

在目的程序装入主存进，通过调用装入程序，用软件的方法把目的程序的逻辑地址变换成物理地址。

而在程序执行过程中，物理地址不再改变，称这种技术为静态再定位。

（4）在执行每条程序时才形成访存物理地址称为动态再定位。

三、按CISC（复杂指令系统计算机）方向发展和改进指令系统

改进途径和方向：

如何进一步增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原先由子程序完成的功能。

可以从三方面增强指令功能：

1、面向目标程序的优化实现

原则：

看目标程序的实现效率是否高、目标程序的长度是否缩短。

2、面向高级语言的优化实现

缩短高级语言和机器语言的语义差距、缩短编译程序的长度和编译时间。

3、面向操作系统的优化实现

思路：

增设专用于操作系统的新指令。

四、按RISC（精简指令系统计算机）方向发展和改进指令系统

通过减少指令总数和简化指令功能来降低硬件设计的复杂度，提高指令的执行速度。

1、RISC设计遵循的6条原则。

2、RISC采用的基本技术

（1）在逻辑上采用硬联实现和微程序固件实现相结合的技术；

（2）在CPU中设置数量较大的寄存器组，并采用重叠寄存器窗口技术；

（3）指令的执行采用流水和延迟转移技术；

（4）采用优化编译系统设计的技术。

3、RISC技术和优点与不足　　

第九章　　总线、中断与输入输出系统

总线控制方式，中断响应次序和中断处理次序的实现，通道流量计算。

难点：

画中断处理过程的示意图，通道的流量设计，画通道响应和处理各设备请求的时空图。

一、输入输出系统的概念

1、输入输出系统包括：

输入设备、设备控制器及输入输出操作有关的软硬件。

2、输入输出系统主要功能：

对指定的外设进行输入或输出操作，同时也完成许多其它的管理和控制。

3、与输入输出系统发展相对应的3种方式：

（1）程序控制输入输出（包括全软、程序查询、中断）；

（2）直接存储器访问（DMA）；

（3）IO处理机方式。

二、总线设计

1、总线类型

（1）以允许信息传送的方向分为单向传输和双向传输总线。

（2）以总线用法可分为专用和非专用总线。

①专用总线

优点是流量高、控制简单，提高了系统的可靠性；

缺点是总线数目多，难以小型化、集成电路化。

②非专用总线

优点是造价低、模块性强、可扩充能力强，部件的啬不会使电缆、接口和驱动电路等激增，易于采用多重总线来提高总线的带宽和可靠性，使故障弱化；

缺点是会出现争用总线，使未获得总线使用权的部件不得不等待而降低了效率，系统对共享总线的失效特别敏感，它往往可以导致系统瘫痪。

2、总线的控制方法

（1）方式有：

集中式总线控制和分布总线控制。

以集中式为总线控制为主。

（2）优先次序的确定的三种方式

①串行链接方式

优点是控制简单，缺点是优先级不灵活，“总线可用”信号失效敏感等。

②定时查询方式

优点是优先次序可用程序控制、灵活性强；

缺点是扩展性差，控制较复杂。

③独立请求方式

优点是总线分配速度快，控制器可以灵活确定下一个使用总线的部件。

缺点是控制线数量过大。

3、战线的通讯方式：

同步与异步通讯

4、数据宽度：

单字、定长块、可变长块、单字加定长块和单字加定长块和单字加可变长块等。

5、总线线数：

可通过采用线的组合、串/并转换和编码来减少。

三、中断系统

1、中断分类

IBM370系统将中断分成机器校验、管理程序调用、程序性、外部、输入/输出和重新启动6类。

2、中断分级

对不同类型的中断，根据中断的性质、紧迫性、重要性及软件处理的方便性从高到低分为一、二、三、…级。

3、掌握通过中断屏蔽位改变中断响应次序的方法，会处理实际问题，会画出中断处理次序图（重点）

4、中断系统的软硬件功能分配

四、通道处理机

1、分类

根据通道数据传送期间信息传送方式不同，有字节多路通道、选择通道和数组多路通道。

2、通道的流量分析（重点）

要求能画出通道响应和处理设备请求示意图。

通道流量：

指通道在数据传送期间单位时间内传送的字节数。

通道流量的分析要求：

必须满足设备要求通道的实际最大流量不超过通道能达到的极限流量。

通道的流量分析。

第七章　　存储系统（重点）

页式虚拟存储器映象及LRU、FIFO、OPT替换算法的过程模拟，LRU法的堆栈。

组相联的映象及替换算法模拟。

一、存储体系概念与并行主存系统

1、发展存储体系的必要性

解决存储器大容量、高速度、低价格的矛盾。

2、存储体系

（1）

从应用程序员来看，主、辅存构成了一个完整的整体，从整体速度上接近于主存，容量接近于辅存、每位价格接近于廉价慢速的辅存。

（2）存储体系的形成，提高了存储器系统的性能价格比。

（3）主、辅存层次不断发展和完善，形成了虚拟存储系统弥补了主存容量的不足。

（4）采用Cache－主存存储层次弥补了主存速度的不足。

3、存储体系的性能参数（重点，要求会计算）

（1）每位价格

（2）命中率

（3）存储层次的等效访问时间

二、虚拟存储器（重点）

1、掌握页式存储管理的思想，地址变换过程

2、掌握段式存储管理的思想、地址变换过程

3、了解段页式存储管理的思想、地址变换过程

4、比较各种替换算法并会处理实际问题

采用FIFO、LRU、OPT三种替换算法进行页面替换时的过程模拟，并会计算命中率。

5、掌握带快表的地址变换过程及快表的访问方式

6、掌握页大小、主存容量与命中率的关系

三、高速缓冲存储器Cache

1、Cache的组成、工作原理，与虚拟存储器进行对比

Cache和虚存在原理上相似，虚存中的地址变换、地址映象及替换算法也适用于Cache。

2、全相联、直接、组相联等地址映象的规则、地址变换过程、所用映象表的组织。

3、对影响Cache性能的因素进行分析

随着块的增大，Cache的命中率上升。

组的大小及Cache容量增大都可提高Cache命中率。

第六章中央处理器

cpu组成及功能

CPU的基本部分由运算器、cache和控制器三大部分组成

CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的基本功能：

★指令控制

程序的顺序控制称为指令控制。

由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按程序规定的顺序进行。

★操作控制

一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。

★时间控制

　　对各种操作实施时间上的定时称为时间控制。

在计算机中，各种指令的操作信号以及一条指令的整个执行过程都受到时间的严格定时。

★数据加工

　数据加工就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。

计算机所以能自动地工作，是因为CPU能从存放程序的内存里取出一条指令并执行这条指令；

紧接着又是取指令，执行指令……，如此周而复始，构成了一个封闭的循环。

除非遇到停机指令，否则这个循环将一直继续下去。

指令周期 

CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。

CPU周期 

又称机器周期，CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。

时钟周期 

通常称为节拍脉冲或T周期。

一个CPU周期包含若干个时钟周期。

下图示出了采用定长CPU周期的指令周期示意图。

控制方式：

微命令控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。

微操作执行部件接受微命令后所进行的操作。

微指令在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合。

微程序实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列。

微控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。

1.控制存储器

　　控制存储器用来存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读存储器。

一旦微程序固化，机器运行时则只读不写。

其工作过程是：

每读出一条微指令，则执行这条微指令；

接着又读出下一条微指令，又执行这一条微指令……。

读出一条微指令并执行微指令的时间总和称为一个微指令周期。

通常，在串行方式的微程序控制器中，微指令周期就是只读存储器的工作周期。

控制存储器的字长就是微指令字的长度，其存储容量视机器指令系统而定，即取决于微程序的数量。

对控制存储器的要求是速度快，读出周期要短。

2.微指令寄存器

　　微指令寄存器用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。

其中微地址寄存器决定将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器则保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息。

3.地址转移逻辑

1.基本思想

　　硬布线控制器是早期设计计算机的一种方法。

这种方法是把控制部件看作为产生专门固定时序控制信号的逻辑电路，而此逻辑电路以使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标。

一旦控制部件构成后，除非重新设计和物理上对它重新布线，否则要想增加新的控制功能是不可能的。

这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂树形逻辑网络，故称之为硬布线控制器。

硬联线控制器的结构如图：

图5.31硬布线控制器结构方框图

逻辑网络的输入信号来源有三个：

（1）来自指令操码译码器的输出Im；

（2）来自执行部件的反馈信息Bj；

（3）来自时序产生器的时序信号，包括节拍电位信号M和节拍脉冲信号T。

逻辑网络N的输出信号就是微操作控制信号，它用来对执行部件进行控制

二、流水方式

并行性的两种含义：

同时性指两个以上事件在同一时刻发生；

并发性指两个以上事件在同一时间间隔内发生。

计算机的并行处理技术概括起来主要有以下三种形式：

1.时间并行

　　时间并行指时间重叠，在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。

　　时间并行性概念的实现方式就是采用流水处理部件。

这是一种非常经济而实用的并行技术，能保证计算机系统具有较高的性能价格比。

目前的高性能微型机几乎无一例外地使用了流水技术。

2.空间并行

　　空间并行指资源重复，在并行性概念中引入空间因素，以“数量取胜”为原则来大幅度提高计算机的处理速度。

大规模和超大规模集成电路的迅速发展为空间并行技术带来了巨大生机，因而成为目前实现并行处理的一个主要途径。

空间并行技术主要体现在多处理器系统和多计算机系统。

但是在单处理器系统中也得到了广泛应用。

3.时间并行+空间并行

　　指时间重叠和资源重复的综合应用，既采用时间并行性又采用空间并行性。

显然，第三种并行技术带来的高速效益是最好的。

1、了解流水线的分类

2、流水线主要技术指标（吞吐率、效率、加速比）的计算和时空图的画法（重点）。

3、了解流水线局部相关及全局相关的处理方法

4、掌握如何进行流水线调度