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计算机系统结构复习资料

第一章计算机系统结构概论

1.名词解释

兼容性：

向上（下）兼容：

指按某一档机器编制的软件，不加修改就能运行于比它高（低）档的机器上。

向前（后）兼容：

在按某一时期投入市场的该型号机器上编制的软件，不加修改就能运行宇在它之前（后）投入市场的机器上。

系列机：

在软、硬件界面上确定好一种系统结构，之后软件设计者按此设计软件，硬件设计者根据机器速度、性能、价格的不同，选择不同的器件，在用不同的硬件技术和组成、实现技术，研制并提供不同档次的机器

可移植性：

是指软件不用修改或只需经少量加工就能由一台机器搬到另一台机器上运行透明性：

本来存在的事务或属性，从某个角度上看不到。

反之，不透明模拟：

用机器语言程序实现软件移植的方法仿真：

用微程序直接解释另一种机器指令的方法并行性：

只要在同一时刻或是在同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作，它们在时间上能互相重叠。

同时性和并发性

时间重叠：

是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。

资源重复：

是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资源共享：

是利用软件的方法让多个用户按一定时间顺序轮流地使用同一套资源，以提高其利用率，这样也可以提高整个系统的性能

2.计算机系统的多级层次结构

多级层次结构：

是从使用语言的角度，基于程序员与计算机系统对话中所采用的语言结构和语义划分。

a）机器----语言

M5：

应用语言机器--------应用语言

M4：

高级语言机器--------高级语言

M3：

汇编语言机器--------汇编语言

M2：

操作系统机器-------作业控制语言

M1：

传统机器-------------机器指令系统

M0：

微程序机器----------微指令系统

b）现代计算机系统的层次结构分为六级。

几点说明：

M0用硬件，M1用固件，其它用软件。

固件（Firmware）：

指存储在计算机ROM和其它集成电路中的系统软件，固件不能随意改变。

计算机系统作为一个整体，包括软、硬件，之间无固定界面。

低层语言功能简单，而高层语言功能复杂虚拟机器（VirtualMachine）：

用软件为主实现的机器。

3.系统结构、组成和实现的关系

计算机系统结构：

对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下的功能进行分配，也称体系结构。

（外特性：

是计算机系统的概念性结构和功能特性，指令系统的外特性是最关键的内特性：

计算机系统的设计人员看到的基本属性，是外特性的逻辑实现内特性主要是如何合理地实现分配给硬件的功能。

）计算机组成：

研究硬件系统各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。

是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

计算机实现：

计算机组成的物理实现，研究各部件的物理结构、机器的制造技术和工艺等，是计算机组成的物理实现。

它着眼于器件技术和微组装技术为了我们便于理解我举几个例子：

指令系统：

•指令系统的确定----系统结构•指令的实现----------组成•具体电路、器件设计及装配技术实现主存系统：

•主存容量与编址方式的确定----系统结构•主存速度的确定、逻辑结构的模式---组成•器件的选定、电路的设计、组装技术实现

系统结构、组成和实现三者的相互关系

•具有相同系统结构的计算机可以采用不同的组成，一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现；

•采用不同的系统结构会使可以采用的组成技术产生差异，计算机组成也会影响系统结构；

•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，它的发展促进了实现技术的发展，也促进了结构的发展；•计算机实现，特别是器件技术的发展是计算机系统结构和组成的基础，促进了组成与结构的发展；•随着技术的发展，三者关系融合于一体，难以分开，在相互促进中发展。

4.计算机系统的设计原则、思路

设计原则：

•软硬件功能分配的比例必须使得在现有的和器件主要是逻辑器件和存储器件条件下获得很高的性能价格比•考虑到准备采用和可能采用的组成技术，使它尽可能不要过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用；•不能仅从“硬”的角度去考虑如何便于应用组成技术的成果和发挥器件技术的进展，还应从“软”的角度

把为编译和操作系统的实现，以至高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持放在首位；

设计思路：

有三种•由上往下（Top-down）•由下往上（Bottom-up）•由中间开始（Middle-out）

5.计算机系统的分类（flynn）

指令流：

是指机器执行的指令序列。

数据流：

是指指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。

•SISD单指令流单数据流计算机系统传统的单处理机属于SISD计算机

•SIMD单指令流多数据流计算机系统

并行处理机是SIMD计算机的典型代表

•MISD多指令流单数据流计算机系统

实际上不存在，但也有学者认为存在

•MIMD多指令流多数据流计算机系统

包括了大多数多处理机及多计算机系统

第二章数据表示、寻址方式与指令系统

1.名词解释

数据表示：

机器硬件能直接识别和引用的数据类型分类：

基本数据表示、高级数据表示、自定义数据表示RISC精简指令系统计算机CISC复杂指令系统计算机寻址方式：

是指令按什么方式寻找（访问）到所需的操作数或信息的

2数据表示的含义及与数据结构的关系

•数据表示：

指的是能由机器硬件直接识别和引用的数据类型。

由硬件实现的数据类型•数据结构：

面向计算机系统软件、面向应用领域所需处理的数据类型。

由软件实现的数据类型。

–目标：

最大限度满足应用要求、最简化的方法实现。

–实现：

通过数据表示和软件映像相结合方法实现。

•数据表示是数据类型的子集。

•数据表示的确定实质上是软、硬件的取舍问题

•数据结构和数据表示是软、硬件的界面

3.定义数据表示，标示符、描述符，两者的区别

带标识符的数据表示与描述符的含义及区别。

•标识符是和每一个数据相连的，合存在一个存储单元中，描述单个数据的类型特征。

•描述符是和数据分开存放的，专门用来描述所要访问的数据是整块数据还是单块数据，访问该数据块或数据元素需要的地址以及其他特征信息等。

4.引入数据表示的原则•看系统的效率是否提高，是否减少了实现时间和所需的存储空间；•看引入数据表示后，其通用性和利用率是否高；•通用性：

是否对多种数据结构均适用。

•利用率：

硬件设置大小的选择。

数据结构的发展总是优先于机器的数据表示，应尽可能为数据结构提供更多的支持。

5.Huffman编码与扩展编码Huffman编码:

当各种事件发生的概率不均等时，采用优化技术对发生概率最高的事件用最短的位数（时间）来表示（处理），而对出现概率较低的允许用较长的位数（时间）来表示（处理），以达到平均位数减少的目的

扩展编码：

由固定长操作码与Huffman编码法相结合形成

ExampleHuffman用四种长度01011011100111011111011111I1I2I3用两位000110I4I5I6I7用四位：

1100110111101111

6.RISC的设计原则、基本技术及存在的问题

RISC的设计原则:

Simpleisfast,Smallisfast

•使用频度很高的指令

•大大减少寻址方式•所有指令在一个机器周期完成•扩大通用寄存器个数•采用硬联控制实现•通过精简指令和优化设计编译程序，易简单有效的方式支持高级语言

特点：

•使用频度很高的指令•大大减少寻址方式

•所有指令在一个机器周期完成•扩大通用寄存器个数•采用硬联控制实现•通过精简指令和优化设计编译程序，易简单有效的方式支持高级语言

技术：

•遵循按RISC机器一般原则设计的技术•在逻辑上采用硬联实现和微程序固件实现相结合的技术•在CPU中设置数量较大的寄存器组，并采用重叠寄存器窗口的技术•指令的执行采用流水和延迟转移技术•采用认真设计和优化编译系统设计的技术

不足：

•指令少，加重汇编程序员的负担•浮点运算和虚拟存储器支持不足•编译程序难写

第三章存储、中断、总线与I/O系统（非重点）

总线：

中央处理器、存储器及其他输入输出设备之间实现通信的系统。

并行主存系统：

能并行读取多个CPU字的单体多字、多体单字或多体多字的交叉存储主存系统。

第四章存储体系

1.存储系统与存储体系存储系统:

物理上硬件组成，将多种不同工艺的存储器组织在一起实容量，高速度，低价格的要求存储体系:

让构成存储系统的n中不同的存储器（M1~Mn）之间，配上辅助软硬件，使之从程序员的角度看，它们在一个逻辑上是一个整体，访问速度接近于M1，容量是Mn，每位价格接近于Mn基本的两级存储体系是虚拟存储器和Cache存储器，也就是存储体系的两个不同分支

或是两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个存储系统。

使之从程序员的角度看，它们在一个逻辑上是一个整体2.存储体系的性能参数

包括存储层次的每位价格，命中率，存储层次的等效访问时间，访问效率

存储层次的每位价格：

命中率H:

CPU产生的逻辑地址能在M1中访问到（命中到）的概率。

H与地址预知算法及M1的容量有关

存储层次的等效访问时间和访问效率

等效访问时间TA

（越大越好）

3虚拟存储器的管理方式

通过增设地址映像表机构来实现程序在主存中的定位。

这种定位技术是将程序分割成若干较小的段或页，用相应的映像表机构来指明程序的某段或某页是否已装入内存。

•段式管理•页式管理•段页式管理

段式管理：

开始编址，长度可长可短，可以在程序执行过程中动态改变程序段的长度。

地址变换方法：

•由用户号找到基址寄存器•从基址寄存器中读出段表的起始地址•把起始地址与多用户虚地址中段号相加得到段表地址•把段表中给出的起始地址与段内偏移D相加就能得到主存实地址优点•程序的模块化性能好•便于程序和数据的共享•程序的动态链接和调度比较容易•便于实现信息保护缺点•地址变换所花费的时间比较长，做两次加法运算•主存储器的利用率往往比较低•对辅存（磁盘存储器）的管理比较困难页式管理：

优点•主存储器的利用率比较高•页表相对比较简单•地址变换的速度比较快•对磁盘的管理比较容易缺点•程序的模块化性能不好•页表很长，需要占用很大的存储空间

段页式管理：

地址变换方法：

•先查段表，得到该程序段的页表起始地址和页表长度•再查页表找到要访问的主存实页号•最后把实页号P与页内偏移d拼接得到主存的实地址。

4.四种地址映像与变换的含义与区别

全相联映像与变换

•映象规则：

主存中的任意一块都可以映象到Cache中的任意一块。

•如果Cache的块数为Cb，主存的块数为Mb，映象关系共有：

Cb×Mb种。

•用硬件实现非常复杂•在虚拟存储器中，全部用软件实现

特点：

•冲突概率低

•空间利用率高•地址变换复杂

直接映像与变换•映象规则：

主存中一块只能映象到Cache的一个特定的块中。

•计算公式：

b＝BmodCb

其中：

b为Cache的块号，B是主存的块号，Cb是Cache的块数。

整个Cache地址与主存地址的低位部分完全相同特点：

硬件简单冲突概率高出现大量空闲块很少使用•直接映象方法的主要优点：

硬件实现很简单,不需要相联访问存储器

访问速度也比较快实际上不做地址变换•直接映象方式的主要缺点:

块的冲突率较高地址变换过程:

•用主存地址中的块号B去访问区号存储器•把读出来的区号与主存地址中的区号E进行比较•比较结果相等且有效位为1则Cache命中•比较结果相等有效位为0表示Cache中的这一块已经作废•比较结果不相等有效位为0表示Cache中的这一块是空的比较结果不相等有效位为1表示原来在Cache中的这一块是有用的

组相联映像与变换

定义及规则：

各组之间是直接映象，组内各块间是全相联映象。

组相联映象方式的优点：

块的冲突概率比较低块的利用率大幅度提高块失效率明显降低

组相联映象方式的缺点：

实现难度和造价要比直接映象方式高

地址变换过程：

用主存地址的组号G按地址访问块表存储器把读出来的一组区号和块号与主存地址中的区号和块号进行相联比较如果有相等的，表示Cache命中如果没有相等的，表示Cache没有命中

段相联映像组间全相联，组内直接映象

第五章流水和指令集高度并行的超级机

重叠方式和流水线方式

顺序解释：

各条机器指令之间顺序串行地执行，执行完一条指令后采取出下条指令来执行，而且每条指令内部的各个微操作也是顺序串行地执行。

优点：

控制简单。

重叠解释：

在解释第k条指令的操作完成之前，就可开始解释第k+1条指令不能加快一条指令的实现但能加快相邻两条以至一段程序的解释一次重叠执行方式（一种最简单的流水线方式）•如果两个过程的时间相等，则执行n条指令的时间为：

T=（1+2n）t•主要优点：

•指令的执行时间缩短•功能部件的利用率明显提高•主要缺点：

•需要增加一些硬件•控制过程稍复杂

二次重叠执行方式•如果三过程的时间相等，执行n条指令的时间为：

T=（2+n）t•理想情况下同时有三条指令在执行•处理机的结构要作比较大的改变，必须采用先行控制方式

先行控制方式的原理采用二次重叠执行方式，必须解决两个问题：

有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件独立的控制器：

存储控制器、指令控制器、运算控制器要解决访问主存储器的冲突问题取指令、分析指令、执行指令都可能要访问存储器

解决访存冲突的方法：

1采用低位交叉存取方式：

这种方法不能根本解决冲突问题。

2两个独立的存储器：

独立的指令存储器和数据存储器3采用先行控制技术先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。

缓冲技术是在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲栈，用以平滑它们的工作。

在采用了缓冲技术和预处理技术之后，运算器能够专心于数据的运算，从而大幅度提高程序的执行速度。

流水线与重叠的比较

•结果：

解决了分析与执行时间不等长问题。

•与重叠区别：

分析和执行部件可同时处理两条不相邻指令。

•采用技术：

缓冲技术+预处理技术•硬件要求•增设指令缓冲栈，消除取指过程；•增设数据缓冲栈，保证不同指令的读、写操作并行；•增设先行操作栈，保证执行部件能连续执行。

•流水是重叠的延伸.•一次重叠：

只是把一条指令的解释分解为两个子过程；•流水：

分解为更多的子过程。

流水线的特点只有连续提供同类任务才能充分发挥流水线的效率•对于指令流水线：

要尽量减少因条件分支造成的“断流”•对于操作部件：

主要通过编译技术，尽量提供连续的同类操作在流水线的每一个流水线段中都要设置一个流水锁存器•时间开销：

流水线的执行时间加长•是流水线中需要增加的主要硬件之一各流水段的时间应尽量相等•流水线处理机的基本时钟周期等于时间最长的流水段的时间长度流水线需要有装入时间、充满时间和排空时间在理想情况下，当流水线充满后，每隔Δt时间将会有一个结果流出流水线相关问题：

转移、数据、控制、指令

流水线中的相关是指相邻或相近的指令因存在某种关联，后面的指令不能在原指定的时钟周期开始执行。

一般来说流水线中的相关主要分为如下三种类型：

（1）结构相关：

当硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，而发生资源冲突时，就发生了结构相关。

（2）数据相关：

当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行时，就可能引起数据相关。

（3）控制相关：

当流水线遇到分支指令和其它能够改变PC值的指令时，就会发生控制相关。

流水线的分类

按流水处理的级别部件级（操作流水线），如浮点加法器流水线处理机级，指令流水线系统级：

宏流水线

按功能多少单功能：

只能完成一种固定功能的流水线多功能：

流水线的各段通过不同连接实现不同功能

按多功能的连接方式静态：

同一段时间内，多功能流水线中的各个功能段只能按照一种固定的方式连接，实现一种固定的功能。

只有连续出现同一种运算时，流水线的效率才能得到充分的发挥。

动态：

在同一段时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能。

按数据表示标量流水：

没有向量数据，只能用标量循环方式来对向量、数组进行处理。

向量流水：

设置有向量指令和向量运算硬件，能对向量、数组中的各个元素流水地处理。

按是否有反馈回路线性（LinearPipelining）：

每个流水段都流过一次，且仅流过一次非线性（NonlinearPipelining）：

在流水线的某些流水段之间有反馈回路或前馈回路

按照控制方式：

同步流水线异步流水线

流水线的主要性能

吞吐率（TP,ThoughputRate）是流水线单位时间里能流出的任务数或结果数（细分和瓶颈段并联解决瓶颈问题）加速比（SpeedRatio）指流水线的速度与等效的非流水线的速度之比。

效率（Efficiency）是指流水线中的设备实际使用时间占整个运行时间之比，也称流水线设备的时间利用率

时空图分析

说明

•流水线的每一个阶段称为流水步、流水步骤、流水段、流水线阶段、流水功能段、功能段、流水级、流水节拍等。

•在每一个流水段的末尾或开头必须设置一个寄存器，称为流水寄存器、流水锁存器、流水闸门寄存器等。

会增加指令的执行时间。

•为了简化，在一般流水线中不画出流水锁存器•流水线经过装入、充满、排空三个阶段•流水的最大吞吐率：

当流水线正常符合流动时的吞吐率。

每隔Δt流出一个结果。

•流水的最大吞吐率取决于子过程所经过的时间Δt

单功能非线性流水线调度

指令级高度并行的超级处理机

超标量、超流水线、VLIW（超长指令字处理机）

超标量处理机；采用多指令流水线（度=m）

配置多套功能部件、指令译码电路和多组总线，并且寄存器也备有多个端口和多组总线。

适合于求解稀疏向量、矩阵

超标量处理机定义：

•一个时钟周期内能够同时发射多条指令的处理机称为超标量处理机•必须有两条或两条以上能够同时工作的指令流水线

基本结构：

一般流水线处理机：

•一条指令流水线•一个多功能操作部件，每个时钟周期平均执行指令的条数小于。

多操作部件处理机：

•一条指令流水线

•多个独立的操作部件，操作部件可以采用流水线，也可以不流水•多操作部件处理机的指令级并行度小于1超标量处理机典型结构：

•多条指令流水线•进的超标量处理机有：

定点处理部件CPU，浮点处理部件FPU,图形加速部件GPU•大量的通用寄存器，两个一级高速Cache•超标量处理机的指令级并行度大于1

单发射处理机：

•每个周期只取一条指令、只译码一条指令，只执行一条指令，只写回一运算结果•取指部件和译码部件各设置一套•可以只设置一个多功能操作部件，也可以设置多个独立的操作部件•操作部件中可以采用流水线结构，也可以不采用流水线结构•设计目标是每个时钟周期平均执行一条指令，ILP的期望值1

多发射处理机：

•每个周期同时取多条指令、同时译码多条指令，同时执行多条指令，同时写回多个运算结果•需要多个取指令部件，多个指令译码部件和多个写结果部件•设置多个指令执行部件，复杂的指令执行部件一般采用流水线结构•设计目标是每个时钟周期平均执行多条指令，ILP的期望值大于1

超流水线处理机：

两种定义：

•一个周期内能够分时发射多条指令的处理机称为超流水线处理机。

•指令流水线有8个或更多功能段的流水线处理机称为超流水线处理机。

提高处理机性能的不同方法：

•超标量处理机是通过增加硬件资源为代价来换取处理机性能的。

•超流水线处理机则通过各硬件部件充分重叠工作来提高处理机性能。

两种不同并行性：

•超标量处理机采用的是空间并行性•超流水线处理机采用的是时间并行性每隔1/n个时钟周期发射一条指令，流水线周期为1/n个时钟周期在超标量处理机中，流水线的有些功能段还可以进一步细分

超标量流水线处理机

把超标量与超流水线技术结合在一起，就成为超标量超流水线处理机指令执行时序超标量超流水线处理机在一个时钟周期内分时发射指令n次，每次同时发射指令m条，每个时钟周期总共发射指令m×n条。

超长指令字处理机

•是将水平型微码和超标量处理两者结合的结构•指令字长可达数百位，多个功能部件并发工作，共享大容量寄存器堆。

•是一种单指令多操作码多数据的系统结构（SIMOMD）

第六章阵列处理机

阵列处理机（ArrayProcessor）也称并行处理机（ParallelProcessor）通过重复设置大量相同的处理单元PE（ProcessingElement），将它们按一定方式互连成阵列，在单一控制部件CU（ControlUnit）控制下，对各自所分配的不同数据并行执行同一组指令规定的操作。

操作级并行的SIMD计算机。

1.阵列处理及的构形和特点分布式存储器的阵列处理机构形各处理单元设有局部存储器PEM（ProcessingElementMemory）存放被分布的数据；只能被本处理单元直接访问控制部件CU设有存放程序和数据的主存储器整个系统在CU控制下运行用户程序和部分系统程序处理单元之间可通过互联网络ICN（InterconnectionNetwork）目前的大部分阵列处理机是基于分布式存储器模型的系统

集中式共享存储器的阵列处理机构形存储器由K个存储体集中组成，经互联网络ICN为全部N个处理单元所共享互联网络用于在处理单元与存储体分体之间进行转接而构成数据通路对准网络（AlignmentNetwork）Burroughs公司和伊利若大学联合BSP

一台阵列处理机由五个部分组成多个处理单元PE多个存储器模块M一个控制器CU一个互连网络ICN一台输入输出处理机IOP阵列处理机的特点背景----科学计算有限差分、矩阵、信号处理、线性规划数组、向量处理资源重复，利用并行性中的同时性简单而规整的互联网络---设计重点专用机与并行算法紧密相联阵列处理机实质上是由专门对付数组运算的处理单元阵列组成的处理机专门从事处理单元阵列的控制及标量处理的处理机专门从事系统输入输出及操作系统管理的处理机组成的一个异构型多处理机系统

2.阵列处理机的并行算法3.三种单级互联网络的互联函数立方体单级网络互连函数：

Cube,第i位互为反码。

PM2I单级网络共有2n个互连函数：

说明普遍有：

PM2+（n-1）（j）=PM2-（n-1）（j）最大距