系统结构总复习提纲2015

1/17系统结构总复习CH01一．基本概念1.计算机系统层次结构（0-6级）:p32.系统结构的定义由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。计算机系统结构主要研究软件、硬件界面的确定，即哪些功能由硬件或软件完成。计算机组成：指的是计算机系统结构的逻辑实现计算机实现：指的是计算机组成的物理实现3.透明性：一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。第6级：应用程序第5级：高级语言第4级：汇编语言第3级：操作系统第2级：机器语言第1级：微程序第0级：硬联逻辑应用软件系统软件硬件软硬件分界2/174.Flynn分类法：SISD：单指令单数据流SIMD：单指令多数据流MISD：多指令单数据流MIMD：多指令多数据流5.计算机系统设计者的主要任务：（1）确定用户对计算机系统的功能、价格和性能的要求（2）软硬件的平衡（3）设计出符合今后发展方向的系统结构6.计算机系统设计的主要方法：由下往上设计、由上往下设计、有中间开始设计7.存储程序原理的基本点是指令驱动，即程序由指令组成8.系列机：指在一个厂家生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。9.模拟与仿真：模拟：用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统，若A实现B，那么称A为宿主机，B为虚拟机。仿真：用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法称为仿真。A为宿主机，B为目标机。二、计算题：1.Amdahl定律eeenoneeeoneeooSFFTTSSFFTTFFTT)1(1根据加速比定义，有：)1(：操作加快，总时间降为改进之后由于其中部分，)1(间可写为：改进之前程序运行总时3/172.CPI计算的加权平均值。为所有，它表明）（或者写为）（的关系与一式，可以得到比较上面第一式与最后写另一方面，我们又可以，iniiiniiiniiiniiiniieniiiiieCPICPICPIICICCPICPIICCPIICCYCLECPIICCYCLECPIICTTICICfCYCLECYCLECPIICTCYCLECPIICTCPICPI)()(1其中：11i11113．MIPSniini=1iii=1(I)ICPICPICPIICIC。，主要用于向量计算机条数每次浮点运算所需指令；，主要用于标量计算机MIPSMFLOPSCPIfCYCLECPIICICTICMIPSe6661010104/17CH02一．基本概念1.目前常用的编址单位有：字编址、字节编址、位编址。2并行存储器的编址技术：地址码高位交叉编址、地址码低位交叉编址。3.寻址方式：立即数寻址、寄存器寻址、主存寻址、堆栈寻址。定位方式：把指令和数据中的逻辑地址转换成主存储器的物理地址。5.设计指令系统时，在功能发面的最基本要求是：指令系统的完整性、规整性、高效率和兼容性。6.基本指令：数据传送指令、运算类指令、程序控制类指令、输入输出指令、处理机控制和调试指令。7.CISC：复杂指令系统计算机。RISC：精简指令系统计算机。8.RISC特征：简单而统一格式的指令译码大部分指令可以单周期执行完成只有LOAD和STORE指令可以访问存储器简单的寻址技术采用延迟转移技术采用LOAD延迟技术三地址指令格式较多的寄存器对称的指令格式9.RISC思想的精华：减少CPI。10.RISC的关键技术：延时转移技术、指令取消技术、重叠寄存器窗口技术、指令流调整技术，硬件为主固件为辅。5/17二、计算题：操作码优化表示（Huffman编码及扩展编码方法）：书P91-95CH03一、基本概念1.存储系统：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系统。速度接近速度最快的那个存储器，容量与容量最大的那个存储器相等或相近，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。2.两种存储系统：一种是由Cache和主存储器构成的Cache存储系统，为了提高存储器的速度。一种是由主存储器和磁盘存储器构成的虚拟存储系统，为了增加存储器的存储容量。3.三条途径解决频带平衡问题：（1）多个存储器并行工作（2）设置各种缓冲存储器（3）采用存储系统4.高位交叉访问存储器：扩大存储器容量。5.低位交叉访问存储器：提高存储器访问速度。6.三种地址空间：虚拟地址空间、主存储器地址空间、辅存地址空间。地址映像：把虚拟地址空间映像到主存地址空间。地址变换：在程序运行时，把虚地址变换成主存实地址。三种虚拟存储器：段式虚拟存储器、页式虚拟存储器、段页式虚拟存储器。6/17CH04一、基本概念1.输入输出系统的特点：集中反映在异步性、实时性、和与设备无关性。针对实时性，采用层次结构的方法，针对与设备无关性，采用分类处理的方法。针对异步性，采用自治控制的方法。2.3种基本的输入输出方式：程序控制输入输出方式、中断输入输出方式、直接存储器访问方式程序控制输入输出方式、中断输入输出方式、DMA方式。中断输入输出方式的特点是：（1）CPU能与外围设备并行工作（2）能够处理例外事件（3）灵活性好（4）一般用于连接低速外围设备使用DMA方式实际有如下三种：（1）周期窃取方式（2）直接存取方式（3）数据块传送方式3.中断的定义：当出现来自系统外部，机器内部，甚至处理机本身的任何例外的，或者虽然是事先安排的，但出现在现行程序的什么地方是事先不知道的事件时，CPU暂停执行现行程序，转去处理这些事件，等处理完成后再返回来继续执行原先的程序。4.引起中断的各种事件称为中断源。5.中断系统中软件与硬件的功能分配主要考虑如下两个因素：（1）中断响应时间（2）灵活性6.影响中断响应时间的因素有四个：7/17（1）最长指令执行时间（2）处理其他更紧急的任务所用时间（3）从第一次关中断到第一次开中断所经历的时间（4）通过软件找到相关中断源的中断服务程序入口所经历的时间7.中断源的识别方法：（1）识别中断源的查询法（2）软件排队链法、硬件排队链法（3）中断向量法[(2)&(3)属串行排队链法]（4）独立请求法8.中断屏蔽的两种方法：方法一：每级中断源设置一个中断屏蔽位。方法二：改变处理机优先级9.设置中断屏蔽的三个用处：（1）在中断优先级由硬件确定了的情况下，改变中断源的中断服务顺序（2）决定设备是否采用中断方式工作（3）在多处理机系统中，把外围设备的服务工作分配到不同的处理机中10.通道种类：（1）字节多路通道（2）选择通道（3）数组多路通道通道的种类及其工作方式字节多路通道为多台低中速的外围设备服务，有多个子通道，每个子通道连接一个控制器选择通道为高速外围设备服务，只有一个以成组方式工作的子通道数组多路通道字节多路通道和选择通道的结合。每次为一台高速设备传送一个数据，并轮流为多台外围设备服务。从磁盘存储器读出文件的的过程分为三步：定位、找扇区、读出数据。数组多路通道的实际工作方式是：在为一台高速设备传送数据的同时，有多台高速设备可以在定位或者在找扇区。与选择通道相比，数组多路通道的数据传输率和通道的硬件利用都很高，控制硬件的复杂度也高。8/1711.保证字节多通路通道能不丢失数据的方法：（1）增加通道的最大流量（2）动态改变设备的优先级（3）增加一定数量的数据缓冲器12.输入输出处理机：能够独立承担输入输出工作的专用处理机。13.输入输出处理机除了能够完成通道处理机的全部功能之外，还具有如下功能：（1）码制转换。（2）数据校验和校正。（3）故障处理。（4）文件管理。（5）诊断和显示系统状态。（6）处理人机对话。（7）连接网络或远程终端。12.输入输出机的种类：（1）根据是否共享主存储器分为：共享主存储器的输入输出机和不共享主存储器的输入输出机（2）根据运算部件和指令控制部件是否共享分为：合用一个运算部件和指令控制部件、独立运算部件和指令控制部件二、计算题：1.字节多路通道实际工作流量（p244）2.通道最大流量工作流量设计CH05一、基本概念9/171.标量处理机：只有标量数据表示和标量指令系统的处理机称为标量处理机。2.设计处理机的基本任务是：缩短解释指令的时间，即提高处理机指令执行的速度。3.提高指令执行的途径有如下三种：（1）提高处理机的工作主频（2）采用更好的算法和设计更好的功能部件（3）多条指令并行，称为指令级并行技术4.先行控制技术的关键是缓冲技术和预处理技术。5.采用二次重叠执行方式必须解决的两个问题：（1）有独立的去指令部件、指令分析部件、指令执行部件解决方法：把一个集中的指令控制器分解为存储控制器、指令控制器、运算控制器。（2）解决访问主存储器的冲突问题解决方法：采用先行控制技术。6.处理机结构：（1）三个独立的控制器：存储控制器、指令控制器、运算控制器。（2）四个缓冲栈：（统称为先行控制器）先行指令缓冲栈：用于平滑主存储器与指令分析器先行读数缓冲栈：用于平滑运算器与主存储器先行操作缓冲栈：使指令分析器和运算器能够各自独立工作后行写数栈：只要把写到主存的数据送到后行写数栈的数据寄存器中即可7.相关：指一段程序的相近指令之间有某种关系，这种关系可能影响指令的重叠执行。通常分为两类：数据相关（局部相关）、控制相关（全局相关）。8.解决数据相关的方法有两种：推后分析法、设置专用路径。9.数据相关有四种及解决方法：10/17指令相关：不允许修改指令。主存操作数相关：推后处理法。通用寄存器相关：方法一：把读操作数、写运算结果与指令执行合在一个节拍。。方法二：建立相关专用通路。变址相关：由硬件自动插入空操作，直到LOAD操作完成。10.控制相关包括：无条件转移、一般条件转移、复合条件转移、中断等。11.对条件转移指令采用多种技术：延迟转移技术、指令取消技术。在先行控制方式的处理机中经常采用如下几种技术：（1）软件“猜测”法（2）硬件“猜测”法（3）两个先行指令缓冲栈12.减少条件转移对流水线的影响的方法：（1）延迟转移技术和指令取消技术（2）静态转移预测技术（3）动态转移预测技术13.从两个方面来开发处理机内部的并行性：空间并行性、时间并行性。空间并行性：即在一个处理机内部设置多个独立的操作部件，并让这些操作部件并行工作，这种处理机称为多操作部件处理机和超标量处理机。时间并行性：就是采用超流水线技术。14.流水线工作原理：把一个重复的过程分解称为若干个子过程，每个子过程可以与其他子过程同时进行。15.时空图：横坐标表示时间，纵坐标表示空间。流水线的一个子过程通常称为“功能段”。16.流水线的特点：（1）在流水线中处理的必须是连续任务，只有连续不断地提供任务才能充11/17分发挥流水线的效率。（2）把一个任务分解为几个有联系的子任务，每个子任务由一个专门的功能部件实现（3）在流水线的每一个功能部件的后面有一个缓冲寄存器，或称为锁存器、闸门寄存器等，用于保存本段的执行结果（4）流水线中隔断的时间应尽量相等（5）流水线需要有“装入时间”、“排空时间”17.按照功能段之间是否有反馈信号，流水线可分为：线性流水线和非线性流水线。18.按照流水线使用的不同级别，可分为功能部件级、处理机级、处理机间级等类型。18.流水线处理机：指令执行部件中采用了流水线的处理机。19.多操作部件处理机或标量处理机：指令执行部件中设置有多个操作部件的处理机。20.单功能流水线：一条流水线只能完成一种固定的功能。多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连接，在不同时间内或在统一时间内，通过不同的连接方式实现不同的功能。21.静态流水线：在同一段时间内，多功能流水线中的各个功能段只能按照一种固定的方连接，实现一种固定的功能。动态流水线：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。22.在同一个基本快内部的相关称为局部相关；由条件转移或程序中断引起的相关称为全局相关。23.处理因为程序性错误和机器故障灯产生的中断的两种方法：不精确