02325计算机系统结构

02325计算机系统结构第1章计算机系统结构的基本概念1.1计算机系统的多级层次结构1.2计算机系统结构、组成与实现1.2.1结构、组成、实现的定义与内涵1.2.2计算机系统结构、组成和实现三者的相互影响1.3软硬件取舍与计算机系统设计思路1.3.1软硬件取舍的基本原则1.3.2计算机系统的设计思路1.4结构设计要解决好软件的可移植性1.4.1统一高级语言1.4.2采用系列机1.4.3模拟与仿真1.5应用与器件的发展对系统结构的影响1.5.1应用的发展对系统结构的影响1.5.2器件的发展对系统结构的影响1.6系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类1.6.1并行性概念1.6.2并行处理系统的结构与多机系统的耦合度1.6.3计算机系统的分类第2章数据表示与指令系统2.1数据表示2.1.1数据表示与数据结构2.1.2高级数据表示2.1.3引入数据表示的原则2.1.4浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择2.2寻址方式2.2.1寻址方式分析2.2.2逻辑地址与主存物理地址2.3指令格式的优化设计2.3.1操作码的优化2.3.2指令字格式的优化2.4按CISC方向发展与改进指令系统2.4.1面向目标程序优化实现改进2.4.2面向高级语言优化实现改进2.4.3面向操作系统优化实现改进2.5按RISC方向发展与改进指令系统2.5.1RISC的提出2.5.2设计RISC的原则2.5.3设计RISC结构用的基本技术2.5.4RISC技术的发展第3章总线、中断与输入输出系统3.1输入输出系统的基本概念3.2总线设计3.2.1总线的类型3.2.2总线的控制方式3.2.3总线的通讯技术3.2.4数据宽度与总线线数3.3中断系统3.3.1中断的分类和分级3.3.2中断系统的软硬件功能分配3.4通道处理机3.4.1工作原理3.4.2通道流量的分析第4章存储体系4.1存储体系概念与并行主存系统4.1.1发展存储体系的必要性4.1.2并行主存系统频宽的分析4.1.3存储体系的形成与分支4.1.4存储体系的性能参数4.2虚拟存储器4.2.1不同的虚拟存储管理方式4.2.2页式虚拟存储器的构成4.2.3页式虚拟存储器实现中的问题4.3高速缓冲(Cache)存储器4.3.1基本结构4.3.2地址的映象与变换4.3.3替换算法的实现4.3.4Cache存储器的透明性及性能分析第5章重叠、流水和向量处理机5.1重叠方式5.1.1基本思想和一次重叠5.1.2相关处理5.2流水方式5.2.1基本概念5.2.2流水线处理机的主要性能5.2.3流水机器的相关处理和控制机构5.3向量的流水处理与向量流水处理机5.3.1向量的流水处理5.3.2向量流水处理机5.4指令级高度并行的超级处理机5.4.1超标量处理机5.4.2超长指令字(VLIW)处理机5.4.3超流水线处理机第6章阵列处理机6.1阵列处理机原理6.1.1阵列处理机的基本构形6.1.2阵列处理机的特点6.2阵列处理机的并行算法6.2.1ILLIACⅣ的处理单元阵列结构6.2.2阵列处理机的并行算法举例6.3SIMD计算机的互连网络6.3.1互连网络的设计目标及互连函数6.3.2基本的单级互连网络6.3.3多级互连网络6.4并行存储器的无冲突访问6.5并行处理机举例6.5.1MPP位平面阵列处理机6.5.2CM连接机第7章多处理机7.1多处理机的特点及主要技术问题7.2多处理机的硬件结构7.2.1紧耦合和松耦合7.2.2机间互连形式7.3程序并行性7.3.1并行算法7.3.2程序并行性的分析7.3.3并行程序设计语言7.4多处理机的性能7.4.1任务粒度与系统性能7.4.2性能模型与分析7.5多处理机的操作系统7.5.1主从型操作系统7.5.2各自独立型操作系统7.5.3浮动型操作系统第8章其它计算机结构8.1脉动阵列机8.1.1脉动阵列结构的原理和特点8.1.2通用的脉动阵列结构8.2大规模并行处理机MPP与机群系统8.2.1大规模并行处理机MPP8.2.2机群系统8.3数据流机8.3.1数据驱动的概念8.3.2数据流程序图和语言8.3.3数据流计算机的结构8.3.4数据流机器存在的问题8.4归约机8.5智能机8.5.1智能信息处理与智能机8.5.2智能机的结构和机器语言★翻译和解释的区别和联系？区别：翻译是整个程序转换，解释是低级机器的一串语句仿真高级机器的一条语句。联系：都是高级机器程序在低级机器上执行的必须步骤。★为什么将计算机系统看成是多级机器构成的层次结构？可以调整软、硬件比例；可以用真正的实处理机代替虚拟机器；可以在1台宿主机上仿真另一台。★计算机系统结构用软件实现和硬件实现各自的优缺点？硬件优点：速度快，节省存储时间；缺点：成本高，利用率低，降低灵活性、适用性。软件优点：成本低，提高灵活性、适用性；缺点：速度慢，增加存储时间、软件设计费。★就目前通用机来说，计算机系统结构的属性主要包括哪些？数据表示、寻址方式、寄存器组织、指令系统、存储系统组织、中断系统、管态目态定义与转换、IO结构、保护方式和机构。★试述由上往下、由下往上设计思路和存在的问题？由上往下：先考虑应用要求，再逐级往下考虑怎样实现。适用于专业机由下往上：根据已有器件，逐级往上。六七十年代通用机设计思路。以上方法存在的问题是软、硬件脱节。★采用统一高级语言方法、适用场合、存在问题和应采取的策略。定义：是指为所有程序员使用的完全通用的高级语言。适用场合：软件移植方便。存在问题：目前语言的语法、语义结构不同；人们的看法不同；同一语言在不同机器上不通用；程序员的习惯应采取的策略：可一定范围内统一汇编语言，结构相同机器间搞系列机。★由中间开始的设计思路及优点既考虑应用也考虑现有器件，由软硬件分界面向两端设计。优点：并行设计，缩短周期。★模拟和仿真的区别模拟：机器语言解释，在主存中；仿真：微程序解释，在控制存储器中。★采用系列机方法、适用场合、好处、存在问题和应采取的策略定义：根据软硬件界面的系列结构，设计软件和不同档次的系列机器。适用场合：同一系列内软件兼容好处：呼应“中间开始”设计思路；缓解软件要求稳定环境和硬件发展迅速的矛盾。存在问题：软件兼容有时会阻碍系统结构的变革。策略：坚持这一方法，但到一定时候要发展新系列，还可采用模拟仿真。★为什么要进行软件移植？软件的相对成本越来越高，应重新分配软、硬件功能。但：成熟软件不能放弃；已有软件修改困难；重新设计软件经济上不划算。★除了分布处理MPP和机群系统外，并行处理计算机按其基本结构特征可分为哪几种不同结构？例举它们要解决的问题。流水线处理机：多个部件时间上并行执行。拥塞控制，冲突防止，流水线调度。阵列处理机：空间上并行。处理单元灵活，规律的互连模式和互连网络设计，数据在存储器中的分布算法。多处理机：时间和空间上的异步并行。多CPU间互连，进程间的同步和通讯，多CPU间调度。数据流计算机：数据以数据令牌在指令间传递。硬件组织和结构，高效数据流语言。★采用模拟与仿真方法、适用场合、好处、存在问题和应采取的策略。模拟定义：用机器语言解释另一指令系统适用场合：运行时间短，使用次数少，时间上无限制。好处：可在不同系统间移植。存在问题：结构差异大时，运行速度下降，实时性差。策略：与仿真结合仿真定义：用微程序解释令一指令系统适用场合：结构差别不大的系统好处：运行速度快存在问题：结构差别大时，很难仿真。策略：与模拟结合，发展异种机连网。★多计算机系统和多处理机系统的区别都属于多机系统，区别：多处理机是多台处理机组成的单机系统，多计算机是多*立的计算机。多处理机中各处理机逻辑上受统一的OS控制，多计算机的OS逻辑上独立。多处理机间以单一数据、向量、数组、文件交互作用，多计算机经通道或通信线路以数据流形式进行。多处理机作业、任务、指令、数据各级并行，多计算机多个作业并行。★各种耦合度特征最低：无物理连接，如脱机系统。松散：通信线路互连，适于分布处理紧密：总线或数据开关互联，实现数据、任务、作业级并行。★以实例说明计算机系统结构、组成、实现的相互关系与影响。结构相同，可用不同的组成。如系列机中不同型号的机器结构相同，但高档机往往采用重叠流水等技术。组成相同，实现可不同。如主存可用双极型，也可用MOS型等。结构不同组成不同，组成的进步会促进结构的进步，如微程序控制。结构的设计应结合应用和可能采用的组成。组成上面决定于结构，下面受限于实现。组成与实现的权衡取决于性价比等；结构、组成、实现的内容不同时期会不同。★软件移植的途径，各受什么限制？统一高级语言：只能相对统一系列机：只能在结构相同或相近的机器间移植模拟：机器语言差别大时，速度慢仿真：灵活性和效率差，机器差异大时仿真困难。★并行处理数据的四个等级，给出简单解释，各举一例位串字串：无并行性，如位串行计算机。位并字串：一个字的所有位并行，如简单并行的单处理机。位片串字并：多个字的同一位并行，如相连处理机。全并行：同时处理多个字的多个位，如全并行阵列机。★设计乘法指令时，结构、组成、实现各考虑什么？结构：是否设计乘法组成：是否配置高速乘法器实现：考虑器件集成度类型数量及微组装技术。★器件的发展对逻辑设计方法的影响一是由逻辑化简转为采用组成技术规模生产，规模集成，并尽量采用通用器件二是由全硬设计转为微汇编、微高级语言、CAD等软硬结合和自动设计第2章数据表示与指令系统★数据结构和机器的数据表示之间的关系？引入数据表示的基本原则？数据结构要变换成数据表示来实现，不同的数据表示效率和方便性不同。它们是软硬件的交界面。原则：★是否提高效率减少时间，★通用性和利用率。★简述三种面向的寻址方式的关系。面向寄存器：速度快，增加硬件；面向主存：速度稍慢，减少寄存器占用；面向堆栈：速度慢，减轻编译负担。三者各有特点，但可共同使用，不互相排斥。★堆栈型机器与通用寄存器型机器的主要区别？堆栈型机器对程序调用的哪些操作提供支持？通用寄存器型对堆栈数据结构实现的支持较差：★堆栈操作指令少；★速度低；★通常只用于保存返回地址。堆栈型支持有力：★硬件堆栈；★堆栈指令丰富；★支持高级语言编译；★支持子程序嵌套和递归。可将以下信息全部压入栈：返回地址、条件码、关键寄存器内容、必要的全局或局部参数。为子程序开辟局部变量中间结果工作区。★比较寻址方式在指令中的两种指明方式。操作码中的某位。缺点：不灵活。优点：指令总长短。设寻址方式字段。缺点：指令总长长。优点：寻址灵活。★“机构型”和“策略型”的含义？机构型功能指基本的通用的功能；策略型功能指不稳定的可能会改变的功能。★数据描述符和向量数据表示对向量数据结构所提供的支持有什么不同？描述方法比变址方法简便，但不能解决向量数组高速运算问题；向量处理机能快速形成元素地址，能把元素成块预取到CPU，用一条指令同时对整个向量数组高速处理。★按CISC方向改进指令系统的思路具体办法？思路可从面向目标程序、高级语言、操作系统三个方面考虑。面向目标程序可采用的办法：★对高频指令增强功能加快速度，低频指令合并和取消；★复合指令代替子程序或宏。★haffman方法及优缺点？构造方法：构造haffman树、每个节点用01表示、从根开始01编码优点：平均码长最短，冗余少。缺点：种类多，不易译码。★haffman压缩概念的基本思想？概率高的事件用短位数表示，低的用长位数表示。★以浮点数数据表示说明数的可表示精度、运算中的精度损失，尾数基值取小对哪个有利哪个不利？数的可表示精度是数轴上数的离散程度，两个数间差越小，精度越高；运算中的精度损失指运算中尾数超长造成的损失。尾数基值取小则可表示范围变小，个数减少，分布变密，精度提高，速度降低，对前者有利，对后者不利。★OS中哪些适合硬化或固化？哪些不适合？高频使用的机构型功能适合，策略型功能不适合。★什么是程序的动态再定位？程序在主存中的实际位置可以动态移动的定位技术。可以使用基址寄存器或映象表硬件。★缩短地址码长度的方法基址、变址、相对寻址、分段、寄存器寻址、寄存器间接寻址等。★变址和基址各适用于何种场合？设计一种只用6位地址码就