计算机系统结构 复习整理

1.名词解释 

a)兼容性、

原因：软件相对于硬件的成本越来越贵，已积累了大量成熟的系统软件和应用软件。

1. 兼容种类

  (1)向后兼容：在某一时间生产的机器上运行的目标

 软件能够直接运行于更晚生产的机器上。

  (2)向前兼容：

  (3)向上兼容：在低档机器上运行的目标软件能够直

 接运行于高档机器上。

  (4)向下兼容： 向后兼容必须做到，向上兼容尽量做到,向前兼容和向下兼容，可以不考虑

方法：系列机方法，仿真与模拟，统一高级语言，目标代码的并行编译技术。

b)系列机： 具有相同的系统结构，但组成和实现技术不同的一系列计算机系统 

c)可移植性、软件可移植性指与软件从某一环境转移到另一环境下的难易程度。

d)模拟与仿真  Simulation  Emulation

定义：在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。全部用软件实现的叫模拟，用软件、硬件、固件混合实现的叫仿真

模拟的实现方法 

 在A计算机上通过解释或编译实现B计算机的指令系统。A机器称为宿主机，B机器称为虚拟机。

仿真的实现方法 

 直接用A机器的一段微程序解释执行B机器的指令。A机器称为宿主机，B机称为目标机。

e)并行性 并行性是指计算机系统具有可以同时进行运算或操作的特性，在同一时间完成两种或两种以上工作。它包括同时性与并发性两种含义。 

　　同时性指两个或两个以上事件在同一时刻发生。 

　　并发性指两个或两个以上事件在同一时间间隔发生。

2.计算机系统的多级层次结构

•计算机系统可分为7个层次  

•第3级至第6级由软件实现,称为虚拟机 

•从学科领域来划分：

  第0级和第1级属于计算机组成原理

  第2级属于计算机系统结构

  第3至第5级属于系统软件 

  第6级属于应用软件 

•它们之间有交叉

  例如：第3级必须依赖第4级和第5级来实现

3.系统结构、组成和实现的关系

计算机系统结构定义二

 研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定

计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功能上是同等的。

同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。

不同的组成只是性能和价格不同, 他们的系统结构是相同的。

系列计算机概念：相同系统结构,不同组成和实现的一系列计算机系统。 

4.计算机系统的设计原则、思路

自上而下，自下而上，中间开始

5.计算机系统的分类（Flynn） 

  四种类型

 单指令流单数据流 SISD(Single Instruction Single Datastream)

 单指令流多数据流 SIMD(Single Instruction Multiple Datastream)

 多指令流单数据流 MISD(Multiple Instruction Single Datastream)

 多指令流多数据流 MIMS(Multiple Instruction Multiple Datastream)

第二章  指 令 系 统

1.名词解释

数据表示  数据表示是指计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的那些数据类型。

R精简指令系统，只保留功能简单的指令,功能较复杂的指令用软件实现，提高流水线效率

C复杂指令系统

2.数据表示的含义及与数据结构的关系

数据表示是指计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的那些数据类型。

数据结构是计算机存储、组织数据的方式。数据结构是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。

3.定义数据表示，标识符、描述符，两者的区别

数据描述符与标志符的区别：标志符只作用于一个数据，而数据描述符要作用于一组数据。 

4.引入数据表示的原则  确定哪些数据类型用数据表示实现，是软件与硬件的取舍问题

确定数据表示的原则

  一是缩短程序的运行时间

  二是减少CPU与主存储器之间的通信量

  三是这种数据表示的通用性和利用率

5.Huffmann编码与扩展编码  -- 掌握编码方法

6.RISC的设计原则、基本技术及存在的问题

  硬件方面：

  采用硬布线控制逻辑

  减少指令和寻址方式的种类

  使用固定的指令格式

  采用LOAD/STORE结构

  指令执行过程中设置多级流水线等

 软件方面：

  十分强调优化编译技术的作用。 

  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，以硬件为主固件为辅技术

RISC对编译器带来的方便主要有： 

  (1)指令系统比较简单、对称、均匀，指令选择工作简单。

  (2)选择寻址方式的工作简单，

  (3)因为采用LOAD/STORE方式，省去了是否生成访问存储器指令的选择工作。

  (4)由于大多数指令在一个周期内执行完成，为编译器调整指令序列提供了极大的方便。

第三章    存储系统

1.存储系统与存储体系

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。这个存储系统对应用程序员是透明的，并且，从应用程序员看，它是一个存储器，这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。

2.存储体系的性能参数--- 计算方法PPT

存储器的主要性能：速度、容量、价格 

  速度用存储器的访问周期、读出时间、频带宽度等表示。

  容量用字节B、千字节KB、兆字节MB和千兆字节GB等单位表示。

  价格用单位容量的价格表示

3.虚拟存储器的管理方式--- 转换方法

三种虚拟存储器：  页式虚拟存储器

 段式虚拟存储器

 段页式虚拟存储器 

4.页表法、目录表法地址映像与变换的含义与区别

页表法：

地址变换过程

·根据虚地址中的用户标志在页表基址寄存器找到程序页表的始点； 

·根据程序页表的始表和虚地址中的用户虚页号找到页表的对应行； 

·把页表对应行的实页号和虚地址的页内位移装入到主存地址寄存器 

·根据主存寄存器的值访问主存。 

主要优点：

 (1)主存储器的利用率比较高

   (2)页表相对比较简单

   (3)地址变换的速度比较快

   (4)对磁盘的管理比较容易

 主要缺点：

 (1)程序的模块化性能不好

   (2)页表很长，需要占用很大的存储空间

目录表：

含义：基本思想：用一个小容量高速存储器存放页表

地址变换过程：

   把多用户虚地址中U与P拼接，相联访问目录表。读出主存实页号p，把p与多用户虚地址中的D拼接得到主存实地址。如果相联访问失败，发出页面失效请求。

主要优点：

   与页表放在主存中相比，查表速度快。

主要缺点：

   可扩展性比较差,

   主存储器容量大时，目录表造价高，速度低

5.Cache的工作原理

第四章    输入输出系统

1.了解三种基本输入输出方式的原理及特点

三种基本的输入输出方式为：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；

（1）程序控制输入输出方式：状态驱动输入输出方式、应答输入输出方式、查询输入输出方式、条件驱动输入输出方式

程序控制输入输出方式的4个特点：何时对何设备进行输入输出操作受CPU控制；CPU要通过指令对设备进行测试才能知道设备的工作状态。空闲、准备就绪、忙碌等；数据的输入和输出都要经过CPU；用于连接低速外围设备，如终端、打印机等

（2）中断输入输出方式：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。特点：CPU与外围设备能够并行工作；能够处理例外事件；数据的输入和输出都要经过CPU；用于连接低速外围设备。

（3）DMA：直接存储器访问方式(DMA：Direct Memory Access)，主要用来连接高速外围设备。如磁盘存储器，磁带存储器、光盘辅助存储器，行式打印机等。特点：外围设备的访问请求直接发往主存储器，数据的传送过程不需要CPU的干预；全部用硬件实现，不需要做保存现场和恢复现场等工作；DMA控制器复杂，需要设置数据寄存器、设备状态控制寄存器、主存地址寄存器、设备地址寄存器和数据交换个数计数器及控制逻辑等；在DMA方式开始和结束时，需要处理机进行管理。

2.中断系统中的软硬件功能分配

有些必须用软件，有些必须用硬件，有些则都可以。

（1）现行指令结束，且没有更紧急的服务请求；（2）关CPU中断；（3）保存断点，主要保存PC中的内容；（4）撤消中断源的中断请求；（5）保存硬件现场，主要是PSW及SP等；（6）识别中断源；（7）改变设备的屏蔽状态（8）进入中断服务程序入口；（9）保存软件现场，在中断服务程序中使用的通用寄存器等；（10）开CPU中断，可以响应更高级别的中断请求；（11）中断服务，执行中断服务程序；（12）关CPU中断

恢复软件现场；（13）恢复屏蔽状态；（14）恢复硬件现场；（15）开CPU中断；（16）返回到中断点

（1）、（2）、（3）和（8）一般用硬件来实现，（10）、（11）、（12）和（16）一般采用软件实现。而必须使用硬件来实现的是：保存中断点和进入中断服务程序入口；必须采用软件方式实现的是：中断服务和返回到中断点。

3.中断优先级和中断屏蔽的原理及方法

中断优先级：当系统中有多个设备提出中断请求时,就有一个响应谁的问题,也就是优先级的问题。解决优先级的问题一般可有 3 种方法:识别中断源的查询法（所有中断源共用一条中断请求线）、软件排队链法、硬件排队链法、中断向量法、请求法。其中软件排队链法、硬件排队链法、中断向量法属于串行排队链法。

中断屏蔽主要是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；决定设备是否采用中断方式工作；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。实现方法为：每级中断源设置一个中断屏蔽位或者改变处理机优先级。

4.通道中的数据传送过程与流量分析

    三种通道：

（1）字节多路通道。低中速外围设备，每个子通道连接一个控制器。TBYTE＝（TS＋TD）·P·n，

（2）选择通道。高速外围设备，成组方式子通道。TSELETE＝（TS／n ＋ TD）·P·n

（3）数组多路通道。上面两种方式的结合，每次为一台高速设备传送一个数据块，并轮流为多台外围设备服务。TBLOCK＝（TS／k ＋ TD）·P·n

通道流量：单位时间内能够传送的最大数据量。又称通道吞吐率，通道数据传输率等

最大通道流量：

5.输入输出处理机的作用及种类

作用：(1)通道处理机的全部功能. (接受CPU发来的指令，选择一台指定的外围设备与通道相连接;执行CPU为通道组织的通道程序;管理外围设备的有关地址;管理主存缓冲区的地址;控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数;指定传送工作结束时要进行的操作;检查外围设备的工作状态，是正常或故障;在数据传输过程中完成必要的格式变换); (2) 码制转换; (3) 数据校验和校正; (4) 故障处理; (5) 文件管理; (6) 诊断和显示系统状态; (7) 处理人机对话; (8) 连接网络或远程终端。

    种类：根据是否共享主存储器分为：(1)共享主存储器的输入输出处理机。CDC公司的CYBER，Texas公司的ASC。(2)不共享主存储器的输入输出处理机。STAT-100巨型机

根据运算部件和指令控制部件是否共享分为：(1) 合用同一个运算部件和指令控制部件。造价低，控制复杂。如CDC-CYBER和ASC。(2) 运算部件和指令控制部件。运算部件和指令控制部件已经成为主流。如B-6700大型机和STAT-100巨型机。

第五章标量处理机

1、流水线方式

流水线的时间并行性（分时使用同一个部件的不同部分）和空间并行性（设置多个的操作部件）。每一个流水线的阶段可以称之为流水段或者流水步等等，在每一个流水段的末尾或开头必须设置一个寄存器（流水寄存器），它会增加指令的执行时间。

流水线特点：（1）只有连续提供同类任务才能发挥流水线效率；（2）每个流水线段都要设置一个流水寄存器；（3）各流水段的时间应尽量相等；（4）流水线需要有“装入时间”和“排空时间”。

分类可以变为：线性流水线，非线性流水线；

流水线级别区分：处理机级流水线，又称为指令流水线，部件级流水线(操作流水线)，宏流水线(Macro Pipelining)。

单功能流水线与多功能流水线

静态流水线与动态流水线

按照数据表示方式：标量流水线和向量流水线

按照控制方式：同步流水线和异步流水线

顺序流水线与乱序流水线。

流水线的主要性能指标为：吞吐率、加速比和效率

2、相关问题：转移、数据、控制、指令

数据相关：在执行本条指令的过程中，如果用到的指令、操作数、变址量等是前面指令的执行结果，这种相关称为数据相关。解决数据相关的方法有两种：推后处理；设置专用路径。

1）指令相关：当第n条指令还没有把执行结果写到主存之前，取出的第n+1条指令显然是错误的。解决方案: 在程序执行过程中不允许修改指令

主存操作数相关。解决方案: 运算结果写到通用寄存器，而不写到主存。对于访问主存储器的请求，写结果的优先级高于读操作数。

通用寄存器数据相关。解决方法：把读操作数、写运算结果与指令执行合在一个节拍。或者建立相关专用通路(ByPass)

LOAD相关。解决方法：由编译器在LOAD之后插入不发生数据相关的指令，不能根本解决问题。或者由硬件自动插入空操作，直到LOAD操作完成。

2）控制相关：由条件分支指令、转子程序指令、中断等引起的相关。

无条件转移。先行指令缓冲栈的入口处，专门处理无条件转移指令的指令分析器

一般条件转移。无论转移不成功或不成功，指令分析器要停顿一段时间，等待条件码产生。通过软件与硬件的多种手段来近可能地降低转移成功的概率，减少转移成功造成的影响。

复合条件转移。必须采取策略，减小转移成功造成的影响。

3、时空图分析

4、单功能非线性流水线调度

非线性流水线调度的任务是要找出一个最小的循环周期，按照这周期向流水线输入新任务，流水线的各个功能段都不会发生冲突，而且流水线的吞吐率和效率最高。

主要冲突为：启动距离：连续输入两个任务之间的时间间隔；流水线冲突：几个任务争用同一个流水段。解决方案：无冲突调度方法（E.S.Davidson）。

5、指令级高度并行的超级处理机

⏹超标量、超流水线、VLIW

超标量处理机、超流水线处理机和超标量超流水线处理机的主要性能：

超标量的典型结构：多条并行工作的指令流水线，多个的操作部件，指令级并行度（ILP）大于1。可分为单发射与多发射。

超流水线处理机的两种定义：在一个周期内分时发射多条指令的处理机；指令流水线的段数大于等于8的流水线处理机

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

VLIW：一个时钟周期发射m次，每次发射n条指令，顺序发射乱序完成，指令Cache中有一个转移历史表，实现条件转移的动态预测。