计算机系统结构（02325）
2021-03-10 21:32:41 4 举报AI智能生成
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计算机本科自学 重点知识梳理
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大纲/内容
计算机系统结构
概论
计算机系统的层次结构
计算机系统=固件/硬件+软件
计算机层次结构由高到低依次为（快速记忆：应高汇操传微）
应用语言机器级
高级语言机器级
汇编语言机器级
操作系统机器级
传统机器语言机器级
微程序机器级
虚拟机
以软件为主实现的机器
翻译技术
先用转换程序将高一级的机器级上的程序整个地址变换成低一级机器级上等效的程序
解释技术
在低级机器级上的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能
计算机系统结构、计算机组成和计算机实现
计算机结构软、硬件界面
软件功能（界面之上）：应用语言级、高级语言级、汇编语言级、操作系统级
硬件功能（界面之下）：传统机器语言级、微程序语言级
计算机系统的软硬取舍与定量设计原理
软件的功能
可以用硬件或固件完成
计算机系统软、硬件取舍的基本原则
从实现费用、速度、和其他性能能要求综合考虑，获取高的性能价格比
要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的限制各种组成、实现技术的采用
不能仅从“硬”的角度去考虑，还要从\"软\"的角度去考虑。
Amdahl定律（定量设计原理）
程序的运行时间是计算机性能的唯一可靠的测度
定义系统性能的加速比，确定对性能限制最大的部件，计算改进某些部件所获得的性能提高
加速比=系统性能（改进前）/系统性能（改进后） =总执行时间（改进前）/总执行时间（改进后）=1/(1-可改进比例)+可改进比例/部件加速比
计算机系统的设计按多层次结构的由上、下、中开始设计
由上往下
由下往上
由中间开始
软件、应用、器件的发展对系统结构的影响
实现软件移植的技术
统一高级语言
采用系列机
由同一厂家生产的具有相同的系统结构，具有不同的组成和实现的一系列不同型号的机器
模拟和仿真
软件兼容性
时间维度
向前兼容
向后兼容
机器档次
向上兼容
向下兼容
模拟
用软件的方法在一台现有的机器（或称宿主机）实现一台机器（或称虚拟机）的指令集）
仿真
用一台现有机器（宿主机）上的微程序去解释实现另一台机器（目标机）的指令集
仿真只能在系统结构差距不大的机器之间使用
仿真和模拟的区别
仿真用的是微程序解释，其解释程序存储于控制存储器中
模拟是用机器语言程序解释，其解释程序存储于主存中
系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类
并行性
计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。只要在时间上重叠就会存在并行性
执行程序的角度分类
指令内部并行
单条指令中各微操作之间的并行。
指令之间并行
并行执行两条或两条以上的指令
任务或进程之间
多个任务或程序段的并行执行
作业或程序之间
多个作业或多道程序的并行执行
处理数据的角度分类
位串字串
同时对一个字的一位进行处理，通常指传统的串行单处理机，没有并行性
位并字串
同时对一个字的全部位进行处理，通常指传统的并行单处理机，开始出现并行性。
位片串字并
同时对许多字的同一位（称位片）进行处理，开始进入并行处理领域。
全并行
同时对许多字的全部位或部分位进行处理
提高并行性的技术途径
时间重叠
引入时间因素，让多个处理过程在时间相互错开，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。流水线
资源重复
映入空间因素，以数量取胜。通过重复设置硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能。多核，多cpu，集群
资源共享
这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。分时调度
计算机系统的分类
Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类
单指令流单数据流（SISD）
单指令流多数据(SIMD)
多指令流单数据流（MISD）
多指令流多数据流（MIMD）
数据表示、寻址方式与指令系统
数据表示
基本概念
计算机硬件能够直接识别、指令集可以直接使用的数据类型
数据结构
由软件进行处理和实现的各种数据类型
引入数据表示的原则
是否提高了系统的效率
通用性和利用率是否提高
操作数位数和字节数
字节（8位）
半字（16位）
字（32位）
双字（64位）
字符
用ASCII码表示，位一个字节大小
整数
用二进制补码表示，大小可以是字节，半字，单字
浮点操作数
单精度浮点数（单字），双精度浮点数（双字）
十进制数据
高级数据表示
自定义数据表示
包括标识符数据表示和数据描述符两类
标志符数据表示（数据类型+数据具体值）
主要优点
简化了指令系统和程序设计
简化了编译程序
便于实现一致性校验
能由硬件自动变换数据类型
支持数据库系统的实现与数据类型无关的要求
为软件调试和应用软件开发提供了支持
缺点
每个字段因增设标志符，会使程序所占用的主存空间增加
采用标志符会降低指令的执行速度
数据描述符
向量、数组数据表示
为向量、数组数据结构的实现和快速运算提供更好的硬件支持。
堆栈数据表示
在编译和子程序调用中很有用
浮点数尾数基值大小和下溢处理
浮点数尾数基值的选择
可表示的范围
可表示数的个数
数在数轴上的分布
可表示数的精度
运算中的精度损失
运算速度
浮点数尾数的下溢处理方法
截断法
舍入法
横置“1”法
查表舍入法
寻址方式
概念
是指一种指令集结构如何确定所要访问的数据的地址
分类
面向主存
主要访问主存，少量访问寄存器
面向寄存器
主要访问寄存器，少量访问主存和堆栈
面向堆栈
主要访问堆栈，少量访问堆栈和主存
程序在主存的定位方式
静态在定位
动态在定位
虚拟地址映像表
指令系统的设计和优化
指令系统设计基本原则
根据应用，初拟出指令的分类和具体的指令
试编出用该指令系统设计的各高级语言的编译系统
对各种算法编写大量的测试程序模拟测试，看指令系统的操作码和寻址方式效能是否都比较高
将程序高频出现的指令串复合成单条指令，即用硬件实现；将程序低频出现的指令操作改用基本指令组成的指令串实现，即软件实现。
变长操作码优化
哈夫曼压缩算法
将所有的指令的使用频度按从小到大排序，每次选择其中最小的两个合并成一个频度，作为它们二者之后的新节点，在放入余下未参与结合的频度值中，如此反复执行，直到全部频度结合完毕形成根节点。之后，对每个节点乡下延伸，分出两个分支，分别用0和1表示（左1右0），这样从根节点开始，沿线到达的各频度值就形成了该指令频度的哈夫曼编码树。
计算相关
指令系统的发展和改进
CISC(复杂指令集计算机)
指令系统庞大，200条以上
许多指令操作繁杂，还不如几条简单的指令速度快
编译程序难以生产高效机器语言
许多指令使用频度很低
RISC(精简指令集计算机)
设计基本原则
确定指令时，只选择频度很高的那些指令，在此基础上增加少量能有效支持操作系统的高级语言及其功能最有用的指令，让指令数大大减少，一般不超过100条
大大减少指令系统可采用的寻址方式种类，一般不超过两种
让所有的指令都在一个机器周期内完成
扩大通用寄存器的个数，一般不少于32个寄存器
为提供指令执行速度，大多数指令都采用硬联控制实现，少数指令采用微程序实现
通过精简指令和优化设计编译程序，以简单有效方式来支持高级语言的实现
采用RISC好处
简化指令系统设计
提高计算机的执行速度和效率
降低设计成本，提高系统的可靠性
可直接支持高级语言的实现，简化编译程序设计
由于指令单一，使原在CISC上由单一指令完成的功能现在需要用多条RISC指令才能完成，这实际上加大了汇编语言程序的负担，增加可机器语言程序的长度，占用了较大的存贮空间，加大了指令的信息量
对浮点运算和虚拟存贮器的支持虽然有很大加强，但仍不够理想
相对来说，RISC机器上的编译程序要比CISC难写
存储、中断、总线与I/O系统
存储系统的基本要求和并行主存系统
存储器的三个指标
容量
速度
价格
并行主存系统
能并行读出多个CPU字的单体多字和多体单字、多体多字的交叉访问主存系统
中断系统
中断
CPU中止正在执行的程序、转去处理随机提出的请求，待处理完毕后，再回到原先被打断的程序继续恢复执行的过程
中断分类
内部中断
由CPU内的异常引起
外部中断（可分为屏蔽中断和非屏蔽中断）
由中断信号引起
软件中断
由自陷指令引起，用于供操作系统服务
中断源
引起中断的各种事件
中断请求
中断源向中断系统发出请求中断的申请
中断嵌套
高优先级的中断抢先处理完后继续处理被抢占的低优先级中断
中断替代
轮训机制
随时访问某个程序运行期间是否发生请求
总线系统
总线概念
总线是一组信号线的集合，它定义了各引线的信号、电气和机械特性，使计算机系统的各部件之间以及外部的各系统之间建立信号联系，进行数据传递和通信
总线特征
同一时刻只能有一个信号源
总线划分
按位置划分
芯片级（CPU芯片内的总线）
板级（连接插件板内的各个组件，也称局部总线或内部总线）
系统级（系统间或主机与I/O接口或设备之间的总线）
信息传递方向划分
单向传输
双向传输
用法划分
专用
非专用
传送方式
同步
异步
I/O系统
用来向计算机输入输出信息的设备，I/O系统是操作系统的一个重要组成部分，管理系统中所有的外部设备（除了CPU和内存外所有的设备成为外部设备）
通道
按信息传送方式不同划分
字节多路
数组多路
选择
通道流量
通道在数据传输期内，单位时间内传送的字节数
通道极限流量
通道流量达到的最大流量
通道流量计算
存储体系
存储数据的载体
寄存器(最快)
Cache
DRAM
ROM
FLASH MEMORY(SD卡)
SSD（硬盘）
磁盘
光盘
磁带
软盘
云盘
存储层次
构成存储系统的几种不同的存储器（M1-Mn）之间
虚拟存储器
主要是因为主存满足不了要求而提出来的，在主存和辅存之间，增设辅助软、硬件设备，让它们构成一个整体
存储管理方式
根据存储映像算法不同分
段式
页式
段页式
子主题
页面替换算法
随机算法
先进先出算法
近期最少使用算法（LRU）
高速缓冲存储器
映象规则
直接相联
组相联
全相联
三级存储体系
三种形式
物理地址Cache
虚地址Cache
全Cache
标量处理机
向量处理机
多处理机
数据流计算机和归纳机
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