计算机系统结构
2025-04-15 09:53:41 1 举报AI智能生成
计算机系统结构
作者其他创作
大纲/内容
第一章-概论
计算机系统的层次结构
第5级
应用语言机器
第4级
高级语言机器
第3级
汇编语言机器
第2级
操作系统语言机器
第1级
传统机器语言机器<br>
第0级
微程序语言机器
体系结构
系统结构是对计算机系统的各级界面的划分，定义其上下功能的分配<br>
计算机组成
体系结构的逻辑实现。数据流，控制流的设计
设计要确认的方面<br>
数据通路宽度<br>
专用部件的设置<br>
各个操作对部件的共享程度
功能部件的并发度<br>
控制机构组成方式<br>
缓存和排队技术
预估预判技术
可靠性技术
计算机的实现
计算机组成的物理实现
设计
器件技术
主导
微组装技术
软、硬件取舍原则
原则一：买什么<br>
现有的硬、器件条件下，系统要有性价比<br>
原则二：怎样组装<br>
合理组装
原则三：软件层次支持<br>
为编译、操作系统实现、高级语言设计，硬件支持<br>
定量设计原理
哈夫曼压缩原理
尽可能的加速处理高概率事件<br>
Amdahl定律<br>
程序访问的局部性定律
空间局部性
空间局部性
计算系统的设计方法
从上往下
从下往上
从中间开始
通用机一般使用的方法
软件移植技术
统一高级语言
采用系列机<br>
保证向后兼容，力争向前兼容
仿真和模拟
计算机应用向上升级
数据处理<br>
信息处理
知识处理
智能处理
并行性<br>
包括同时性和并发性
并行性等级
执行程序的角度<br>
指令内部
指令之间
任务和进程之间<br>
作业和程序之间
数据处理角度
位串字串
位并字串
位片串字并
全并行
信息加工的阶段
存储器操作并行<br>
处理器步骤并行
典型的是流水处理机
处理器操作并行<br>
典型是阵列处理机<br>
指令、任务、作业并行
典型是多处理机
技术途径
时间重叠
资源重复
资源共享
计算机系统分类<br>
单指令单数据流<br>
单指令多数据流
多指令多数据流
多指令单数据流
第二章-数据表示、寻址方式与指令系统<br>
数据表示
计算机硬件能够识别和引用的数据类型，表现在对这种数据类型进行操作的指令和运算部件<br>
高级数据表示
自定义数据表示<br>
标志符数据表示<br>
优点
缺点
增加主存占用空间
降低了执行效率
描述符数据表示
前3为000表示数据
前3位101表示数据描述
向量、数组数据表示<br>
堆栈数据表示
由高速寄存器组成的硬件堆栈<br>
丰富的堆栈操作指令，功能强大
支持高级语言编译
支持子程序的嵌套和递归调用
引入数据表示的原则
原则1：看系统效率是否提高，包括实现时间和储存空间是否减少<br>
原则2：通用性和利用率是否提高<br>
浮点数表示方法
浮点数下溢方法
截断法
平均误差最大
舍入法
恒置1法<br>
最大误差最大
查表舍入法
寻址方式
三种面向
面向主存<br>
面向寄存器
面向堆栈<br>
程序在主存中的定位技术
静态再定位
逻辑地址变成物理地址<br>
动态再定位<br>
逻辑地址 和 基址寄存器 通过 地址加法器 得到物理地址 <br>
虚实地址映像表
指令系统的设计和优化
指令分类<br>
特权性<br>
程序员和系统程序员使用
非特权性<br>
系统程序员使用<br>
指令系统设计的基本原则<br>
规整性
对称性<br>
独立性和全能性<br>
正交性
可组装性
可扩展性
指令系统的发展和改进<br>
两种途径和方法
复杂指令系统计算机CISC<br>
改进
面向目标程序优化实现改进<br>
面向高级语言优化实现改进
面向操作系统优化实现改进
指令系统庞大，存在的问题
功能复杂
操作复杂，执行速度低<br>
使高级语言编译程序选择目标指令的范围太大<br>
相当一部分指令利用率低
精简指令系统RISC<br>
第三章-存储、中断、总线与IO系统<br>
储存
存储系统的要求
大容量<br>
高速度
低价格
主存系统的结构
单体单子存储器<br>
单体多字存储器<br>
单体多字存储器
多体多字存储器
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终止正在执行的程序，转去执行随机提出的请求，等处理完后再回去恢复执行原先被打断的程序<br>
分类
外部中断
中断信号引起<br>
内部中断<br>
CPU内部异常引起<br>
软件中断
自陷指令引起<br>
中断系统
响应和处理各种中断的软、硬件总体<br>
中断源
引起中断的各种事件<br>
中断请求
中断源向中断系统发起的中断请求
中断等级，由高到低<br>
第1级
机器校验
第2级
程序中断和管理程序调用<br>
第3级
外部中断
第4级<br>
输入/输出<br>
第5级
重新启动<br>
总线系统
分类<br>
在系统重的位置
芯片级
板级
系统级
按用法
专用
非专用
信息的传输方向
单向传输
双向传输<br>
半双向
全双向
优先次序的确定方法<br>
串行链接
3根控制线
定时查询
2+log2N根控制线<br>
独立请求
2N+1根控制线<br>
数据宽度
单字
打印机<br>
定长块
磁盘<br>
可变长块
高优先级的磁盘、磁带
IO系统<br>
通道
字节多路通道
数组多路通道
选择通道
通道流量设计
第四章-存储系统
存储体系
主存-辅存<br>
速度是主存的，容量是辅存的
cache-主存<br>
速度是cache的，容量是主存的<br>
虚拟存储器的管理方式
段式
页式
段页式
地址的印象和变化
页面替换算法<br>
先进先出算法FIFO<br>
近期最少使用算法LRU<br>
优化替换算法OPT<br>
高速缓冲存储器<br>
全相连映像<br>
直接相连映像<br>
组相连映像
第五章-标量处理机
重叠
一次重叠<br>
相邻指令 执行k 和 分析k+1 的重叠<br>
数据相关
数据相关
控制相关<br>
解决数据相关的方法
退后处理
设置专用路径<br>
流水线技术<br>
空间并行
时间并行<br>
分类<br>
按处理级别
部件级
处理机级
系统级
按功能的多少
单功能流水机
多功能流水机
静态
同一时间段只能按一种功能连接流水<br>
动态<br>
各功能段按同一时间按不同的运算或功能连接<br>
按数据表示角度<br>
标量流水机
向量流水机<br>
是否有反馈回路<br>
线性流水机
非线性流水机
全局性相关
概念
已进入流水线的转移指令和后续指令相关
处理
猜测法<br>
加快和提前形成条件码<br>
采取延迟转移<br>
加快短循环程序的处理<br>
第六章-向量处理机
分类
向量处理机
已时间重叠途径开发<br>
阵列处理机<br>
以资源重叠途径开发
按存储器的组织方式不同分类<br>
分布式储存器<br>
集中式共享储存器
SIMD计算机的互连网络
基本的单极互联网络<br>
立方体单极网络<br>
PM2I单极网络<br>
混洗单极网络<br>
蝶形单极网络<br>
基本的多级互联网络
多级PM2I网络<br>
基准网络
设计的目的
结构不要过于复杂，已降低成本<br>
互联要灵活，已满足算法和应用的需要<br>
处理单元信息交换的传送步数要尽可能的少，以提高性能<br>
脉动阵列流水处理机
第七章-多处理机
定义
两台以上的处理机
共享I/O子系统<br>
通过共享主存或高速通信网络通信<br>
与阵列处理机的差别<br>
并行性的等级不同<br>
阵列处理机主要是针对数组、向量处理，，实现指令操作的并行<br>
多处理机是针对更高一级别的作业或任务件的并行性
硬件结构不同
算法上不同
系统管理上不同
硬件结构
紧耦合多处理机
通过共享主存进行通信<br>
通信速率受限于主存频宽
松耦合多处理机
通过消息传送系统通信
多cache一致性问题<br>
产生的原因
解决办法<br>
监视cache协议<br>
互联形式<br>
总线
环形互联<br>
交叉开关<br>
多端口储存器
蠕虫穿洞寻径网络<br>
并行算法<br>
分类
操作顺序不同
同步
异步
独立<br>
任务大小
细粒度
中粒度
粗粒度
并行性分析<br>
数据相关
先写后读
数据反相关
先读后写
数据输出相关
多处理机操作系统
主从性操作系统
各自独立型操作系统<br>
浮动性操作系统<br>
多处理机类型
分布式共享储存器处理机<br>
对称多处理机<br>
多向量处理机<br>
并行向量处理机<br>
大规模并行处理机
机群<br>
第八章-数据流计算机和归约机<br>
数据流计算机
对数据令牌的处理方式不同分类
静态
动态
数据驱动
归约机
和数据流计算机一样基于数据流计算模型，只是驱动方式不一样
需求驱动
分类
串归约机
图归约机
名称解释
系统结构
系统结构是对计算机系统的各级界面的划分，定义其上下功能的分配<br>
哈夫曼压缩原理
尽可能的加速处理高概率事件<br>
数据表示
计算机硬件能够识别和引用的数据类型，表现在对这种数据类型进行操作的指令和运算部件<br>
中断
CPU终止正在执行的程序，转去执行随机提出的请求，等处理完后再回去恢复执行原先被打断的程序<br>
中断系统
响应和处理各种中断的软、硬件总体<br>
中断源
引起中断的各种事件<br>
中断请求
中断源向中断系统发起的中断请求
总线
是用于互连计算机、CPU、存储器、I/O接口及外围设备、远程通信设备间信息传送通路的集合
总线系统
一次重叠<br>
总线与之相配合的附属控制电路的统称
相邻指令 执行k 和 分析k+1 的重叠<br>
全局性相关
已进入流水线的转移指令和后续指令相关
多处理机
两台或两台以上的处理机，共享io子系统，通过共享主存或高速通信网络通信<br>
数据流<br>
是基于异步性和函数性的一种计算模型
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
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