計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的重點和難點范文

1、第一章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念【學習指南】一.本章是全書的基礎(chǔ)，所以要透切理解本章所介紹的基本概念，例如計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義，計算機組成定義，計算機實現(xiàn)定義，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)的三者關(guān)系，透明性，Amdahl定律，CPU性能公式，局部性原理，MIPS定義，MFLOPS定義等等。1 .計算機系統(tǒng)由硬件和軟件組成，按功能劃分為多級層次結(jié)構(gòu)。2 .計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為一門學科，主要是研究軟件，硬件功能分配和對軟件、硬件界面的確定，即哪些功能由 軟件完成，哪些功能由硬件完成。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計算機組成和計算機實現(xiàn)是三個不同的概念。計算機系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)是計算機系統(tǒng)的軟硬件的界面；計算機組成是計算

2、機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)；計算機實現(xiàn)是計算機組成的物理實現(xiàn)。3 .計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(1) 通常把計算機系統(tǒng)按照其性能和價格的綜合指標分為巨型、大型、中型、小型、微型等。(2) 按用途可分為科學計算、事務(wù)處理、實時控制、家用等。(3) 按處理機個數(shù)和種類，可分為單處理機、多處理機、并行處理機、關(guān)聯(lián)處理機、超標量處理機、超流 水線處理機、SMP (對稱多處理機)、MPP (大規(guī)模并行處理機)、機群系統(tǒng)等。(4)Flynn分類法。按照指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式，將計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為以下四類: 單指令流單數(shù)據(jù)流 單指令流多數(shù)據(jù)流 多指令流單數(shù)據(jù)流 多指令流多數(shù)據(jù)流SISD (Single Instr

3、uction stream Single Datastream )SIMD (Single Instruction stream Multiple Datastream ) MISD ( Multiple Instruction stream Single Datastream ) MIMD ( Multiple Instruction stream Multiple Datastream )(5)馮式分類法。提出用最大并行度對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分類。分為: 字串位串WSBS 字并位串WPBS 字串位并WSBP 字并位并WPBP4 .計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理 (1)加快經(jīng)常性事件的速度(Wor

4、d Serial and Bit Serial )(Word Parallel and Bit Serial )(Word Serial and Bit Parallel )(Word Parallel and Bit Parallel )(Make the common case fast)。(2) Amdahl定律：系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的 使用頻率或占總執(zhí)行時間的比例有關(guān)。Fe表示(改進前可改進部分占用的時間)/ (改進前整個任務(wù)的執(zhí)行時間)，Se表示(改進前改進部分的執(zhí)行時間)/ (改進后改進部分的執(zhí)行時間)，則： 改進后的整個任務(wù)的

5、執(zhí)行時間為：FeTn =T0(1 - Fe +),其中T0為改進前的整個任務(wù)的執(zhí)行時間。Se改進后的整個系統(tǒng)加速比為：(3) CPU性能公式。CPU時間=CPU時鐘周期數(shù)/頻率；CPU時間=CPU時鐘周期數(shù)*時鐘周期長；平均時鐘周期數(shù) CPI=CPU時鐘周期數(shù)/IC (指令的條數(shù))；CPU 時間=(IC*CPI ) /頻率 f;時間局部性、空間局5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評價標準(1)性能(4)訪問的局部性原理。 部性。MIPS ( Million Instructions Per Second )MIPS =指令條數(shù) _ f執(zhí)行時間*106 -CPI * 106MFLOPS (Million Floati

6、ng point Operations Per Second )MFLOPS =程序中的浮點操作次數(shù)執(zhí)行時間*106 用基準測試程序來測試評價機器的性能。 綜合基準測試程序。(2)性能比較 總執(zhí)行時間。 加權(quán)執(zhí)行時間。(3)成本 成本指標。 硬件考慮。6.馮？諾依曼計算機的特征可概括為：(1)存儲器是字長固定的、順序線形編址的一維結(jié)構(gòu)。(2)存儲器提供可按地址訪問的一級地址空間，每個地址是唯一定義的。(3)由指令形式的低級機器語言驅(qū)動。(4)指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)。(5)機器以運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運算

7、器。運算器、存儲器、輸入 輸出設(shè)備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。二.通過做例題和習題，會做下列類型的計算題：(1).有效(平均)CPI計算題假設(shè)在一臺40MHZi理機上運行200,000條指令的目標代碼，程序主要由四種指 令組成。根據(jù)程序跟蹤實驗結(jié)果，已知指令混合比和每種指令所需的指令數(shù)如下。計算在單處理機上用跟蹤數(shù)據(jù)運行程序的平均 CPI,并根據(jù)所得的CPI,計算相應(yīng)的MIPS速率。 指令類型CPI指令混合比算術(shù)和邏輯160%高速緩存命中的加載/存儲218%轉(zhuǎn)移412%高速存儲缺失的存儲器訪問810%解CPI = 1*60% + 2*18% + 4*12% + 8*10% =

8、2.24MIPS = f/(CPI*106) = (40*10 6)/(2.24*10 6) = 17.86 (2)Amdahl 定律應(yīng)用20題假定我們利用增加向量處理模塊來提高計算機的運算速度。計算機處理向量的速度比其通常的運算要快 倍。我們將可用向量處理部分所花費的時間占總時間的百分比稱為可向量化百分比。1)求出加速比S和可向量化百分比 F之間的關(guān)系式。2)當要得到加速比為 2時的可向量化百分比 F為多少？解1)2)由上式，將S=2代入得：F = 10/19 = 0.53第二章指令系統(tǒng)【學習指南】一.首先透切理解以下基本概念：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)表示、尋址技術(shù)、RISC指令系統(tǒng)、CISC指令系統(tǒng)

9、1 .指令系統(tǒng)(Instruction Set Architecture, ISA)是計算機系統(tǒng)中軟件與硬件的接口；主要研究數(shù)據(jù)表示、 尋址方式等內(nèi)容。2 .數(shù)據(jù)表示(1)基本的數(shù)據(jù)表示方法，包括定點數(shù)、邏輯數(shù)、浮點數(shù)、字符、字符串、堆棧等，以及一些新的數(shù)據(jù)表示方法和在數(shù)據(jù)表示方面的新的研究成果，如自定義數(shù)據(jù)表示、帶標志符的數(shù)據(jù)表示法、數(shù)據(jù)描述符表示法及浮點數(shù)表示方面的研究成果等；(2)數(shù)據(jù)表示的原則： 縮短程序的運行時間 減少CPUT主存儲器之間的通信量 數(shù)據(jù)表示的通用性和利用率(3)計算機內(nèi)浮點數(shù)的表數(shù)范圍、表數(shù)精度和表數(shù)效率，浮點數(shù)尾數(shù)基值的選擇(4)浮點數(shù)的性質(zhì)和設(shè)計方法(5)運用浮點

10、數(shù)進行四則運算3 .尋址方式(1)尋址技術(shù)研究的主要內(nèi)容包括編址方式、尋址方式和定位方式等， 研究的對象主要有寄存器、主存儲器、堆棧和輸入輸出設(shè)備等，其中以面向主存儲器的尋址技術(shù)為主要研究對象；(2)編址方式是指對各種存儲設(shè)備進行編碼的方法，主要包括編址的單位、零地址空間的個數(shù)等；(3)尋找操作數(shù)及數(shù)據(jù)存放單元的方法稱為尋址方式。在分析各種尋址技術(shù)優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，重點是能夠在計算機系統(tǒng)中如何選擇和確定采用哪種尋址技術(shù)；(4)程序的定位是指把指令和數(shù)據(jù)的邏輯地址(相對地址)轉(zhuǎn)換成主存儲器的物理地址(絕對地址)。定位方式可分為三種：直接定位、靜態(tài)定位和動態(tài)定位。4.指令格式的優(yōu)化設(shè)計(1)指令格式

11、優(yōu)化設(shè)計的主要目標有兩個，一是節(jié)省程序的存儲空間，二是指令格式要盡量規(guī)整，以減少硬件譯碼的復雜程度。指令格式優(yōu)化后，不應(yīng)該降低指令的執(zhí)行速度。(2)操作碼的表示方法通常有三種：固定長度操作碼、Huffman編碼法和擴展編碼法。要重點掌握Huffman編碼法和擴展編碼法；(3)固定長操作碼的主要優(yōu)點：規(guī)整，譯碼簡單；主要缺點：浪費信息量(操作碼的總長位數(shù)增加)(4)采用最優(yōu)Huffman編碼法操作碼的最短平均長度可以通過如下公式計算：nH =-Z pi log2 pi其中：Pi表示第i種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率 i W固定長操作碼相對于 Huffman操作碼的信息冗余量為：采用Huffman編碼

12、法操作碼的最短平均長度可以通過如下公式計算：Huffman操作碼的主要缺點： 操作碼長度很不規(guī)整，硬件譯碼困難 與地址碼共同組成固定長的指令比較困難(5)擴展編碼法：由固定長操作碼與Huffman編碼法相結(jié)合形成；(6)縮短地址碼長度的方法目標：用一個短的地址碼表示一個大的邏輯地址空間 用間址尋址方式縮短地址碼長度在主存儲器的低端開辟一個專門存放地址的區(qū)域， 用變址尋址方式縮短地址碼長度由于程序的局部性，變址尋址方式中的地址偏移量比較短， 用寄存器間接尋址方式縮短地址碼長度，很有效的方法5.指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(1)指令系統(tǒng)功能設(shè)計要求：完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性；(2)基本指令系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)

13、傳送類指令、運算類指令、程序控制類指令、輸入輸出指令、處理機控制和調(diào)試指令；(3)指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計有兩個截然相反的方向： 復雜指令系統(tǒng)計算機 CISC (Complex Instruction Set Computer )1)增強指令功能，設(shè)置功能復雜的指令2)面向目標代碼、面向高級語言、面向操作系統(tǒng)3)用一條指令代替一串指令 精簡指令系統(tǒng)計算機 RISC ( Reduced Instruction Set Computer)1)只保留功能簡單的指令2)功能較復雜的指令用子程序來實現(xiàn)(4) RISC與CISC各自的特點和相互比較(5) RISC的關(guān)鍵技術(shù) 延遲轉(zhuǎn)移技術(shù), 指令取消技術(shù) 重疊寄

14、存器窗口技術(shù) 以硬件為主固件為輔二.通過做例題和習題，會做下列類型的計算題：(1)浮點數(shù)表示題在浮點數(shù)的尾數(shù)用原碼、小數(shù)表示，階碼用移碼、整數(shù)表示，尾數(shù)基值re = 2,階碼基值re=2, 階碼字長q=7,尾數(shù)字長p = 55,尾數(shù)符號和階碼符號各一位，總字長為 64位。這種浮點數(shù)表 示方式的各項主要性能如下：解：能表示的最大尾數(shù)值：(1-m-)=(1-25),即尾數(shù)數(shù)值部分的所有55個二進制位全部為都1;11絕對值最小的尾數(shù)值： 丁=不，尾數(shù)數(shù)值部分除最高一個二進制位為 1之外，其余54個二進 rm 2制位全部為0;能表示的最大階碼：req-1=27 -1=127 ,包括階碼符號位在內(nèi)的所有

15、8個二進制位全部為1;能表示的最小階碼：-req = -27 = -128 ,包括階碼符號位在內(nèi)的所有 8個二進制位全部為0;最大正數(shù)：(1-白韋科兇=(1-2巧227-1 = (1-2巧2127=1.70父1038;,27最小正數(shù)：工 +q2= 2/29 = 147 M 10,9 ；rm 1227最大負數(shù)：_25一陽=_12 =-229 = -147父10*9 ;rm 12最小負數(shù)：-(1-mf)"兇-(1-2 巧 227T = -(1-2巧 2127 = - 1.70父 1038;存儲系統(tǒng)【學習指南】一.首先透切理解以下基本概念：存儲系統(tǒng)的定義、存儲系統(tǒng)的性能參數(shù)、地址映象與變換

16、方法、虛擬存儲器、Cache存儲器、命中率、替換算法1 .提高存儲器性能的主要方法有層次存儲器、并行存儲器等。2 .典型的并行存儲器包括并行訪問存儲器、低位交叉存儲器和高位交叉存儲器。低位交叉存儲器的特點是地址相鄰的信息存放在不同(相鄰)的存儲體中。高位交叉存儲器的特點是地址相鄰的信息存放在同一存儲體中。3 .所謂存儲系統(tǒng)是指兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、 軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來而成的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)對應(yīng)用程序員透明，并且，從應(yīng)用程序員看它是一個存儲器，這個存 儲器的速度接近速度最快的那個存儲器，存儲容量與容量最大的那個存儲器相等或接近， 單位容量的價格接

17、近最便宜的那個存儲器。程序訪問的局部性原理是層次存儲系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)。4 .存儲器的主要性能參數(shù)：(1)存取時間：從CPliU第i層存儲器的往返時間。(2)存儲器容量：第i層的字節(jié)或字的數(shù)量。(3)每字節(jié)成本：(4)傳輸帶寬： 相鄰層之間傳輸信息的速率。(5)傳輸單位：相鄰兩層之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧６?如字、塊、頁等) 。5 .層次存儲器性質(zhì)(1)包含性：內(nèi)層的信息必然包含于其外層。所有的信息最初放在最外層。在處理過程中，其子集被一步步復制到內(nèi)層。(2) 一致性：同一個信息項在后繼存儲器層次上的副本是一致的。如果在緩存中的一個字被修改過，那么在所有高層上該字的副本也必須立即或最后加以修改。維護一致性的

18、兩種策略：寫直達和寫回。前者指如果在內(nèi)層中修改了一個字，在外層中必須立即加以修改。而后者的處理方法是：在外層中的修改延遲到內(nèi)層中被修改的字被替換時才進行。(3)局部性： 時間局部性： 最近的訪問項很可能在不久的將來再次被訪問。 空間局部性： 一個進程所訪問的各項其地址彼此很近。 順序局部性：在典型程序中，除轉(zhuǎn)移指令產(chǎn)生不按次序的轉(zhuǎn)移外，指令都是順序進行的。6 .層次存儲系統(tǒng)的設(shè)計的目的是使有效存取時間接近于最內(nèi)層存儲器的存取時間，使總體的平均每字成本接近于最外層存儲器的每字成本，容量接近于最大存儲器的容量。本章主要論述兩個二級層次存儲系統(tǒng)cache和虛擬存儲器。要解決的問題主要有：(1) 塊/

19、頁的定位問題。(2) 替換問題。(3) 一致性問題。(寫無效和寫更新)7 .虛擬存儲器由主存儲器和聯(lián)機工作的外部存儲器共同組成。虛擬存儲器有段式、頁式、段頁式等地址映像與變換方法。加快內(nèi)部地址變換的技術(shù)主要有目錄表、快慢表、散列函數(shù)等。頁面替換算法主要有RAND FIFO、LRU LFU口 OP停算法。8 . Cache的地址映像與變換方法有全相聯(lián)、直接相聯(lián)、組相聯(lián)和段相聯(lián)幾種。Cache的替換算法有輪轉(zhuǎn)法、FIFO、LRU LFLK比較對法和堆棧法。Cache的實現(xiàn)全部是由硬件完成的。9 .影響主存命中率的主要因素有：(1) 程序在執(zhí)行過程中的頁地址流分布情況(2) 所采用的頁面替換算法(3

20、) 頁面大小( 4) 主存儲器的容量( 5) 所采用的頁面調(diào)度方法。10. Cache的命中率主要與如下幾個因素有關(guān)： 1) 1) 程序在執(zhí)行過程中的地址流分布情況 2) 當發(fā)生Cach啾失效時，所采用的替換算法 3) Cache的容量 4) 4)在組相聯(lián)映象方式中，塊的大小和分組的數(shù)目11.解決Cache與主存的不一致性問題，首先要選擇合適的Cache更新算法。一般有兩種 Cache更新算法，寫直達法和寫回法。二 . 通過做例題和習題，會做下列類型的計算題：(1) . 層次存儲系統(tǒng)命中率、價格計算題在一個Cache存儲系統(tǒng)中，主存儲器的訪問周期、存儲容量和單位價格分別為 60ns、64MBf

21、fi 10元/MB, Cache的訪問周期、存儲容量和單位價格分別為 10ns、512KBW 100元/MB, Cache的命 中率為 0.98。(1)計算這個Cache存儲系統(tǒng)的等效訪問周期、存儲容量和單位價格。(2)計算這個Cache存儲系統(tǒng)的訪問效率。解：(1)這個Cache存儲系統(tǒng)的等效訪問周期：T =Tc H + Tm (1-H)=10ns x 0.98 + 60ns x (1 0.98) 二11ns等效存儲容量：S =64MB等效單位價格：C = (Cc Sc + Cm Sm / (Sc + Sm)=(100X0.5 +10X 64) / (0.5 +64)= 10.7(元/MB)

22、(2)這個Cache存儲系統(tǒng)的訪問效率： e =Tc/T= 10/11 = 0.91(2) 三種映射框圖 題 假定計算機的主存儲器按64 塊組織，塊大小為8 個字。高速緩存有8 個塊框。試畫出采用以下映射方法從主存儲器到高速緩存的映射關(guān)系。盡可能清楚地畫出所有的映射線。(1) 直接映射。(2) 全想聯(lián)映射。 解 ( 1)直接映射方式( 2)全聯(lián)想映射方式第四章 輸入輸出系統(tǒng)【學習指南】一.透切理解以下基本概念：DMAM理、通道處理機原理、中斷原理數(shù)組多路通道、選擇通道、字節(jié)多路通道、外部設(shè)備、I/O 性能評價1 輸入輸出系統(tǒng)(1)在計算機系統(tǒng)中，通常把處理機和主存儲器之外的部分稱為輸入輸出系統(tǒng)

23、，它包括輸入輸出設(shè)備、輸 入輸出接口和輸入輸出軟件等。(2)輸入輸出系統(tǒng)的特點是異步性、實時性和設(shè)備無關(guān)性。(3)基本的輸入輸出方式有三種：程序控制輸入輸出方式、直接存儲器訪問方式( DMA )和中斷輸入輸出 方式。(4)程序控制輸入輸出方式完全受CPU控制，數(shù)據(jù)的輸入輸出都要經(jīng)過CPU,用于連接低速外圍設(shè)備。(5)直接存儲器訪問方式(DMA )主要用于連接高速外圍設(shè)備，它使得存儲器既可被CPU訪問，也可被外圍設(shè)備訪問。目前使用的DMA方式主要有三種：周期竊取方式、直接存取方式和數(shù)據(jù)塊傳送方式。(6)中斷輸入輸出方式使得 CPU與外圍設(shè)備可以并行工作，并可以處理例外事件。中斷方式常用于連接低

24、速外圍設(shè)備。2 .中斷系統(tǒng)(1)中斷系統(tǒng)通常由硬件和軟件同時實現(xiàn)。軟硬件的功能分配決定了中斷響應(yīng)時間。(2)中斷響應(yīng)時間是指從一個中斷源向處理機發(fā)出中斷服務(wù)請求開始，到處理機實際開始執(zhí)行這個中斷源 的中斷服務(wù)程序時為止的時間。它由以下四個因素決定：最長指令執(zhí)行時間、在一條指令執(zhí)行完成后 處理其他更緊急的任務(wù)所用時間、從第一次關(guān)中斷到第一次開中斷所需的時間、找到中斷服務(wù)程序入 口所需的時間。(3)中斷源的識別有幾種方法。最簡單的一種方法是查詢法，靈活性好，但速度慢。串行排隊鏈法和中斷 向量法用軟硬件相結(jié)合的方法來實現(xiàn)中斷排隊，速度快，但靈活性和可靠性差。獨立請求法克服了串 行排隊鏈法可靠性差的缺

25、點，但靈活性差的缺點依然存在。(4)根據(jù)中斷的緊迫性、設(shè)備的工作速度、數(shù)據(jù)恢復的難易程度和要求處理機提供的服務(wù)質(zhì)量等，把中斷 源分為優(yōu)先程度不同的幾個級別，稱為中斷源的優(yōu)先級。處理機在執(zhí)行某一個中斷源的中斷服務(wù)程序 時，只能響應(yīng)比它優(yōu)先級高的中斷請求，不能響應(yīng)與它同級或低級的中斷請求。(5)為提高中斷系統(tǒng)的靈活性，可以動態(tài)地改變中斷源的優(yōu)先級，這就需要設(shè)置中斷屏蔽。設(shè)置中斷屏蔽 還可以決定設(shè)備是否采用中斷方式工作，或在多處理機系統(tǒng)中把中斷請求分配到不同的處理機中。(6)中斷屏蔽的實現(xiàn)方法主要有兩種：一是為每個或每級中斷源都設(shè)置一個中斷屏蔽位，二是改變處理機 的優(yōu)先級。3 .通道處理機(1)在大

26、型計算機系統(tǒng)中， 為把對外圍設(shè)備的管理工作從CPU中分離出來，普遍采用通道處理機技術(shù)。采用通道方式組織的輸入輸出系統(tǒng)，多采用主機一一通道一一設(shè)備控制器一一IO設(shè)備四級連接方式。通道通過執(zhí)行通道程序?qū)崿F(xiàn)對 IO系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和控制。在 CPU啟動通道后，通道自動地去內(nèi)存取出 通道指令并執(zhí)行指令。直到數(shù)據(jù)交換過程結(jié)束向CPU發(fā)出中斷請求，CPU才進行通道結(jié)束處理工作。(2)通道可分為三類：字節(jié)多路通道、選擇通道和數(shù)組多路通道。字節(jié)多路通道常用于連接低或中速的設(shè) 備，選擇通道和數(shù)據(jù)多路通道用于連接高速設(shè)備。(3)對于以上的三種通道，當每個通道上連接有P臺外圍設(shè)備，每臺設(shè)備都傳送n個字節(jié)時，總共所需的

27、時間分別為：T BYTE = (Ts + Td) *P * nTselect = (Ts / n + Td) * P * nTblock = (Ts / n + Td)P n其中Ts指設(shè)備選擇時間，Td指傳送一個字節(jié)所需的時間。(4)通道的流量是指一個通道在數(shù)據(jù)傳送期間內(nèi)，單位時間內(nèi)能夠傳送的最大數(shù)據(jù)量。一個通道在滿負荷 工作下的流量稱為通道最大流量。三種通道的最大流量計算公式如下：f MAX (BYTE = (P .n) / (Ts + Td) * P * n = 1/ (Ts + Td)f MAX DELETE = (P , n) / (Ts / n + Td) * P * n = 1 /

28、 (Ts / n + Td)f MAX /LOCK = (P * n) / (Ts/ k + Td) P n = 1 / (Ts / k + T d)(5)字節(jié)多路通道的實際流量是指連接在這個通道上的所有設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸率之和。而選擇通道和數(shù)據(jù)多 路通道的實際流量是指連接在這個通道上的所有設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸率的最大值。PfBLOCK = max fii 14 .輸入輸出處理機在大型、巨型計算機系統(tǒng)中， 常采用輸入輸出處理機來分擔中央處理機的輸入輸出任務(wù)。輸入輸出處理機是一臺獨立的處理機，具有一定的運算功能，它具有自己的存儲器，不必通過主存儲器就能完成與外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)交換， 大大提高了系統(tǒng)性能。二.通過

29、做例題和習題，會做下列類型的計算題：(1)字節(jié)多路通道實際工作流量、通道最大流量和工作周期設(shè)計(2)中斷響應(yīng)和中斷處理時間的計算題一個字節(jié)多路通道連接 D1、D2、D3、D4、D5共5臺，這些設(shè)備分別每 10ms、30ms、30ms、50ms和75ms 向通道發(fā)出一次數(shù)據(jù)傳送的服務(wù)請求。a)計算這個字節(jié)多路通道的實際流量和工作周期。b)如果設(shè)計字節(jié)多路通道的最大流量正好等于實際流量，并假定對數(shù)據(jù)傳輸率高的設(shè)備，通道響應(yīng)它的數(shù)據(jù)傳送請求的優(yōu)先級也高。5臺設(shè)備在0時刻同時向通道發(fā)出第一次傳送數(shù)據(jù)的請求，并在以后的時間里按照各自的數(shù)據(jù)傳輸率連續(xù)工作。 畫出通道分時為各臺設(shè)備服務(wù)的時間關(guān)系圖，并計算這

30、個字節(jié)多路通道處理完各臺設(shè)備的第一次數(shù)據(jù)傳送請求的時刻。c)從時間關(guān)系圖上發(fā)現(xiàn)什么問題？如何解決這個問題？解a)這個字節(jié)多路通道的實際流量為fBYTE = ( 1/10 + 1/30 + 1/30 + 1/50 + 1/75 ) = 0.2 (MB/s )。通道的工作周期為t = 1/f = 5 ms/B,包括通道選擇設(shè)備的時間Ts和為設(shè)備傳送一個字節(jié)所用的時間Td。 b) 5臺設(shè)備向通道請求傳送數(shù)據(jù)和通道為它們服務(wù)的時間關(guān)系如圖所示。向上的箭頭表示設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送請求，有陰影的長方形表示通道響應(yīng)設(shè)備的請求并為設(shè)備服務(wù)所用的時間間隔，包括通道選擇設(shè)備的時間和為設(shè)備傳送一個字節(jié)所用的時間，這兩部分

31、時間之和為5ms。在圖中，5臺設(shè)備在0時刻同時向通道發(fā)出第一次傳送數(shù)據(jù)的請求，通道處理各個設(shè)備第一次請求時間如下：處理完設(shè)備D1的第一次請求的時刻為 5ms；處理完設(shè)備D2的第一次請求的時刻為 10ms；處理完設(shè)備D3的第一次請求的時刻為 20ms；處理完設(shè)備D4的第一次請求的時刻為 30ms；設(shè)備D5的第一次請求沒有得到響應(yīng)，直到第85ms通道才開始響應(yīng)設(shè)備 D5的服務(wù)請求，這時，設(shè)備已經(jīng)發(fā)出了兩個傳送數(shù)據(jù)的服務(wù)請求，因此，第一次傳送的數(shù)據(jù)有可能要丟失。通道分時為D1D5各臺設(shè)備服務(wù)的時間關(guān)系圖c)當字節(jié)多路通道最大流量與連接的設(shè)備數(shù)據(jù)流量之和非常接近時，如果傳輸速度高的設(shè)備頻繁發(fā)出服務(wù)請求

32、， 并且優(yōu)先得到響應(yīng)，那么某些低速設(shè)備可能在很長的一段時間內(nèi)得不到響應(yīng)。可采取以下幾種方法：1)增加通道的最大流量。2)動態(tài)改變設(shè)備的優(yōu)先級，如在3070ms之間臨時提高設(shè)備 D5的優(yōu)先級。3)增加一定數(shù)量的數(shù)據(jù)緩沖器，特別是對優(yōu)先級比較低的設(shè)備。第五章標量處理機與流水線【學習指南】一.首先透切理解以下基本概念：數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)、資源沖突、靜態(tài)流水線、動態(tài)流水線、流水線吞吐率、流水線效率、流水線加速比、多發(fā)射、超標量流水線、超流水線、超標量超流水線1. 流水線的原理、特點及其分類。流水線方式是把一個重復的過程分解為若干個子過程，每個子過程可以和其他的子過程同時進行，即所謂的時間并行性。 流水

33、線的工作可以用時空圖來描述。流水線有以下的特征：為了提高流水線的效率，應(yīng)該盡可能的為流水線提供連續(xù)的任務(wù)；流水線由很多相聯(lián)的功能段組成，為了平衡功能段之間的速度差，功能段之間需要設(shè)置緩沖寄存器；流水線中每個功能段的時間應(yīng)該盡量相等，以免形成“瓶頸”，否則應(yīng)該對功能段再劃分或者采用多個功能部件；流水線需要裝入 和排空時間，只有在流水線完全充滿時，它才能充分發(fā)揮效率。根據(jù)不同的角度，流水線可以被劃分成 以下的類別：線性流水線，非線性流水線；指令流水線，運算操作流水線，宏流水線；單功能流水線，多功能流水線；靜態(tài)流水線，動態(tài)流水線等。TP定2. 流水線的性能分析。衡量流水線性能的主要指標有吞吐率，加速

34、比，效率。流水線的吞吐率 義為單位時間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量或者輸出的結(jié)果數(shù)量，基本公式如下：n為任務(wù)數(shù)，Tk是完成n個任務(wù)所用的時間。TP TkS=T0Tk流水線的加速比 S指完成一批任務(wù)，不使用流水線所用的時間與使用流水線所用的時間之比稱為流水 線的加速比：其中T0指順序執(zhí)行所用的時間，Tk時使用流水線的執(zhí)行時間。n個任務(wù)占用的時空流水線的效率E是指流水線的設(shè)備利用率，在時空圖上，流水線的效率定義為 區(qū)與k個功能段總的時空區(qū)之比。n個任務(wù)占用的時空區(qū)E = ：k個流水線的總的時空區(qū)二.通過做例題和習題，會做下列類型的計算題：(1)畫時空圖(這是本章計算題的基礎(chǔ)，無論是否要求畫出時空圖，建

35、議畫出時空圖，這對計算其他參數(shù)都 有好處)(2)流水線吞吐率、加速比和效率的計算題假設(shè)一條指令的執(zhí)行過程分為“取指令”、“分析”和“執(zhí)行”三段，每一段的時間分別為&、2母和3 Ato在下各種情況下，分別寫出連續(xù)執(zhí)行n條指令所需要的時間表達式。(1)順序執(zhí)行方式。(2) “取指令”、“分析”和“執(zhí)行”重疊。解(1)順序執(zhí)行時每條指令用時 =也+2 &+3 &=6出，因此n條指令所需要的時間=6n* &(2)第一條指令完成需要時間 =曲+2&+3&=6&,由于一條指令的“取指令”和“分析”階段和下一條指 令的“執(zhí)行”階段重疊，因此，此后每3i

36、t完成一條指令，余下的 n-1條指令用時(n-1)*3 At.因此n條指令所需要的時間 =6#+(n-1)*3 At=3(n+1) At題一動態(tài)多功能流水線由6個功能段組成，如下圖：其中：si、S4、S5、S6組成乘法流水線，S1、S2、S& S6組成加法流水線，各個功能段時間均為50ns。假定該流水線的輸出結(jié)果可以直接返回流水線輸入端，而且設(shè)置有足夠的緩沖寄存器。若按照最快的方式用該流水5線計算 f =X xi yi zi。 i 1(1)請畫出其處理過程的時空圖。(2)計算其實際吞吐率，加速比和效率。解 ：乘法操作用到的流水段有：S1、S4、S5、S6;加法操作用到的流水段有：S1、

37、S2、S3、S6。以最快的方式處理的流水線時空圖如圖所示：(2) : A部分所處理的是Oj =口xiyi ； B部分所處理的是qi =Yoizi； C部分所處理的是f =£ qi 。整個處理過程共需 22個時鐘周期。而進行了 14次不同的運算，所以其實際吞吐率為:這些運算串行處理所需要的時鐘周期為56個時鐘周期，所以其加速比為：一、,56效率為:S = =42.4%22 6第六章向量處理機【學習指南】一.首先透切理解以下基本概念：向量、向量處理三種算法、向量處理機兩種結(jié)構(gòu)、鏈接、向量指令處理時間、最大性能R、半性能向量長度1 .把N個互相獨立的數(shù)叫做“向量”，對這樣一組數(shù)的運算叫做“

38、向量處理”。一條向量指令可以處理 N個或N對操作數(shù)。2 .向量處理的方式(1) .橫向處理方式：向量計算是按行的方式從左至右橫向進行。(2) .縱向處理方式：向量計算是按列的方式自上而下縱向進行。(3) .縱橫處理方式：橫向處理和縱向處理相結(jié)合的方式3 .向量處理機一般有如下兩種結(jié)構(gòu)：(1) .利用幾個獨立的內(nèi)存模塊來支持對相互獨立的資料的并發(fā)訪問，從而達到所要求的內(nèi)存帶寬，即在儲器一存儲器結(jié)構(gòu)。在運算流水線的輸入端和輸出端增加了緩沖器以便消除爭用內(nèi)存的現(xiàn)象。(2) .構(gòu)造一個具有所要求帶寬的高速中間內(nèi)存，并能實現(xiàn)該高速中間內(nèi)存與主存儲器之間的快速資料交換，即寄存器一寄存器結(jié)構(gòu)。設(shè)計這種系統(tǒng)結(jié)

39、構(gòu)的主要思想是使操作數(shù)離處理器很近，以保證處理器一直處 于忙狀態(tài)。中間內(nèi)存提供給處理器快速存取的資料，而成本又比較低。4 .提高向量處理機性能的常用技術(shù)(1) . 鏈接技術(shù)(2) .向量循環(huán)或分段開采技術(shù)5 .向量指令的處理時間Tvp =Ts Tvf(n-1)Tc其中，Ts為向量流水線的建立時間，它包括向量起始地址的設(shè)置、計數(shù)器加1、條件轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行等。 Tvf為向量流水線的流過時間，它是一條指令從開始譯碼到流過流水線得到第一個結(jié)果元素的時間。Tc為流水線“瓶頸”段的執(zhí)行時間。一組向量操作的執(zhí)行時間主要取決于下面三個因素：向量的長度、向量操作之間是否存在流水功能部件的沖突和數(shù)據(jù)的相關(guān)性。9 最

40、大性能 R”表示當向量長度為無窮大時的向量流水線的最大性能。常在評價峰值性能時使用，單位為 MFLOPS。它可表示為：手_ ,浮點運算次數(shù)一時鐘頻率. 循環(huán)所花費的時鐘周期 數(shù)因為分子的值與n無關(guān)，所以-小浮點運算次數(shù)m時鐘頻率浮點運算次數(shù)父時鐘頻率Rlim循環(huán)所花費的時鐘周期 數(shù)Tn |lnm 7它表示為建立流水6. n1/2為達到一半R”值所需的向量長度。它是評價向量流水線建立時間對性能影響的參數(shù)。 線而導致的性能損失。二.通過做例題和習題，會做下列類型的計算題：(1)判別并行、鏈接的條件(2)計算向量處理時間題一臺單處理機可以以標量方式運行，也可以以向量方式運行。在向量方式情況下，計算可

41、比標量方式快9倍。設(shè)某基準程序在此計算機上運行的時間為To另外，已知T的25%用于向量方式，其余的時間則以標量方式運行。(1)計算在上述條件下與完全不用向量方式條件下相比的加速比，并計算上述程序中向量化代碼所占的比例«。(2)假設(shè)我們改進硬件使向量方式與標量方式之間的速度比加倍，試計算可達到的加速比。(3)如果要達到與(2)相同的加速比，用的方法是改進編譯器，而不是改進硬件，那么，用向量化編譯器 支持同樣的基準程序，其新的向量化比率是多少？解(1)由于T中向量化代碼所占的時間為0.25T,則串行代碼用時=T-0.25T=0.75T ,所以完全不用向量方式執(zhí)行該段代碼用時=0.75T+

42、9*0.25T=3T,因此加速比=3T/T=3.根據(jù)Amdahl定律.-13 =;所以豆=75%a1 -: 一9(2)加速比=1 -0.75075 =3.43;18，一一八1一， 由題意：3.43 =;因此« = 80%a1 一二一9第七章互連網(wǎng)絡(luò)【學習指南】一.首先透切理解以下基本概念：互連網(wǎng)絡(luò)的作用、靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)、存儲轉(zhuǎn)發(fā)尋徑、蟲蝕尋徑、線路開關(guān) 尋徑、虛擬直通尋徑1. 互連網(wǎng)絡(luò)基本概念(1)互連網(wǎng)絡(luò)互連網(wǎng)絡(luò)是一種由開關(guān)元件按照一定拓撲結(jié)構(gòu)和控制方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，用來實現(xiàn)計算機系統(tǒng)內(nèi)部多個處理機或多個功能部件之間的相互連接. (2)互連函數(shù)為了反映不同互連網(wǎng)絡(luò)的連接特性，每種

43、互連網(wǎng)絡(luò)可用一組互連函數(shù)來描述如果將互連網(wǎng)絡(luò)的 N個輸入端 和N個輸出端分別用0,1,2,.,N-1來表示，則互連函數(shù)表示相互連接的輸入端和輸出端號之間的一一對應(yīng)關(guān)系.或者說，存在互連函數(shù)f,在它的彳用下，輸入i應(yīng)與f(i)相連，這里0<=i<=N-1.表示互連函數(shù)常用兩種方法 ：函數(shù)表示法和 輸入輸出對應(yīng)表示法.2. 互連網(wǎng)絡(luò)的特性(1)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點數(shù)目；(2)結(jié)點度與結(jié)點相連的邊數(shù)；(3)距離兩結(jié)點間相連的最少邊數(shù)；(4)網(wǎng)絡(luò)直徑：網(wǎng)絡(luò)中任意兩個結(jié)點間距離的最大值(5)等分寬度：網(wǎng)絡(luò)被切成相等的兩半時沿切口的最小邊數(shù)(6)結(jié)點間線長：任兩個結(jié)點間線的長度（7）對稱性若從

44、任何結(jié)點看網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)都一樣,則稱該網(wǎng)絡(luò)為對稱網(wǎng)絡(luò).3. 網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能特性（1）頻寬消息進入網(wǎng)絡(luò)后，互連網(wǎng)絡(luò)傳輸消息的最大速率，單位用bit/sec（或mb/s）.（2）傳輸時間消息通過網(wǎng)絡(luò)的時間,等于消息長度除以頻寬;（3）" 飛行 " 時間消息的第一位信息到達接收方所花費的時間,它包括由于網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)或者其他硬件所引起的時延（4）傳輸時延它是消息在互連網(wǎng)絡(luò)上所花費的時間,但不包括消息進入網(wǎng)絡(luò)和到達目的結(jié)點后從網(wǎng)絡(luò)接口硬件取出數(shù)據(jù)所花費的時間,它等于"飛行"時間和傳輸時間之和.（5）發(fā)送方開銷處理器把消息放到互連網(wǎng)絡(luò)的時間,包括硬件和軟件所花費的時間

45、（6）接收方開銷處理器把到達的消息從互連網(wǎng)絡(luò)取出來的時間,包括軟件和硬件所花費的時間.4. 互連網(wǎng)絡(luò)分類（ 1） 分類法 I靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)：各結(jié)點間有專用連接通路且運行中不能改變的網(wǎng)絡(luò)。動態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)：設(shè)置有源開關(guān)，可以根據(jù)需要借助控制信號對連接通路加以重新組合實現(xiàn)要求的通信模式的網(wǎng)絡(luò)。（ 2）分類法II共享介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)：同一時間只允許一個設(shè)備進行存??；非阻塞網(wǎng)絡(luò)：邏輯上的交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，除非存在不同輸入端口向同一輸出端口發(fā)送消息；否則消息通信將不會阻塞；直接網(wǎng)絡(luò)：指網(wǎng)絡(luò)中的處理器是點到點連接的（靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)）。間接網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點不是通過直接相連的通道進行消息通信，而是通過網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)機構(gòu)進行；混合網(wǎng)絡(luò)：

46、指一個互連網(wǎng)絡(luò)中混合了多種以上網(wǎng)絡(luò)。5. 消息傳遞機制（ 1） 消息尋徑方式線路交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)尋徑虛擬直通蟲蝕尋徑（ 2） 死鎖和虛擬通道虛擬通道虛擬通道是兩個結(jié)點間的邏輯鏈,它是由源結(jié)點的片緩沖區(qū), 結(jié)點間的物理通道以及接收結(jié)點的片緩沖區(qū)組成.死鎖的產(chǎn)生和避免緩沖區(qū)或通道上的循環(huán)等待可能產(chǎn)生死鎖.利用虛擬通道可以解決死鎖6. 流控制策略（ 1）包沖突的解決用緩沖實現(xiàn)虛擬直通阻塞策略揚棄并重發(fā)策略阻塞后繞道（ 2）確定尋徑和自適應(yīng)尋徑7. 選播和廣播尋徑(1)單播：對應(yīng)于一對一的通信情況，即一個源結(jié)點發(fā)送消息到一個目的結(jié)點.(2)選播：對應(yīng)于一到多的通信情況，即一個源結(jié)點發(fā)送同一個消息到多個目的

47、結(jié)點(3)廣播：對應(yīng)于一到全體的通信情況，即一個源結(jié)點發(fā)送同一個消息到全部結(jié)點.(4)會議：對應(yīng)于多到多的通信情況.8. 通道流量和通道時延通道流量和通道時延是描述效率常用的兩個參數(shù).優(yōu)化的尋徑網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能以最小流量和最小時延實現(xiàn)有關(guān)的通信模式.然而這兩個參數(shù)并不是毫不相關(guān)的，達到最小流量同時不一定能達到最小時延，相反的情況也如此.二.通過做例題和習題，會做下列類型的計算題：(1)網(wǎng)絡(luò)通信時延計算(2)網(wǎng)絡(luò)通道流量計算題假設(shè)一個網(wǎng)絡(luò)的頻寬為10兆位/秒，發(fā)送方開銷和接收方開銷分別等于230微秒和270微秒。如果兩臺機器相距100米，現(xiàn)在要發(fā)送一個 1000字節(jié)的消息給另一臺機器，試計算總時延。如

48、果兩臺機器相距 1000公里，那 么總時延為多大？解:光的速度為.5公里/秒，信號在導體中傳遞速度大約是光速的50%,所以“飛行”時間可以計算出來了。那么相距100米時總時延為：消息長度T=發(fā)送方開銷+ “飛行”時間+ +接收方開銷頻寬= 230s0.1Km0.5 299792.5Km/s1000 8位+10兆兆/秒270s二 230s 0.67s 800s 250s二1301s相距1000公里時的總時延為:第八章并行處理機和多處理機【學習指南】一.首先透切理解以下基本概念：并行處理機基本結(jié)構(gòu)、SIMD計算機基本結(jié)構(gòu)、陣列處理機基本結(jié)構(gòu)、IMD計算機的優(yōu)缺點、共享存儲多處理機、分布存儲多處理機

49、、多處理機系統(tǒng)的特點、MPP SMP機群系統(tǒng)。1. SIMD計算機模型(1) SIMD計算機的抽象模型在同一個控制部件的管理下，有多個處理單元。所有處理單元均收到從控制部件廣播來的同一條指令， 但操作對象是不同的數(shù)據(jù)。(2) SIMD計算機的操作模型SIMD計算機的操作模型用五元組表示：M =(N, C, I, M , R)。其中，五元組中各符號的含義：N-機器的處理單元(PE)數(shù)；C-由控制部件(CU)直接執(zhí)行的指令集，包括標量和程序流控制指令；I-由CU廣播至所有PE進行并行執(zhí)行的指令集，包括算術(shù)運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)尋徑、屏蔽以及其他由每個活動的PE對它的數(shù)據(jù)所執(zhí)行的局部操作；M- 屏蔽方

50、案集，其中每種屏蔽將PE 集劃分為允許操作和禁止操作兩種子集；R-數(shù)據(jù)尋徑功能集，說明互連網(wǎng)絡(luò)中PE 間通信所需要的各種設(shè)置模式。（ 3）可以用上述五元組描述一臺具體的SIMD 機器。(4) 4） SIMD 計算機處理單元的粒度：細粒度、中粒度。2. SIMD 計算機的基本結(jié)構(gòu)（ 1 ）分布式存儲器結(jié)構(gòu)分布式存儲結(jié)構(gòu)的體系模型、工作原理和特點。（ 2）共享存儲器結(jié)構(gòu)共享存儲結(jié)構(gòu)的體系模型、工作原理和特點。3. SIMD 計算機的特點（1） SIMD 計算機的實質(zhì)是利用了多PE 的空間并行性來提高計算速度。（2） SIMD 計算機與流水線向量處理機的相同與不同。4. 多處理機結(jié)構(gòu)由如何臺獨立的計

51、算機組成，每臺計算機能夠獨立執(zhí)行自己的程序，又稱多指令流多數(shù)據(jù)流（ MIMD ）結(jié)構(gòu)。多處理機系統(tǒng)中的處理機之間通過某種方式（如互連網(wǎng)絡(luò)）互連，從而實現(xiàn)程序之間的數(shù)據(jù)交換和同步。5. 使用多處理機的主要目的是利用多臺處理機并發(fā)地執(zhí)行一個作業(yè)，使得執(zhí)行速度比單處理機快；有時候，使用使用多處理機的主要目的是提高可靠性而不是高性能，如果某臺處理機出現(xiàn)故障，那么它的程序可以由系統(tǒng)中其它處理機來執(zhí)行。6. 多處理機有兩種基本的結(jié)構(gòu)：共享存儲器結(jié)構(gòu)和本地存儲器結(jié)構(gòu)。共享存儲器方案中，存儲器和I/O 設(shè)備是獨立的子系統(tǒng)，為所有處理機所共享，這是實現(xiàn)信息交換和同步最簡單的辦法，任何兩臺處理機都可以通過共享存儲

52、器的單元實現(xiàn)通信。本地存儲器結(jié)構(gòu)每臺處理機都有自己的存儲器和I/O 設(shè)備，處理機之間通過點對點的信息交換實現(xiàn)通信。7. 多處理機的主要特點包括：（1） 結(jié)構(gòu)的靈活性。與SIMD計算機相比，多處理機的結(jié)構(gòu)具有較強的通用性，它可以同時對多個數(shù)組或多個標量數(shù)據(jù)進行不同的處理，這要求多處理機能夠適應(yīng)更為多樣的算法，具有靈活多變的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。（2） 程序并行性。并行處理機實現(xiàn)操作一級的并行，其并行性存在于指令內(nèi)部，主要用來解決數(shù)組向量問題；而多處理機的并行性體現(xiàn)在指令外部，即表現(xiàn)在多個任務(wù)之間。（3） 并行任務(wù)派生。多處理機是多指令流操作方式，一個程序中就存在多個并發(fā)的程序段，需要專門的程序段來表示它們的并發(fā)關(guān)系以控制它們的并發(fā)執(zhí)行，這稱為并行任務(wù)派生。（4） 進程同步。并行處理機實現(xiàn)操作級的并行，所有處于活動狀態(tài)的處理單元受一個控制器控制，同時執(zhí)行共同的指令，工作自然同步；而多處理機實現(xiàn)指令、任務(wù)、程序級的并行，在同一時刻，不同的處理機執(zhí)行著不同的指令，進程之間的數(shù)據(jù)相關(guān)和控制依賴決定