計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考試各章總結(jié)

第一章計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)：第0級和第1級是具體實現(xiàn)機器指令功能的中央控制部分，第2級是創(chuàng)痛機器語言機器，第3級是操作系統(tǒng)機器，第4級是匯編語言機器，第5級是高級語言機器，第6級是應(yīng)用語言機器。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)式AMDAHL等人在1964年提出的，主要研究軟件，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，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)。Flynn分類法：指令流：機器執(zhí)行的指令序列。數(shù)據(jù)流：由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)而后中間結(jié)果。多倍性：在系統(tǒng)最受限制的原件上同時處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)。分為：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。訪問的局部性原理：實質(zhì)是：根據(jù)程序的最近情況，可以精確地預(yù)測出最近的將來將要用到哪些指令和數(shù)據(jù)。局部性分為：時間上的局部性和空間上的局部性。時間上的局部性是指最近訪問過得代碼是不久將被訪問的代碼?？臻g上的局部性是指那些地址上相鄰的代碼可能會被一起訪問。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的評價標(biāo)準(zhǔn)：性能和成本。第二章數(shù)據(jù)表示研究的是計算機硬件能夠直接識別，可以被指令系統(tǒng)直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究的是面向系統(tǒng)軟件，面向應(yīng)用領(lǐng)域所處理的各種數(shù)據(jù)類型，研究這些數(shù)據(jù)類型的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，并給出相應(yīng)的算法。浮點數(shù)的表示方式兩個數(shù)值：m：數(shù)制（小數(shù)或整數(shù)）和碼制（原碼或補碼）；階碼e：整數(shù)，移碼（偏碼、增碼、余碼）或補碼。兩個基值：尾數(shù)基值rm：2、4、8、16和10進制等；階碼基值re：通常為2進制。兩個字長：長度和物理位置，均不包括符號位尾數(shù)長度p：尾數(shù)部分按基值計算的長度。階碼長度q：階碼部分的二進制位數(shù)。性質(zhì)有：表示范圍：表示精度：表示效率：主要的尋址方式：立即數(shù)尋址，寄存器尋址，主存尋址（包括直接尋址，間接尋址，變址尋址），堆棧尋址。Huffman原理最短碼長度公式為：RISC的特點如下：（1）大多數(shù)指令在單周期內(nèi)完成2）LOAD/STORE結(jié)構(gòu)3）硬布線控制邏輯4）減少指令和尋址方式的種類5）固定的指令格式6）注重編譯的優(yōu)化。RISC的關(guān)鍵技術(shù)：延時轉(zhuǎn)移技術(shù)；指令取消技術(shù)；重疊寄存器窗口技術(shù)；指令流調(diào)整技術(shù)；以硬件為主固件為輔第三章1.直接相聯(lián)映象主要優(yōu)點：1）硬件實現(xiàn)很簡單，不需要相聯(lián)訪問存儲器。2）訪問速度也比較快，實際上不做地址變換。主要缺點：塊的沖突率較高。組相聯(lián)映象優(yōu)點：1）塊的沖突概率比較低。2）塊的利用率大幅度提高。3）塊失效率明顯降低。缺點：實現(xiàn)難度和造價要比直接映象方式高。段相聯(lián)映象主要優(yōu)點：1）段表比較簡單，實現(xiàn)的成本低。2）如一個容量為256KB的Cache，分成8個段，每段2048塊，每塊16B。在段表存儲器中只需要存儲8個主存地址的段號S。而其它映像方式在塊表中要存儲8x2048個區(qū)號（相當(dāng)于段號），兩者相差2000多倍。主要缺點：當(dāng)發(fā)生段失效時，要把本段內(nèi)已經(jīng)建立起來的映象關(guān)系全部撤消。幾種頁面替換算法隨機算法；算法最簡單，而且容易實現(xiàn)先進先出算法；近期最少使用算法；最久沒有使用算法；最優(yōu)替換算法；在虛擬存儲器中，實際上采用的只有FIFO和LFU兩種算法。三種地址映像和變換及特點。段式虛擬存儲器頁式虛擬存儲器段頁式虛擬存儲器地址映像和地址變換的概念地址映象：把虛擬地址空間映象到主存地址空間地址變換：在程序運行時，把虛地址變換成主存實地址（內(nèi)部地址變換）或磁盤存儲器地址（外部地址變換）。外部地址變換和內(nèi)部地址變換的含義。內(nèi)部地址變換：在程序運行時，把虛地址變換成主存實地址。外部地址變換：在程序運行時，把虛地址變換成磁盤存儲器地址。第四章3種基本輸入輸出方式是什么,有什么特點。程序控制輸入輸出方式；特點：1）何時對何設(shè)備進行輸入輸出操作受CPU控制2）CPU要通過指令對設(shè)備進行測試才能知道設(shè)備的工作狀態(tài)。3）數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過CPU4）用于連接低速外圍設(shè)備，如終端、打印機等中斷輸入輸出方式；特點：1）CPU與外圍設(shè)備能夠并行工作。2）能夠處理例外事件。3）數(shù)據(jù)的輸入和輸出都要經(jīng)過CPU。4）用于連接低速外圍設(shè)備。直接存儲器訪問方式；特點：

外圍設(shè)備的訪問請求直接發(fā)往主存儲器，數(shù)據(jù)的傳送過程不需要CPU程序的干預(yù)。全部用硬件實現(xiàn)，不需要做保存現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場等工作，工作速度快。DMA控制器復(fù)雜，需要設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器、設(shè)備狀態(tài)控制寄存器、主存地址寄存器、設(shè)備地址寄存器和數(shù)據(jù)交換個數(shù)計數(shù)器及控制邏輯等。在DMA方式開始和結(jié)束時，需要處理機進行管理。中斷屏蔽的實現(xiàn)方法主要有兩種：方法一：每級中斷源設(shè)置一個中斷屏蔽位。方法二：改變處理機優(yōu)先級例4.3：有四個中斷源D1、D2、D3和D4,它們的中斷優(yōu)先級從高到低分別是1級、2級、3級和4級。這些中斷源的正常中斷屏蔽碼和改變后的中斷屏蔽碼見下表。每個中斷源一位，共4位屏蔽碼。解：如果4個中斷源都使用正常的中斷屏蔽碼，處理機的中斷服務(wù)順序?qū)?yán)格按照中斷源的中斷優(yōu)先級進行。如果改變中斷屏蔽碼，當(dāng)D1、D2、D3和D4這4個中斷源同時請求中斷服務(wù)時，處理機實際為各個中斷源服務(wù)的先后次序就會改變。處理機響應(yīng)的順序是D1、D2、D3、D4實際服務(wù)的順序是D4、D3、D2、D1通道種類：字節(jié)多路通道，選擇通道和數(shù)組多路通道。理解3種通道的流量計算公式，會計算通道的實際流量。p?n—1z/甘/以、Ts：設(shè)備選擇時間。TD：傳送一個字節(jié)'maBYTE~(TS+TD)?p?nTs+Td子Ts：設(shè)備選擇時間。TD：傳送一個字節(jié)f=m=一1一字節(jié)/秒P：一個通道上的設(shè)頃數(shù)OCK—(TS/k+TD)-p-n—TS/k+Td子節(jié)/秒n：每個設(shè)備傳送的/幽時岫(ts/n+TP：一個通道上的設(shè)頃數(shù)OCK—(TS/k+TD)-p-n—TS/k+Td子節(jié)/秒n：每個設(shè)備傳送的字節(jié)數(shù)。K:一個數(shù)據(jù)塊中的字節(jié)數(shù)。為保證通道不丟失數(shù)據(jù)，通道的實際流量應(yīng)不大于通道最大流量：fBYTE<fMAXBYTEfSELETE<fMAXSELETEfBLOCK<fMAXBLOCK4,了解例4.5：一個字節(jié)多路通道連接D1、D2、D3、D4、D5共5臺設(shè)備，這些設(shè)備分別每10us、30us、30us、50us和75us發(fā)出一次數(shù)據(jù)傳送請求。計算這個通道的實際流量和工作周期。如果這個字節(jié)多路通道的最大流量正好等于通道實際流量，并假設(shè)數(shù)據(jù)傳輸率高的設(shè)備，其優(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)的時間圖，并計算處理完各設(shè)備的第一次請求的時刻。從時間圖中發(fā)現(xiàn)什么問題？如何解決？解：通道的實際流量為：

fBYTE=(1/10+1/30+1/30+1/50+1/75)MB/S=0.2MB/S通道的工作周期為：t=1/fBYTE=5us處理完各設(shè)備這個第一次請求的時間：D1：5us；D2：10us；D3：20us；D4：30us。D5的第一次請求沒有響應(yīng)，數(shù)據(jù)丟失。D5的第一次請求沒有得到響應(yīng)的原因分析對所有設(shè)備的請求時間間隔取最小公倍數(shù)，在這一段時間內(nèi)通道的流量是平衡的?？梢圆扇∠铝蟹椒ǎ悍椒ㄒ唬涸黾油ǖ赖淖畲蠊ぷ髁髁?。例如，把通道的工作流量增加到0.25MB/S(工作周期為4us)。方法二：動態(tài)改變設(shè)備的優(yōu)先級。例如，在30us至70us之間臨時提高設(shè)備D5的優(yōu)先級。方法三：增加緩沖存儲器。例如，只要為設(shè)備D5增加一個數(shù)據(jù)緩沖寄存器，它的第一次請求可以在第85us處得到響應(yīng)，第二次請求可以在第145us處得到響應(yīng)。第五章流水線的特點：a.在流水線的每個功能部件后面都要有一個緩沖寄存器，或稱為鎖存器，閘門寄存器等，作用是保存本流水段的執(zhí)行結(jié)果°b.流水線中各段的時間應(yīng)盡量相等，否則將引起堵塞斷流等。C.只有連續(xù)不斷的提供同種任務(wù)才能充分發(fā)揮流水線的效率，d.流水線需要有裝入時間和排空時間。流水段相等時，加速比、效率和吞吐率的關(guān)系,計算。TP=TP=吞吐率：(k+nTW加速比:k?ne=k+n一1效率：k+n—1關(guān)系：E=TP?Dt，S=k?E非線性流水線的調(diào)度非線性流水線調(diào)度的任務(wù)是要找出一個最小的循環(huán)周期，按照這周期向流水線輸入新任務(wù)，流水線的各個功能段都不會發(fā)生沖突，而且流水線的吞吐率和效率最高。例5.3：一條4功能段的非線性流水線，每個功能段的延遲時間都相等，它的預(yù)約表如下：寫出流水線的禁止向量和初始沖突向量。畫出調(diào)度流水線的狀態(tài)圖。求最小啟動循環(huán)和最小平均啟動距離。求平均啟動距離最小的恒定循環(huán)。解：⑴禁止向量為：(2,4,6)初始沖突向量：S=101010(2)構(gòu)造狀態(tài)圖S邏輯右移2、4、6位時，不作任何處理，邏輯右移1、3、5和大于等于7時：S右移1位之后：010101V101010=111111,S右移3位之后：000101*01010=101111,S右移5位之后：000001*01010=101011,S右移7位或大于7位后：還原到它本身。101111右移5位之后：000001*01010=101011,101011右移3位之后：000101V101010=101111,101011右移5位之后：000001^101010=101011。11111110111131010101111111011113101010口動距離為4。。簡單循環(huán)：狀態(tài)圖中⑶最小的啟動循環(huán)各種沖突向量只經(jīng)過一次的啟動循環(huán)。修(1,7)和(3,5),條件分支對流水線性能的影響計算?？趧泳嚯x為4。。簡單循環(huán)：狀態(tài)圖中⑶最小的啟動循環(huán)假設(shè)條件轉(zhuǎn)移指令在一般程序中所占的比例為p,轉(zhuǎn)移成功的概率為qn條指令的總的執(zhí)行時間是：TK-IF=(n+k-1)At+npq(k-1)At有條件轉(zhuǎn)移影響的流水線吞吐率為：nTP=IF(n+k-1)At+npq(k-1)At有條件轉(zhuǎn)移影響的流水線最大吞吐率為：TPMAX-IF=(1+pq(k-1))AtTPmax-TPmax-IF=Pq(kT)流水線吞吐率下降的百分比為：D=TPg1+PQ(k-1)流水線各段執(zhí)行時間不相等的情況解決瓶頸：一是將“瓶頸”流水段細(xì)分(如果可分的話)，二是將“瓶頸”流水段重復(fù)設(shè)置。亂序流動方式中的數(shù)據(jù)相關(guān)。寫讀相關(guān)讀寫相關(guān)寫寫相關(guān)三種主流處理機：超標(biāo)量處理機超流水線處理機超標(biāo)量超流水線處理機以一臺k段流水線的普通標(biāo)量處理機為基隹超標(biāo)量劉理禮超流水線處理機和超標(biāo)量超流水線劉理郵I玫性能＞k段流水線標(biāo)戳旋機rn度超標(biāo)童處理機n度起砌線曜機渡超標(biāo)重觥機機毓水姬期1佃鐘周期1l/n'l/n同時發(fā)s拊旨令條數(shù)1條m1m指令發(fā)M等待時間■■1佃鐘周期.1l/nl/n指令級并行度叮1mnmXn7.多流水線的調(diào)度主要有三種方法:順序發(fā)射順序完成順序發(fā)射亂序完成亂序發(fā)射亂序完成弟六早向量處理機的結(jié)構(gòu)主要采用兩種方法：存儲器一存儲器結(jié)構(gòu)多個獨立的存儲器模塊并行工作處理機結(jié)構(gòu)簡單對存儲系統(tǒng)的訪問速度要求很高硬件結(jié)構(gòu)簡單造價低；速度相對較低寄存器一寄存器結(jié)構(gòu)運算通過向量寄存器進行需要大量高速寄存器對存儲系統(tǒng)訪問速度的要求降低向量鏈接技術(shù)(chaining)當(dāng)前一條指令的結(jié)果寄存器可以作為后繼指令的操作數(shù)寄存器時，多條有數(shù)據(jù)相關(guān)的向量指令并行執(zhí)行，這種技術(shù)稱為兩條流水線的鏈接技術(shù)。例如：有如下3條向量指令：1：V3—A2：V2—V0+V13：V4—V2XV3第1、2條指令沒有數(shù)據(jù)相關(guān)和功能部件沖突，可以同時開始執(zhí)行。第3條指令與第1、2條指令均存在寫讀數(shù)據(jù)相關(guān)，可以鏈接執(zhí)行。如果向量長度為N,三條指令采用串行方法執(zhí)行的時間為：[(1+6+1)+N-1]+[(1+6+1)+N-1]+[(1+7+1)+N-1]=3N+22拍如果前兩條指令并行執(zhí)行，第三條指令串行執(zhí)行，則執(zhí)行時間為：[(1+6+1)+N-1]+[(1+7+1)+N-1]=2N+15拍如果采用鏈接技術(shù)，則執(zhí)行時間為：(1+6+1)+(1+7+1)+(N-1)=17+N-1=N+16拍