計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復習要點

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復習要點

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是研究軟件、硬件和固件的功能分配，確定軟件和硬件的分界面，即哪些功

能用硬件實現(xiàn)，哪些功能用軟件實現(xiàn)。

計算機組成(ComputerOrganization)：也稱計算機組織，是在明確計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分配給

硬件的功能與概念性結(jié)構(gòu)之后，研究硬件系統(tǒng)各組成部分的內(nèi)部構(gòu)造和相互聯(lián)系，以實現(xiàn)機

器語言級指令的功能與特性。

計算機組成是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包括機器級內(nèi)部數(shù)據(jù)流和控制流的組成及其邏輯

設計等。

計算機實現(xiàn)(ComputerImplementation):是計算機組成的物理實現(xiàn)。

目前，計算機實現(xiàn)所涉及的主要內(nèi)容包括：

(1)處理機、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)

(2)器件的集成度和速度

(3)器件、模塊、插件、底板的劃分與連接

(4)專用器件的設計、微組裝技術

(5)信號傳輸、電源、冷卻及整機裝配技術以及有關的制造工藝和技術等

系列機指基本指令系統(tǒng)相同、基本體系結(jié)構(gòu)相同的一系列不同型號的計算機。

系列機的概念就是指先設計好一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而后就按這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計它的系統(tǒng)軟件，按

器件狀況和硬件技術研究這種結(jié)構(gòu)的各種實現(xiàn)方法。并按照速度、價格等不同要求，分別提

供不同速度、不同配置的各檔機器。系列機必須保證用戶看到的機器屬性一致。

馮?諾依曼計算機的主要特點如下：

(1)機器以運算器為中心。

(2)采用存儲程序原理。

(3)存儲器是按地址訪問的、線性編址的空間。

(4)控制流由指令流產(chǎn)生。

(5)指令由操作碼和地址碼組成。

(6)數(shù)據(jù)以二進制編碼表示，采用二進制運算。

馮?諾依曼結(jié)構(gòu)兩個最重要特征：

>指令驅(qū)動計算機內(nèi)部的信息流動

>計算機應用主要面向數(shù)值計算和數(shù)據(jù)處理

Flynn分類法把計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為4類：

>單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD)

>單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)

>多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD)

>多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)

四種定量分析技術的概念，及其相關計算：運用Amdahl定量的計算，CPI的計算

大概率事件優(yōu)先原則：對于大概率事件(最常見的事件)，賦予它優(yōu)先的處理權和資源使用

權，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。

Amdahl：優(yōu)化某部件所獲得的系統(tǒng)性能的改善程度，取決于該部件被使用的頻率，或所占

總執(zhí)行時間的比例。

系統(tǒng)性能轆后總執(zhí)行時間改進前

力口速比=~~''"'

系統(tǒng)性能觸前總執(zhí)行時間改進后

IB乜（1-瑪）+與1

%

了。為改進前的系統(tǒng)的總執(zhí)行時間;

Fe表示可改進部分比例；

Se表示改進部分的加速比。

_總執(zhí)彳亍時I旬改進1n________________1_______________

n=總執(zhí)行時間改心后一（!一可改進比例）+膂遴也@1

一邰件加速比

=_To_________1

~T^一（l-Fe）+-g7

【例1.2］若將計算機系統(tǒng)中某一部將的處理速度提高8倍，該部件處理時間占整個系統(tǒng)運

行時間的60%。試問該部件的處理速度提高后，整個系統(tǒng)的性能提高了多少？

解：根據(jù)題意，5e=8,￡=60%,則

Sn=-------r=---------------——“2.11

（1-1）+?，（1-0.6）+s

CPI=執(zhí)行程序所需的時鐘周期數(shù)/IC

IC：所執(zhí)行的指令條數(shù)

CPU時間=ICXCPIx時鐘周期時間

數(shù)據(jù)表示：能由機器硬件直接識別、可以被指令系統(tǒng)直接調(diào)用的數(shù)據(jù)類型。

通常是最常用，相對比較簡單的、用硬件實現(xiàn)相對比較容易數(shù)據(jù)類型。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：面向系統(tǒng)軟件、應用領域所需要處理的各種數(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)之間的關系，并給出相應的算法。

數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是數(shù)據(jù)類型的子集。

浮點數(shù):

5m：是尾數(shù)的符號位，占用一位；

Se：是階碼的符號位，占用一位；

e：是階碼的值，占用q位；

m：是尾數(shù)的值，占用p位。

指令格式優(yōu)化設計標準：

（1）節(jié)省程序的存儲空間。

（2）指令字格式具有規(guī)整性，對相似的操作做相同的規(guī)定。

（3）指令格式的對稱性。

（4）指令的高效性。

指令格式（組成）：操作碼+地址碼

指令分類：零地址指令、一地址指令、二地址指令、三地址指令。

操作碼的設計方法：固定操作碼、Huffman編碼，擴展編碼

RISC計算機的特點：

（1）大量使用通用寄存器。

（2）精簡指令書目并簡化其結(jié)構(gòu)。

（3）優(yōu)化的編譯系統(tǒng)。

（4）芯片大量使用硬布線邏輯。

（5）為了保證指令可以不間斷地傳送給cpu,很多采用RISC技術的系統(tǒng)都設置有高速緩

存。

四

單級存儲器的主要矛盾：速度越快，每位價格就越高。容量越大，每位價格就越低。容量越

大，速度越慢。采取多級存儲層次方法來解決。

從用戶的角度來看，存儲器的三個主要指標是：容量、速度和價格。

評價不同存儲層次的性能:存儲層次的平均每位價格C、命中率H、等效訪問時間T

存儲器是計算機的核心部件，其性能關系到整個計算機系統(tǒng)性能的高低

虛擬存儲器的工作原理：把程序分割成若干較小的段或頁，用映像表指明該程序的某段或頁

是否已裝入主存。程序執(zhí)行時，查映像表將程序虛地址變換成實際主存地址。

針對頁式虛擬存儲器判斷頁面的失效情況，并能夠計算出虛-實地址的對應關系

頁式虛擬存儲器的性能分析

提高虛擬存儲器性能關鍵在于主存的命中率H的提高。對于某道程序來說，影響主存命中

率H的主要因素包括：

a.程序在執(zhí)行過程中的頁地址流的分布情況；

b.所采用的頁面替換算法；

c.頁面的大小：當頁大小增加到一定值時，命中率反而降低，這是因為頁數(shù)減少了。

d.主存容量：當主存容量增加到一定時，主存容量對命中率H的提高影響不大了。

e：頁面調(diào)度算法

調(diào)度方式：

（1）分頁方式：一次裝入運行，命中率為100%,但主存的利用率會降低。

（2）請求頁式：當需要時才從硬盤裝入主RAM。這種方法RAM的利用率高，但命中率不

太間。

（3）預取式+請求頁相結(jié)合的調(diào)度方法。

頁式管理：把主存空間和程序空間都機械的等分成固定大小的頁，按頁順序編號。

頁式管理的優(yōu)點：

主存儲器的空間利用率比較高。

頁表比較簡單，大大簡化了映像表的硬件，節(jié)省了頁表的存儲量

地址映象與地址轉(zhuǎn)換速度比較快。

頁式管理缺點：

頁表很長，占用很大的存儲空間。

程序的模塊化性能不好。

程序和數(shù)據(jù)的保護不方便。

頁面替換算法：隨機替換算法，先進先出替換算法、近期最少使用算法、最久沒用使用算法。

Cache存儲系統(tǒng)的工作原理及其與虛擬存儲器之間的區(qū)別

工作原理：

在高速緩沖存儲器中把Cache和主存機械的分成大小相同的塊（或行）。每一塊由若干個字（或

字節(jié)）組成。

Cache與虛擬存儲器之間的區(qū)別:

Cache與主存之間以塊為單位進行數(shù)據(jù)交換，Cache中塊的大小通常以一個主存存儲周

期能對主存訪問到的數(shù)據(jù)量為限，一般是幾個到幾十個主存存儲字之間。虛擬存儲系統(tǒng)的頁

的大小在1K到幾十K存儲字之間。

兩級存儲器間的速度比不同。Cache存儲系統(tǒng)中，Cache的工作速度是主存工作速度的

3~10倍。虛擬存儲系統(tǒng)中，主存的工作速度是通常磁盤存儲器工作速度的105倍。

根據(jù)Cache存儲系統(tǒng)的映射關系，計算出主存塊號對應的Cache塊號

CPU與Cache存儲器和主存之間有直接通路，若CPU對Cache存儲器中的塊訪問未命中，

則CPU可直接訪問主存。但在虛擬存儲系統(tǒng)中，若CPU對主存中的頁訪問未命中，則CPU

需要等待要訪問的虛頁從磁盤存儲器調(diào)入主存后才能進行訪問。

Cache系統(tǒng)以提高存儲系統(tǒng)的速度為目標，因此，Cache系統(tǒng)中的各項管理功能需要采

用硬件實現(xiàn)；而虛擬存儲系統(tǒng)以擴大存儲系統(tǒng)的容量為目標，虛擬存儲系統(tǒng)中的管理功能更

多地依靠軟件實現(xiàn)。

Cache系統(tǒng)對系統(tǒng)程序員和應用程序員都是透明的，虛擬存儲系統(tǒng)僅對應用程序員是透

明的。

Cache存儲系統(tǒng)的性能分析

地址映像及變換方式/組織方式：

1.全相聯(lián)映像及其變換

2.直接映象及其變換

3.組相聯(lián)映象及其變換

4.段相聯(lián)映象

Cache系統(tǒng)加速比：

$=7；=1

*

tc為Cache的訪問時間，tm為主存周期，H為訪Cache的命中率，則Cache存儲器的等效

存儲周期為te=Htc+(l-H)tm,Cache系統(tǒng)的加速比為：

Cache與主存不一致性引起的原因和解決方法

原因：(1)CPU寫Cache,但沒有寫Memory。此時，若直接將Mem中的數(shù)據(jù)寫入HD,就

出問題。(2)I/O處理機一〉RAM,但沒有到Cache,在這種情況下，若直接訪問Cache中的數(shù)據(jù)

也將出問題。

解決方法：

(1)寫回法(Write-back)執(zhí)行“寫”操作時，被寫數(shù)據(jù)只寫入Cache,不寫入主存。僅

當Cache中相應的塊被替換時，才寫回主存。(設置“修改位”，當修改為為“1”時，替換

時必須寫回主存；當修改位為“0”時，不必寫回。)

(2)寫直達法(Write-through)執(zhí)行“寫”操作時，必須把數(shù)據(jù)同時寫入Cache和主存。

五

中斷處理過程

現(xiàn)行指令結(jié)束，且沒有更緊急的服務請求

關CPU中斷

保存斷點，主要保存PC中的內(nèi)容

撤消中斷源的中斷請求

保存硬件現(xiàn)場，主要是PSW及SP等

識別中斷源

改變設備的屏蔽狀態(tài)

進入中斷服務程序入口

保存軟件現(xiàn)場，在中斷服務程序中使用的通用寄存器等

開CPU中斷，可以響應更高級別的中斷請求

中斷服務，執(zhí)行中斷服務程序

關CPU中斷

恢復軟件現(xiàn)場

恢復屏蔽狀態(tài)

恢復硬件現(xiàn)場

開CPU中斷

返回到中斷點

根據(jù)中斷屏蔽碼求出中斷的實際處理順序

常用的通道種類，及其通道流量的計算

選擇通道：又稱高速通道，在物理上它可以連接多個設備，在某一段時間內(nèi)通道只能選擇一

個設備進行工作，傳輸完成后才為其他外圍設備傳輸數(shù)據(jù)。

TS：設備選擇時間

Di：通道正在為第i臺設備服務，i=l,2,…，p

TDi：通道傳送第i個數(shù)據(jù)所用的時間，i=l,2,n

總共所需要的時間：

Tselect：Ts/n+TD)P-n

字節(jié)多路通道：以字節(jié)交叉方式輪流為多個外設服務，以提高通道的利用率

TS：設備選擇時間

TD：傳送一個字節(jié)的時間

Dij：第i臺設備的第j個數(shù)據(jù)，i=l,2,?--,p；j=l,2,…，n?

Tbyte：共所需要的時間(TS+TD)-P-n

數(shù)組多路通道：以數(shù)組(數(shù)據(jù)塊)為單位在若干高速傳輸操作之間進行交叉復用。

TS：設備選擇時間

TDi：傳送第i個數(shù)據(jù)所用的時間(i=l,2,…，送

Di：通道正在為第i臺設備服務(i=l,2,p)

Tblock：總共所需要的時間為：(TS/k+TD)?P?n

<2%.=（7s4-7-o）-pn-7s+7z）字節(jié)’秒

f,=------------------------------=--------5-------字節(jié)/秒

mm,（八+n>）.p.〃TSM+TD

xMocit=mtk+TWpn=Ts/k+To字節(jié)'秒

六

一次重疊和二次重疊的定義，并根據(jù)其定義求出給定任務的完成時間

一次重疊:第i條指令的執(zhí)行階段和第i+1條指令的取指令階段同時進行

二次重疊:第i條指令的執(zhí)行階段、第i+1條指令的分析階段和第i+2條指令的取指令階段同

時進行。

先行控制處理機結(jié)構(gòu)、技術和原理

A先行指I令B沖棧~A指令分析口

存

主

他先行操作收

控

存

制

他先行浜改棧

a器

儲

后行與敗松

圖6-5采用先行控制技術的處理機結(jié)構(gòu)

先行控制技術：緩沖技術和預處理技術的結(jié)合。

1.二次重疊方式，指令執(zhí)行的三個階段的執(zhí)行時間不相等

2.先行控制方式中，指令執(zhí)行的三個階段的執(zhí)行時間不相等

原理：指令執(zhí)行過程中，只要前一條指令完成第一個功能段，就可以讀取下一條指令，而前

一條指令進入第二個功能段，以此類對，前面的指令一級一級地往后移動，后面的指令不斷

地流入，便形成了標量流水線工作方式。

鎖

鎖

存

輸入存執(zhí)行一輸出

器

取指令器

圖6-7一種典型的指令流水線

流水線的分類

按照流水線的級別來分：

(1)功能部件級流水線也稱為運算操作流水線

(2)處理機級流水線又稱指令流水線

(3)處理機間級流水線又稱宏流水線

按照是否有反饋回路來分

(1)線性流水線

(2)非線性流水線

按照功能的多少來分

(1)單功能流水線

(2)多功能流水線

按同一時間內(nèi)各段之間的連接方式來分

(1)靜態(tài)流水線

(2)動態(tài)流水線

流水線的性能分析：時空圖、吞吐率、加速比和效率

時空圖：描述流水線工作過程的二維坐標

吞吐率：在單位時間內(nèi)流水線所完成的任務數(shù)量或輸出結(jié)果的數(shù)量。

TP=N〃kn：任務數(shù)Tk：處理完成n個任務所用的時間TP：吞吐率

加速比:完成同樣一批任務，不使用流水線(順序執(zhí)行方式下)所用的時間與使用流水線所

用的時間之比。S=TO/Tk

效率：流水線中的設備實際使用時間與整個運行時間的比值，即流水線設備的利用率。

L,_ex+e2+■■■+ek__kex_knkt_n

==

'=kVkTk=k+n-\

標量處理機中的相關性、數(shù)據(jù)相關的判斷

資源相關、數(shù)據(jù)相關和控制相關。

資源相關:多條指令進入流水線后，同一時間爭用同一功能部件，從而發(fā)生的沖突

數(shù)據(jù)相關：又稱局部相關，僅涉及到相關指令的前后一條或幾條指令的執(zhí)行，即指令在流水

線中執(zhí)行時，使得原來對操作數(shù)的訪問順序發(fā)生變化，對數(shù)據(jù)的讀寫操作順序不同于指令在

順序方式下執(zhí)行時的順序，從而導致對數(shù)據(jù)的訪問發(fā)生錯誤。

⑴先寫后讀(RAW：ReadAfterWrite)

⑵先讀后寫(WAR：WriteAfterRead)

⑶寫后寫(WAW：WriteAfterWrite)

解決數(shù)據(jù)相關有兩種方法：推遲處理和設置專用路徑。

控制相關：又稱全局相關，由程序執(zhí)行轉(zhuǎn)移類指令而引起的相關。影響范圍比較大，會引起

程序執(zhí)行方向的改變。在流水線中，對流水線的吞吐率和效率的影響很大。

非線性流水線的預約表、禁止向量、初始沖突向量、啟動距離

預約表：一個二維表，用于描述一個任務在非線性流水線中對各個功能段的使用情況。

啟動距離：指向一條非線性流水線的輸入端連續(xù)輸入兩個任務之間的時間間隔，它通常用時

鐘周期數(shù)表示。

禁止向量:把預約表的每一行中任意兩個“X”之間的距離都計算出來，去掉重復的，將這

些數(shù)組成一個數(shù)列。

初始沖突向量：初始沖突向量用一個m位的二進制數(shù)表示，其中m表示禁止向量中的最大

值。對于一張k列的預約表，有mWk-lo通常初始向量用C=(CmCm-1…Cl)來表示，如

果i在禁止向量中，則Ci為1,否則Ci為0。

超標量處理機、超流水線處理機、超標量超流水線和超長指令處理機的定義。

超標量處理機：在一個時鐘周期內(nèi)能夠同時發(fā)射兩條或兩條以上指令的處理機。

單發(fā)射、多發(fā)射

超流水線處理機：在一個時鐘周期內(nèi)分時發(fā)射多條指令的處理機。

超標量超流水線：是超標量技術和超超處理機技術的結(jié)合，即在一個時鐘周期中分時發(fā)射n

條指令，每次同時發(fā)射n條。

超長指令處理機：指由編譯程序在編譯時找出指令潛在的并行性，并進行適當?shù)恼{(diào)度，將多

個可以并行執(zhí)行的操作組合在一起，成為一條具有多個操作段的超長指令去控制處理機中多

個互相獨立工作的功能部件，每個操作段控制一個功能部件，相當于同時執(zhí)行多條指令。

向量處理機結(jié)構(gòu)

向量處理機：將向量數(shù)據(jù)表示和流水線技術的結(jié)合，提高面向向量數(shù)組計算應用的計算機性

能。把兩個向量的對應分量進行計算，產(chǎn)生一個結(jié)果向量。

結(jié)構(gòu)：

1.存儲器一存儲器結(jié)構(gòu)

2.寄存器一寄存器結(jié)構(gòu)

向量處理機中多