集美大学计算机体系结构复习提纲.docx
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集美大学计算机体系结构复习提纲
一：
概念与简答：
现代计算机系统的层次结构分为六级：
系统结构：
从程序设计者的角度所看到的系统的属性，即概念性结构和功能特性。
计算机系统结构：
1、CA与CO,CI三者的相互影响
计算机系统结构（CA）也称计算机系统的体系结构，指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构与功能特性（外特性）；
计算机组成（CO）指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等；
计算机实现（CI）指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，微组装技术，信号传输，电源，冷却及整机装配技术。
重点：
CA、CO、CI三者互不相同，但又相互影响，相同系统结构可因速度，价格要求不同而采用不同组成，采用不同的系统结构会使可以采用的组成技术产生差异，组成、实现（器件技术）的发展也影响系统结构，组成要考虑系统结构和实现，决定于结构，受限于实现，组成与实现不是被动的，可以折中权衡。
一种组成可以有多种不同的实现方法，结构不同采用的组成技术也就不相同。
2、计算机系统的设计思路
（1）由上往下设计方法
由上往下设计，是一种环境要求比较稳定的专用机的设计方法，无法用于通用机的设计，设计周期比较长。
（2）由下往上设计方法
由下往上设计，它是先不管要求，只是根据目前能用的器件，参照吸收已有的各种机器特点，将微程序机器级和传统机器级研制出来。
这是一种通用机的设计方法，但是这样研制出的机器的有些性能指标往往是虚假的。
（3）从中间开始向两边设计方法
这是通用机一般采用的方法，由中间开始向两边设计，它可以克服“由上往下”和由下往上设计方法中，软硬件设计分离和脱节的致命缺点，这是一种交互式设计方法，要求设计者同时具备丰富的软硬件和应用等方面的知识，同时还要具备有效的软件设计环境和开发工具。
3.、软件可移植的方法
（1）统一高级语言
（2）采用系列机（3）模拟和仿真
4、并行性的含义，级别
我们把解题中具有同时进行运算或操作的特性,称为并行性。
包括同时性和并发性二重含义.
同时性:
两个或多个事件在同一时刻发生.
并发性:
两个或多个事件在同一时间间隔内发生.。
从不同角度，并行性具有不同的等级。
（1）从计算机系统中执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可以分为四级。
它们分别是：
指令内部——一条指令内部各个微操作之间的并行。
取决于硬件和组成的设计
指令之间——多条指令的并行执行。
解决和处理好指令之间存在的相互关联.
任务或进程之间——多个任务或程序段的并行执行。
任务分解
作业或程序之间——多个作业或多道程序的并行。
并行算法
（2从计算机系统中处理数据的并行性来看，并行性等级从低到高可以分为：
1.位串字串——同时只对一个字的一位进行处理，这通常是指传统的串行单处理机，没有并行性。
2.位并字串——同时对一个字的全部位进行处理，这通常是指传统的并行单处理机，开始出现并行性。
3.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。
4.全并行——同时对许多字的全部或部分位组进行处理。
（3）并行性是贯穿于计算机信息加工的各个步骤和阶段的，从这个角度来看，并行性等级又可分为：
1.存贮器操作并行——可以采用单体多字、多体单字或多体多字方式,典型的例子就是并行存贮器系统和以相联存贮器为核心构成的相联处理机.。
2.处理器操作步骤并行——处理器操作步骤在时间上重叠流水地进行。
典型的例子就是流水线处理机。
3.处理器操作并行——为支持向量、数组运算，典型的例子就是阵列处理机。
4.指令、任务、作业并行——指令级以上的并行是多个处理机同时对多条指令及有关的多数据组进行处理，典型的例子是多处理机。
5、并行性开发的3种途径
时间重叠、资源重复、资源共享
6、FLnn分类法
据此，把计算机系统分成单指令流单数据流（SISD）、单指令流多数据流（SIMD）、多指令流单数据流（MISD）、多指令流多数据流（MIMD）四大类。
第二章
1、Huffman编码与扩展操作码
2、RISC和CISC的原则，特点，比较。
（1）RISC
CISC存在的问题：
指令系统庞大
许多指令的操作复杂，执行速度很低
难以优化生成高效机器语言程序，编译程序也太大，太复杂
指令的使用频度都不会太高，相当一部分指令的利用率很低，有80%的指令只有在20%的运行时间里用到，降低了系统的性能价格比。
（2）CISC
原则：
1、确定指令系统时，只选择使用频度很高的那些指令，一般不超过100条。
2、大大减少指令系统可采用的寻址方式的种类，一般不超过两种。
3、让所有指令都在一个机器周期内完成。
4、扩大通用寄存器的个数，以尽可能减少访存操作
5、为提高指令执行速度，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。
6、以简单有效的方式来支持高级语言的实现。
特点：
1、有限、简单的指令集
2、CPU配备大量的通用寄存器
3、强调对指令流水线的优化
4、使用等长指令（即：
不需要解析指令）
5、寻址方式少，绝不出现存储器间接寻址
6、指令集中指令数一般少于100条，指令格式少于4种
7、指令功能简单，控制器多采用硬布线方式等。
（3）比较
从硬件角度来看CISC处理的是不等长指令集，它必须对不等长指令进行分割，因此在执行单一指令的时候需要进行较多的处理工作。
而RISC执行的是等长精简指令集，CPU在执行指令的时候速度较快且性能稳定。
因此在并行处理方面RISC明显优于CISC，RISC可同时执行多条指令，它可将一条指令分割成若干个进程或线程，交由多个处理器同时执行。
由于RISC执行的是精简指令集，所以它的制造工艺简单且成本低廉。
从软件角度来看，CISC运行的则是我们所熟识的DOS、Windows操作系统。
而且它拥有大量的应用程序。
因为全世界有65%以上的软件厂商都基于CISC体系结构的PC及其兼容机服务的，象赫赫有名的Microsoft就是其中的一家。
而RISC在此方面却显得有些势单力薄。
虽然在RISC上也可运行DOS、Windows，但是需要一个翻译过程，所以运行速度要慢许多。
第三章
1、总线控制方式3种
1.程序控制输入输出（包括全软的、程序查询状态驱动的、中断驱动的几种）
2.直接存贮器访问（DMA）
3.I/O处理机方式
2、中断分类、优先级、响应和屏蔽
（1）中断分类
引起中断的各种事件称为中断源。
所谓中断响应就是允许其中断CPU现行程序的运行，转去对该请求进行预处理，包括保存好断点现场，调出有关处理该中断的中断处理程序，准备运行。
中断分类：
内部中断、外部中断、软件中断
以IBM370为例，它把中断分成机器校验、管理程序调用、程序性、外部、输入/输出和重新启动6类。
前5类中断只发生在CPU处于运行状态时，而重新启动不论CPU是处于停止状态还是处于运行状态都可以发生。
机器校验中断告诉程序发生了设备故障。
可用64位机器校验中断码以指明故障原因和严重性，更为详细的中断原因和故障位置可由机器校验保存区的内容提供。
这里包含有电源故障、运算电路的误动作、主存出错、通道动作故障、处理器的各种硬件故障等等。
访管中断是在用户程序需要操作系统介入时，通过执行“访管”指令时发生的，访管原因由“访管指令”中的8位码指明。
程序性中断是包括指令和数据的格式错、程序执行中出现异常（非法指令、目态下使用管态指令、主存访问方式保护、寻址超过主存容量、各种溢出、除数为“0”、有效位为0等）以及程序的事件记录、监督程序对事件的检测引起的中断等。
外中断来自机器外部，它包括各种定时器中断、外部信号中断及中断键中断。
各种定时器中断用以计时、计费、控制等。
外部信号中断主要用于与其他机器和系统的联系。
中断键则用于操作员对机器的干预。
这些外中断又可再分成两类：
一类是若未被响应继续保留，另一类如不响应则不再保留。
输入/输出中断是CPU与I/O设备及通道联系的工具，在输入输出操作完成、I/O通道或设备产生故障时发出。
程序性、外部、I/O这3类中断的中断码均为16位。
重新启动中断是为操作员或另一台CPU要启动一个程序所用。
CPU不能禁止这种中断。
（2）优先级
由于中断源很多，它们相互独立而随机地发出中断请求，因此常常会同时发生多个中断请求。
对于同一类型中的各中断请求，其响应和处理仍有其优先次序，但通常不由中断系统的硬件而是由其软件或通道来管理。
而对于不同类型的中断，就要根据中断的性质、紧迫性、重要性以及软件处理的方便性把它们分为几级。
中断系统按中断源的级别高低来响应。
通常优先级最高的中断定为一级，其次是二级，再次是三级……优先级高、低的划分，不同机器有所差异，一般把机器校验安排为第一级，程序性和管理程序调用为第二级，外部为第三级，输入输出为第四级，重新启动一般为最低级。
IBM370中断响应的优先次序：
紧急的机器校验，管理程序调用和程序性，可抑制的机器校验，外部，输入输出，重新启动。
以上讲的是在同时发生多个不同中断类的中断请求时，中断响应硬件中的排队器所决定的响应次序。
然而，中断的处理要由中断处理程序来完成，而中断处理程序在执行前或者执行中是可以被中断的。
这样，中断处理完的次序就可以不同于中断的响应次序。
一
（3）响应和屏蔽
般在处理某级中的某个中断请求时，与它同级或比它低级的中断请求是不能中断它的处理的，只有比它高级的中断请求才能中断其处理，让CPU转去响应和处理，然后再返回来继续处理原来的那个中断请求。
中断响应的次序由于是用排队器硬件实现的，所以响应次序总是由高到低固定死的。
为了能根据需要，由操作系统控制改变实际的中断处理次序，很多机器都设置了中断级屏蔽位寄存器硬件，以决定是否让某级中断请求进入中断响应排队器排队。
只要能进入中断响应排队器的中断请求，总是让级别高的优先得到响应。
另外，程序状态字中还包含有中断级屏蔽位字段。
只要操作系统对每一类中断处理程序的现行程序状态字中的中断级屏蔽位设置成不同状态，就可以实现所希望的中断处理次序。
假设系统共有4个中断级，相应地每一级中断处理程序的现行程序状态字中都设有4位中断级屏蔽位。
1－－对该级的各个中断请求都开放，允许其进入中断排队器排队
0－－对该级的各个中断请求都屏蔽，不让其进入中断排队器排队
要想让各级中断处理次序和各级中断响应次序都是1234，就只需将各级中断处理程序状态字中的中断级屏蔽位按以下状态设置好即可。
3、通道处理机工作原理（画图）
工作原理：
通道方式的输入输出过程：
1.用户在目态中安排广义I/O指令（包括访管指令和参数）
2.当目态程序执行在访管指令后，产生访管中断。
3.CPU响应中断，第一次转管态，运行目态程序
4、编制通道程序，管理程序
5、执行“启动”I/O‘指令选择通道，校验第一条通道指令格式，选择设备并启动通道及设备。
6、通道启动后，
1）CPU退出管态，运行目态程序
2）通道与设备开始传送数据
7、通道传送结束，向CPU发I/O中断。
8.CPU响应中断，第二次转管态，对刚才的通道做”善后“处理
9.返回目态，运行目态程序。
主要状态转换：
1、进管态，编制通道程序（目——管态）
2、启动，选择设备期（管态——目态）
3、数据传送期（目态）
4、传送结束，中断（管态——目态）
只需两次转管，系统多个通道，多种外设可充分并行
4、通道类型及流量计算
（1）通道类型
根据多台设备共享通道的不同情况,将通道分为三种类型:
字节多路通道是一种简单的共享通道,主要为多台低速或中速外围设备服务。
采用分时方式工作,依靠它与cpu之间的高速数据通路分时为多台设备服务.
选择通道适合优先级高的磁盘。
高速外围设备必须设置专门的通道在一段时间内单独为一台外围设备服务,但在不同的时间内仍可以选择不同的设备.一旦选中某一设备,通道就进入忙状态,直到该设备的数据传输工作全部结束为止.只有一套完整的硬件,逐个为物理上连接的几台高速外围设备服务.，独占通道。
数据传送以成块方式。
“数据宽度”为可变长块，一次将N个字节全部传送完。
数组多路通道把上面的字节多路通道和选择通道的特性结合起来就成为数组多路通道.
适合磁盘。
这些设备的传送速率很高，但开始前的寻址辅助操作时间很长。
它每次选择一个高速设备后传送一个数据块,并轮流为多台外围设备服务.成组交叉方式工作。
“数据宽度”为定长块。
传送完定长K个字节数据后就重新选择下个设备进行K个字节数据的传送。
（2）流量计算
通道流量是指通道在数据传送期内，单位时间内传送的字节数。
它能达到的最大流量称通道极限流量。
一个通道能达到的极限流量与其工作方式、数据传送期内选择一次设备的时间TS和传送一个字节的时间TD的长短有关。
字节多路通道每选择一台设备只传送一个字节
通道极限流量fmax·byte=1/（TS+TD）。
数组多路通道每选择一台设备只传送K个字节，如果要传送N个字节，就得经［N/K］次传送才行，每次都要花去一个选择设备的时间TS，
通道极限流量fmax·block=K/（TS+KTD）=1/（ＴS/K+TD）。
选择通道每选择一台设备就把N个字节全部传送完，
其通道极限流量fmax·select=N/（TS+NTD）=1/（TS/N+TD）。
显然，若通道的TS、TD一定，且N>K时，字节多路方式工作时所能达到的极限流量最小，数组多路方式工作的居中，选择方式工作的最大。
5、通道流量分析原则（暂时没找到这个内容，那就参考书本106页，整理人：
罗忠霖）
第四章
1、存储体系，性能参数
计算机存储系统三个基本参数：
存储容量S：
以字节数表示，单位为B、KB、MB、GB、TB等。
存储器速度T：
存储器访问周期，与命中率有关。
存储器价格C：
表示单位容量的平均价值单位为＄C/bit或＄C/KB。
性能的基本要求：
大容量、高速度、低价格
存贮器容量SM=W·l·m。
W--存贮体的字长（单位为位或字节）l--每个存贮体的字数
m--并行工作的存贮体个数。
存贮器的速度可以用访问时间TA、存贮周期TM和频宽（也称带宽）Bm来描述。
TA存贮器从接到访存读申请，到信息被读到数据总线上所需的时间。
TM连续启动一个存贮体所需要的间隔时间，它一般总比TA大。
存贮器频宽Bm:
存贮器可提供的数据传送速率，一般用每秒钟传送的信息位数（或字节数）来衡量.
最大频宽Bm:
存贮器连续访问时能提供的频宽。
单体的Bm=W/TM。
m个存贮体并行工作时可达到的最大频宽Bm=W·m/TM。
实际频宽往往要低于最大频宽。
存贮器的价格可以用总价格C或每位价格c来表示。
具有Sm位的存贮器每位价格c=C/Sm。
存贮器价格包含了存贮单元本身及为该存贮器操作所必须的外围电路的价格。
主存最大频宽Bm=W/TM
2、3种虚存管理方式的异同
段式管理页式管理段页式管理
3、堆栈型替换算法
这是对某些替换算法的统称。
如果某些算法在同一地址流同一时刻的小容量分区情况下的保留页面集合必是大容量分区情况下的保留页面集合的子集（当容量超过虚页总数时，保留页面集合相同），则小容量下的命中点到大容量情况下仍然是命中点，并且随着容量加大，还可能会有新的命中点产生。
具有这一特性的一类替换算法中成为“堆栈型算法”。
4、虚存与缓存层次的不同比较
5、影响命中率的因素
（一）页面大小
（二）主存容量
（三）页面调度方式
（四）程序在执行过程中的页地址流分布情况（程序本身决定）
（五）所采用的页面替换算法（LFU）
第五章
1、相关及其分类，处理方法
1.指令相关的处理
要判断是否发生了指令相关,要把每一条指令的执行结果地址与先行操作栈中,指令分析器和先行指令缓冲栈中的所有指令地址进行比较.如果发现相关,则在修改主存相关单元的同时,也要修改先行操作栈或指令分析器或先行指令缓冲栈中的相关指令.
解决指令相关的根本办法:
在程序设计中不允许修改指令.
2.主存空间数相关的处理
相邻两条指令之间出现要求对主存同一单元先写入而后再读出的关联.
在大多数处理机中,运算结果一般都写入通用寄存器,而不写入主存.主存操作数相关出现的概率比较小.
解决办法:
推后处理法.
在设置有存储控制器的处理机中,把”写结果”的优先级安排得高于”读操作数”的优先级.由于存控响应访问请求是定时进行的,它在一个周期的最末尾处对这一个周期这的所有访问源进行排队.
3.通用寄存器组相关的处理
通用寄存器存放操作数,也存放变址,基址.
存放在通用寄存器中的基址或变址一般总是在”分析”周期的前半段就要取出;而操作数则是在”分析”周期的末尾的后半段取出,到”执行”周期的前半段才真正用上;运算结果在”执行”周期的末尾才形成,并送入通用寄存器.
通用寄存器数相关的情况和处理办法
解决办法:
1）分析周期推后一个周期执行.
顺序串行实现简单运算速度的损失较大
2）分析指令仅仅推后一个节拍
3）设置专用数据通路.
2、流水线的性能参数——时空图
3、流水线的调度
流水是重叠的引申：
一次重叠：
把一条指令的解释分为两个子过程，同时解释两条指令。
流水：
把一条指令的解释分为多个子过程，同时解释多条指令。
静态流水线:
在某个时间内各段只能按一种功能连接流水,只有等流水线全部流空后才能切换成按另一种功能来连接.
动态流水线:
各功能段在同一时间内可按不同的运算或功能连接.
4、向量链接技术：
条件
链接技术条件：
1、无源向量冲突、功能部件冲突；2有先写后读冲突
第六章
1、并行处理机概念、分类、特点
并行处理机（阵列处理机）:
通过重复设置大量相同的处理单元PE,将它们按一定方式互连成阵列,在单一控制部件CU控制下,对各自所分配的不同数据并行执行同一指令规定的操作.
操作级并行的SIMD计算机，PE:
不带指令控制部件的算术逻辑运算部件,使用按地址访问的随机存储器.，主要用于对大量向量,数组要求进行高速运算的场合.
Flynn分类法：
单指令流，单数据流（SISD）—这就是一个单处理器；
单指令流，多数据流（SIMD）—同一指令由多个处理器执行，这些处理器使用不同数据流，有各自的数据内存（因此多数据），但共享一个指令内存和控制处理器（负责存取和发送指令）。
处理器通常是专用的，不要求通用性；
多指令流，单数据流（MISD）—这种类型的商用机器目前尚未出现，今后也许有可能；
多指令流，多数据流（MIMD）—每个处理器存取自己的指令，操作自己的数据。
它们通常就是普通的微处理器。
2、并行处理机的互联网络
这是一个三维的情形。
立方体的每一个顶点（网络的节点）代表一个处理单元，共有8个处理单元，用zyx三位二进制码编号。
它所能实现的入、出端连接如同立方体各顶点间能实现的互连一样，即每个处理单元只能直接连到其二进制编号的某一位取反的其他3个处理单元上。
如010只能连到000、011、110，不能直接连到对角线上的001、100、101、111。
所以，三维的立方体单级网络有3种互连函数：
Cube0、Cube1和Cube2。
其连接方式如图6.10中的实线所示。
Cubei函数表示相连的入端和出端的二进制编号只在右起第i位（i=0,1,2）上有差别，即仅在该位上的代码“0”、“1”互反，其余各位代码都相同。
推广到n维的情形，N个节点的立方体单级网络共有n=log2N种互连函数，即
式中，0≤i≤n-1，Pi为入端号二进制码的第i位。
当维数n＞3时，称为超立方体（HyperCube）网络。
对于N=8的三维PM2I互连网络的互连函数有PM2+0、PM2-0、PM2+1、PM2-1、PM2±2等5个不同的互连函数，它们分别为：
PM2+0:
（01234567）
PM2-0:
（76543210）
PM2+1:
（0246）（1357）
PM2-1:
（6420）（7531）
PM2±2:
（04）（15）（26）（37）
有的阵列处理机采用单向环网或双向环网实现处理器的互连，可以看成是PM2I网络的特例，它仅使用了其中的PM2+0、PM2-0或PM2±0互连函数。
不难看出，ILLIACⅣ处理单元的互连也是PM2I互连网络的特例，只采用了其中的PM2±0和（即PM2±3）4个互连函数。
PM2I单级网络的最大距离为［n/2］。
以上面的三维PM2I互连网络的例子就可以看出，最多只要二次使用，即可实现任意一对入、出端号之间的连接。
3、——函数，图形，分类（课本213到226）、
4、多级互联网络：
举例、3个参数（课本228）注释：
这章看课本吧，比较具体，我就不弄了！
（罗忠霖）
互联网络的主要特性参数：
网络规模：
网络中结点的个数称为网络规模，它表示该网络所能连接的部件多少。
结点度：
与结点相连接的边数称为结点度，包括入度（进入结点的边数）和出度（从结点出来的边数）
距离：
两个结点之间相连的最少边数
网络直径：
网络中任意两个结点之间距离的最大值
多级互连网络
交换开关是具有两个入端和两个出端的交换单元，用作各种多级互连网络的基本构件。
不论入端或出端，如果令居于上方的都用i表示，居于下方的都用j表示，则可以定义下列4种开关状态或连接方式：
（1）直连——i入连i出，j入连j出；
（2）交换——i入连j出，j入连i出；
（3）上播——i入连i出和j出，j入悬空；
（4）下播——j入连i出和j出，i入悬空。
只具有前两种功能的称二功能交换单元，具有全部4种功能的称四功能交换单元。
两个入端同时连到一个出端的情形是不允许的，因为会发生信息传送的冲突现象。
此外，还可以有第5种开关状态，即i入连j入，i出连j出，称此为返回。
它可用来实现入端与入端相连，出端与出端相连，从而将N个入端和N个出端的网络变为2N个处理单元的互连网络。
拓扑结构是指各级之间出端和入端相互连接的模式。
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