02325计算机系统结构教学提纲.docx
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02325计算机系统结构教学提纲
02325计算机系统结构
02325计算机系统结构
第1章计算机系统结构的基本概念
1.1计算机系统的多级层次结构
1.2计算机系统结构、组成与实现
1.2.1结构、组成、实现的定义与内涵
1.2.2计算机系统结构、组成和实现三者的相互影响
1.3软硬件取舍与计算机系统设计思路
1.3.1软硬件取舍的基本原则
1.3.2计算机系统的设计思路
1.4结构设计要解决好软件的可移植性
1.4.1统一高级语言
1.4.2采用系列机
1.4.3模拟与仿真
1.5应用与器件的发展对系统结构的影响
1.5.1应用的发展对系统结构的影响
1.5.2器件的发展对系统结构的影响
1.6系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类
1.6.1并行性概念
1.6.2并行处理系统的结构与多机系统的耦合度
1.6.3计算机系统的分类
第2章数据表示与指令系统
2.1数据表示
2.1.1数据表示与数据结构
2.1.2高级数据表示
2.1.3引入数据表示的原则
2.1.4浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择
2.2寻址方式
2.2.1寻址方式分析
2.2.2逻辑地址与主存物理地址
2.3指令格式的优化设计
2.3.1操作码的优化
2.3.2指令字格式的优化
2.4按CISC方向发展与改进指令系统
2.4.1面向目标程序优化实现改进
2.4.2面向高级语言优化实现改进
2.4.3面向操作系统优化实现改进
2.5按RISC方向发展与改进指令系统
2.5.1RISC的提出
2.5.2设计RISC的原则
2.5.3设计RISC结构用的基本技术
2.5.4RISC技术的发展
第3章总线、中断与输入输出系统
3.1输入输出系统的基本概念
3.2总线设计
3.2.1总线的类型
3.2.2总线的控制方式
3.2.3总线的通讯技术
3.2.4数据宽度与总线线数
3.3中断系统
3.3.1中断的分类和分级
3.3.2中断系统的软硬件功能分配
3.4通道处理机
3.4.1工作原理
3.4.2通道流量的分析
第4章存储体系
4.1存储体系概念与并行主存系统
4.1.1发展存储体系的必要性
4.1.2并行主存系统频宽的分析
4.1.3存储体系的形成与分支
4.1.4存储体系的性能参数
4.2虚拟存储器
4.2.1不同的虚拟存储管理方式
4.2.2页式虚拟存储器的构成
4.2.3页式虚拟存储器实现中的问题
4.3高速缓冲（Cache）存储器
4.3.1基本结构
4.3.2地址的映象与变换
4.3.3替换算法的实现
4.3.4 Cache存储器的透明性及性能分析
第5章重叠、流水和向量处理机
5.1重叠方式
5.1.1基本思想和一次重叠
5.1.2相关处理
5.2流水方式
5.2.1基本概念
5.2.2流水线处理机的主要性能
5.2.3流水机器的相关处理和控制机构
5.3向量的流水处理与向量流水处理机
5.3.1向量的流水处理
5.3.2向量流水处理机
5.4指令级高度并行的超级处理机
5.4.1超标量处理机
5.4.2超长指令字（VLIW）处理机
5.4.3超流水线处理机
第6章阵列处理机
6.1阵列处理机原理
6.1.1阵列处理机的基本构形
6.1.2阵列处理机的特点
6.2阵列处理机的并行算法
6.2.1 ILLIACⅣ的处理单元阵列结构
6.2.2阵列处理机的并行算法举例
6.3 SIMD计算机的互连网络
6.3.1互连网络的设计目标及互连函数
6.3.2基本的单级互连网络
6.3.3多级互连网络
6.4并行存储器的无冲突访问
6.5并行处理机举例
6.5.1 MPP位平面阵列处理机
6.5.2 CM连接机
第7章多处理机
7.1多处理机的特点及主要技术问题
7.2多处理机的硬件结构
7.2.1紧耦合和松耦合
7.2.2机间互连形式
7.3程序并行性
7.3.1并行算法
7.3.2程序并行性的分析
7.3.3并行程序设计语言
7.4多处理机的性能
7.4.1任务粒度与系统性能
7.4.2性能模型与分析
7.5多处理机的操作系统
7.5.1主从型操作系统
7.5.2各自独立型操作系统
7.5.3浮动型操作系统
第8章其它计算机结构
8.1脉动阵列机
8.1.1脉动阵列结构的原理和特点
8.1.2通用的脉动阵列结构
8.2大规模并行处理机MPP与机群系统
8.2.1大规模并行处理机MPP
8.2.2机群系统
8.3数据流机
8.3.1数据驱动的概念
8.3.2数据流程序图和语言
8.3.3数据流计算机的结构
8.3.4数据流机器存在的问题
8.4归约机
8.5智能机
8.5.1智能信息处理与智能机
8.5.2智能机的结构和机器语言
★翻译和解释的区别和联系？
区别：
翻译是整个程序转换，解释是低级机器的一串语句仿真高级机器的一条语句。
联系：
都是高级机器程序在低级机器上执行的必须步骤。
★为什么将计算机系统看成是多级机器构成的层次结构？
可以调整软、硬件比例；可以用真正的实处理机代替虚拟机器；可以在1台宿主机上仿真另一台。
★计算机系统结构用软件实现和硬件实现各自的优缺点？
硬件优点：
速度快，节省存储时间；缺点：
成本高，利用率低，降低灵活性、适用性。
软件优点：
成本低，提高灵活性、适用性；缺点：
速度慢，增加存储时间、软件设计费。
★就目前通用机来说，计算机系统结构的属性主要包括哪些？
数据表示、寻址方式、寄存器组织、指令系统、存储系统组织、中断系统、管态目态定义与转换、
IO结构、保护方式和机构。
★试述由上往下、由下往上设计思路和存在的问题？
由上往下：
先考虑应用要求，再逐级往下考虑怎样实现。
适用于专业机
由下往上：
根据已有器件，逐级往上。
六七十年代通用机设计思路。
以上方法存在的问题是软、硬件脱节。
★采用统一高级语言方法、适用场合、存在问题和应采取的策略。
定义：
是指为所有程序员使用的完全通用的高级语言。
适用场合：
软件移植方便。
存在问题：
目前语言的语法、语义结构不同；人们的看法不同；同一语言在不同机器上不通用；程序员的习惯
应采取的策略：
可一定范围内统一汇编语言，结构相同机器间搞系列机。
★由中间开始的设计思路及优点
既考虑应用也考虑现有器件，由软硬件分界面向两端设计。
优点：
并行设计，缩短周期。
★模拟和仿真的区别
模拟：
机器语言解释，在主存中；仿真：
微程序解释，在控制存储器中。
★采用系列机方法、适用场合、好处、存在问题和应采取的策略
定义：
根据软硬件界面的系列结构，设计软件和不同档次的系列机器。
适用场合：
同一系列内软件兼容
好处：
呼应“中间开始”设计思路；缓解软件要求稳定环境和硬件发展迅速的矛盾。
存在问题：
软件兼容有时会阻碍系统结构的变革。
策略：
坚持这一方法，但到一定时候要发展新系列，还可采用模拟仿真。
★为什么要进行软件移植？
软件的相对成本越来越高，应重新分配软、硬件功能。
但：
成熟软件不能放弃；已有软件修改困难；重新设计软件经济上不划算。
★除了分布处理MPP和机群系统外，并行处理计算机按其基本结构特征可分为哪几种不同结构？
例举它们要解决的问题。
流水线处理机：
多个部件时间上并行执行。
拥塞控制，冲突防止，流水线调度。
阵列处理机：
空间上并行。
处理单元灵活，规律的互连模式和互连网络设计，数据在存储器中的分布算法。
多处理机：
时间和空间上的异步并行。
多CPU间互连，进程间的同步和通讯，多CPU间调度。
数据流计算机：
数据以数据令牌在指令间传递。
硬件组织和结构，高效数据流语言。
★采用模拟与仿真方法、适用场合、好处、存在问题和应采取的策略。
模拟
定义：
用机器语言解释另一指令系统
适用场合：
运行时间短，使用次数少，时间上无限制。
好处：
可在不同系统间移植。
存在问题：
结构差异大时，运行速度下降，实时性差。
策略：
与仿真结合
仿真
定义：
用微程序解释令一指令系统
适用场合：
结构差别不大的系统
好处：
运行速度快
存在问题：
结构差别大时，很难仿真。
策略：
与模拟结合，发展异种机连网。
★多计算机系统和多处理机系统的区别
都属于多机系统，区别：
多处理机是多台处理机组成的单机系统，多计算机是多*立的计算机。
多处理机中各处理机逻辑上受统一的OS控制，多计算机的OS逻辑上独立。
多处理机间以单一数据、向量、数组、文件交互作用，多计算机经通道或通信线路以数据流形式进行。
多处理机作业、任务、指令、数据各级并行，多计算机多个作业并行。
★各种耦合度特征
最低：
无物理连接，如脱机系统。
松散：
通信线路互连，适于分布处理
紧密：
总线或数据开关互联，实现数据、任务、作业级并行。
★以实例说明计算机系统结构、组成、实现的相互关系与影响。
结构相同，可用不同的组成。
如系列机中不同型号的机器结构相同，但高档机往往采用重叠流水等技术。
组成相同，实现可不同。
如主存可用双极型，也可用MOS型等。
结构不同组成不同，组成的进步会促进结构的进步，如微程序控制。
结构的设计应结合应用和可能采用的组成。
组成上面决定于结构，下面受限于实现。
组成与实现的权衡取决于性价比等；结构、组成、实现的内容不同时期会不同。
★软件移植的途径，各受什么限制？
统一高级语言：
只能相对统一
系列机：
只能在结构相同或相近的机器间移植
模拟：
机器语言差别大时，速度慢
仿真：
灵活性和效率差，机器差异大时仿真困难。
★并行处理数据的四个等级，给出简单解释，各举一例
位串字串：
无并行性，如位串行计算机。
位并字串：
一个字的所有位并行，如简单并行的单处理机。
位片串字并：
多个字的同一位并行，如相连处理机。
全并行：
同时处理多个字的多个位，如全并行阵列机。
★设计乘法指令时，结构、组成、实现各考虑什么？
结构：
是否设计乘法
组成：
是否配置高速乘法器
实现：
考虑器件集成度类型数量及微组装技术。
★器件的发展对逻辑设计方法的影响
一是由逻辑化简转为采用组成技术规模生产，规模集成，并尽量采用通用器件
二是由全硬设计转为微汇编、微高级语言、CAD等软硬结合和自动设计
第2章数据表示与指令系统
★数据结构和机器的数据表示之间的关系？
引入数据表示的基本原则？
数据结构要变换成数据表示来实现，不同的数据表示效率和方便性不同。
它们是软硬件的交界面。
原则：
★是否提高效率减少时间，★通用性和利用率。
★简述三种面向的寻址方式的关系。
面向寄存器：
速度快，增加硬件；
面向主存：
速度稍慢，减少寄存器占用；
面向堆栈：
速度慢，减轻编译负担。
三者各有特点，但可共同使用，不互相排斥。
★堆栈型机器与通用寄存器型机器的主要区别？
堆栈型机器对程序调用的哪些操作提供支持？
通用寄存器型对堆栈数据结构实现的支持较差：
★堆栈操作指令少；★速度低；★通常只用于保存返回地址。
堆栈型支持有力：
★硬件堆栈；★堆栈指令丰富；★支持高级语言编译；★支持子程序嵌套和递归。
可将以下信息全部压入栈：
返回地址、条件码、关键寄存器内容、必要的全局或局部参数。
为子程序开辟局部变量中间结果工作区。
★比较寻址方式在指令中的两种指明方式。
操作码中的某位。
缺点：
不灵活。
优点：
指令总长短。
设寻址方式字段。
缺点：
指令总长长。
优点：
寻址灵活。
★“机构型”和“策略型”的含义？
机构型功能指基本的通用的功能；策略型功能指不稳定的可能会改变的功能。
★数据描述符和向量数据表示对向量数据结构所提供的支持有什么不同？
描述方法比变址方法简便，但不能解决向量数组高速运算问题；向量处理机能快速形成元素地址，能把元素成块预取到CPU，用一条指令同时对整个向量数组高速处理。
★按CISC方向改进指令系统的思路具体办法？
思路可从面向目标程序、高级语言、操作系统三个方面考虑。
面向目标程序可采用的办法：
★对高频指令增强功能加快速度，低频指令合并和取消；★复合指令代替子程序或宏。
★haffman方法及优缺点？
构造方法：
构造haffman树、每个节点用01表示、从根开始01编码
优点：
平均码长最短，冗余少。
缺点：
种类多，不易译码。
★haffman压缩概念的基本思想？
概率高的事件用短位数表示，低的用长位数表示。
★以浮点数数据表示说明数的可表示精度、运算中的精度损失，尾数基值取小对哪个有利哪个不利？
数的可表示精度是数轴上数的离散程度，两个数间差越小，精度越高；运算中的精度损失指运算中尾数超长造成的损失。
尾数基值取小则可表示范围变小，个数减少，分布变密，精度提高，速度降低，对前者有利，对后者不利。
★OS中哪些适合硬化或固化？
哪些不适合？
高频使用的机构型功能适合，策略型功能不适合。
★什么是程序的动态再定位？
程序在主存中的实际位置可以动态移动的定位技术。
可以使用基址寄存器或映象表硬件。
★缩短地址码长度的方法
基址、变址、相对寻址、分段、寄存器寻址、寄存器间接寻址等。
★变址和基址各适用于何种场合？
设计一种只用6位地址码就可以指向一大地址空间中任意64个地址之一的寻址机构。
变址适合标量计算机中，基址主要对逻辑与物理空间进行变换，支持动态再定位。
用6位地址码表示64个地址中的任意一个，可以用隐含寻址或PC自相对寻址形成物理地址。
★设计RISC机器的一般原则及可采用的基本技术？
原则：
精简指令条数、格式，让指令等长，一个周期内完成，增加通用寄存器，一般指令不可访存只能对寄存器操作，硬件实现为主，少量微程序解释，提高编译程序质量。
技术：
按以上原则优化、实现指令，设置寄存器，指令采用重叠流水方式解释，采用延迟转移，提高便宜程序质量。
★比较CISC和RISC，今后的发展是什么？
CISC问题：
系统庞大导致成本高可靠性低，80%指令利用率低，性价比低。
RISC优点：
简化指令系统，适合VLSI实现，解决了CISC的上述问题。
缺点：
加重汇编语言负担，目标程序开销大，对浮点运算虚拟存储支持不强，对编译程序要求高。
发展趋势：
二者互相结合，取长补短。
★比较四种浮点数尾数下溢处理方法
截断法：
将超出机器字长的部分截去，整数最大误差1，分数最大误差2^（-m），统计平均误差<0，不能调节统计平均误差，实现最简单不增硬件不需处理时间，但最大误差平均误差大且无法调节。
舍入法：
设一附加位，整数最大误差0.5，分数最大误差2^（-m-1），统计平均误差略>0，不能调节统计平均误差，实现简单增硬件少最大误差小，但速度慢需处理时间平均误差无法调节。
恒置1法：
最低位恒置1，整数最大误差1，分数最大误差2^（-m），），统计平均误差略>0，不能调节统计平均误差，实现最简单不增硬件不需处理时间，但最大误差平均误差大且无法调节。
查表舍入法：
用2^k个字的ROM或PLA存放下溢处理表，根据查表内容处理下溢。
整数、分数、统计平均误差均趋于0，能调节统计平均误差，处理速度快但需增加硬件。
第3章总线、中断与输入输出系统★以IBM370为例说明为什么把中断分类以及分成几类。
大型多用途机器中断源多，每个中断源单独形成入口将导致硬件实现难，代价大，因此可归类，每类给中断服务程序入口由软件转入相应处理部分。
IBM370中断分为6类：
机器校验，访管，程序性，外部，I/O，重新启动。
★专用和非专用线各自的优缺点
专用线：
只连接一对物理部件的总线。
优点：
不用争总线，控制简单，系统可靠。
缺点：
总线数多且长，成本高，利用率低，不易扩展。
非专用线：
可被多种功能与部件共享，但同一时刻只能被一个部件使用。
优点：
集成度高，造价低，可扩展能力强，总线利用率高，易标准化。
缺点：
流量小，争用总线，部件效率低，可能成为瓶颈，可靠性差。
★减少总线线数的方法
线的组合：
减少按功能和传递方向所需的线数。
编码：
对少数几根功能线进行编码取代多根单功能线。
并/串-串/并：
在总线两端设置转换器，经分拆移位后在目的端形成完整的字。
★比较几种数据宽度
单字：
适合低速设备，不用指明传送信息单位，缺点是速度慢总线利用率低；
定长块：
高速设备，充分利用总线宽度不用指明传送信息单位，但不灵活；
可变长块：
优先级速度都高的设备，灵活需充分利用总线带宽，但需指定传送信号块大小。
单字加定长块：
优先级高速度低的设备，短数据可用单字传送减少带宽浪费，信息块太小时成为单字方式总线利用率低。
单字加可变长块：
普遍使用，灵活有效，但复杂开销大。
★有通道情况下的I/O过程
a目态程序中可安排I/O广义指令
b运行到广义指令后，产生访管中断
cCPU响应中断后进入管态
d管理程序根据广义指令编写通道程序，进入通道选择设备期
e选择通道和子通道，取出指令，选择控制器和设备，发启动命令，结束通道选择设备期
f进入通道数据传送期，完成数据传送
g向CPU发I/O请求，第二次转管态，调出相应管理程序，之后CPU返回目态。
★比较通道的三种类型
字节多路：
单字节，适于大量低速设备，字节交叉，多次选择设备，分时共享，满负荷时对通道要求的实际流量应是所连各设备的流量之和。
数组多路：
定长块，适于大量高速设备，成组交叉，多次选择设备，分时共享，满负荷时对通道要求的实际流量应是所连各设备的流量最大的那个。
选择：
不定长块，高优先级高速设备，独占通道，一次选择设备，独占，满负荷时对通道要求的实际流量应是所连各设备的流量最大的那个。
★为什么中断优先级从高到低一般为：
机器校验、程序性和管理程序调用、外部、I/O、重新启动？
机器校验若不及时处理，系统将无法正常工作。
程序中断若低于外部和I/O中断可能导致混乱。
只有处理完机器故障后，才能进入访管中断。
重新启动一般时间并不紧迫，所以放在最后。
★集中式串行链接的过程，优缺点，硬件故障时通讯的可靠性。
a经公共总线向总线控制器申请
b总线不忙时，总线控制器响应请求，送出总线可用。
c总线可用信号在部件间串行通过，直至某个部件发生总线请求。
d该部件获得总线使用权
e数据传送，维持总线忙
f传送完成，去除总线忙
g总线请求再次建立时，重复新的分配过程。
优点：
简单，线数少，可扩充性好，可靠性高。
缺点：
对总线可用线及电路敏感，不灵活，速度慢。
★集中式定时查询的过程，优缺点，硬件故障时通讯的可靠性。
a每个部件发总线请求
b总线不忙时，定时查询谁发的请求
c查询到后，查询停止，该部件获得总线使用权
d数据传送，维持总线忙
e传送完成，去除总线忙
f总线请求再次建立时，重复新的分配过程。
优点：
灵活，可靠性高
缺点：
线数多，扩展性差，控制复杂，总线分配受限计数信号。
★集中式独立请求的优缺点，硬件故障时通讯的可靠性。
a每个部件有总线请求和总线准许
b总线未分配时，总线分配器根据某种算法仲裁哪个申请部件使用总线。
c数据传送
d传送完毕后除去总线已分配和总线准许。
优点：
速度快，灵活，方便隔离失效部件
缺点：
线数多，复杂。
★在现代计算机系统中，中断系统的软硬件功能是怎样分配的，为什么这样分配？
中断响应要求快，一般用硬件实现。
中断的处理过程一般用软件，也可用硬件支持。
中断响应过程中现场的保存和恢复用硬件实现，以保证响应速度。
另一部分现场用软件实现，提高灵活性。
第4章存储体系
★在分体交叉存储器中为什么实际频宽不随M增大而线性增大？
M大-数据总线长-负载重-增加门级数-增加延迟；
顺序取指效率可提高M倍，但出现转移效率就会下降。
★段式存储管理的地址转换过程。
程序号、段号、段内偏移量
1）由程序号找到相应的段表基址寄存器，查到段表始址和段表长度。
2）检查是否越界，正常转3
3）由段表始址和段号找到装入位等相应表项
4）装入位为1转5，否则产生缺页中断
5）主存地址+段内偏移=物理地址
★段页式存储管理的地址转换过程
用户标志、段号、页号、页内偏移
1）用户标志-段基址寄存器
2）检查是否越界
3）找到段表中表项
4）检查装入位，段长
5）找到页表中表项
6）检查装入位
7）实页号+页内偏移=有效地址
★段式存储管理优缺点
优点：
并行编程，缩短时间；相对独立，易于维护；实现虚拟存储；便于共享和分段保护。
缺点：
主存利用率低；降低了访寸速度；空闲区管理复杂；查表速度慢。
★分页方式的优缺点
优点：
表项短，减少访表时间；零头少；速度快。
缺点：
强制分页，不利于存储保护和扩充；有效地址生成慢。
★段页式管理的优缺点
优点：
具有段式、页式优点
缺点：
有效地址形成慢。
★为什么要发展存储体系
单一工艺的存储器件不能同时满足容量、速度和价格的要求；并行主存系统效果有限。
所以必须使用由多种不同工艺存储器组成的存储系统，从系统结构上公斤，发展存储体系。
★页面失效频率算法的思想
某个程序的页面失效率过高时就增加它的主存页数，过少时就减少它的主存页数，以提高总的主存利用率。
★主存页面表实现的变形LRU的过程
最近最久未使用算法
1）建立主存页面表
2）用使用位表示是否被访问过，置初值为0
3）访问实页，则其使用位置1
4）调入页进入占用位为0的实页，将占用位置1
5）所有占用位为1，发生缺页时，替换使用位为0的页
6）使用位要全1时，强制全置0。
★页式管理中的主存页面表和页表是一张表吗？
页表是一个程序一张；主存页面表是整个主存一张。
★比较写回法写直达法
写回法：
信息只写入CACHE，仅需要替换时才送回主存。
节省开销，但增加CACHE复杂性。
写直达法：
写入CACHE时也写入主存。
开销小，简单，但浪费时间。
★CPU-Cache-主存层次，CPU-主存-辅存层次异同。
相同点：
都需要地址映象表和地址变换机构。
不同点：
1）前者为缩小CPU主存速度差，后者为扩大主存容量；
2）前者硬件后者软影结合实现地址变换；
3）前者用页表后者用目录表实现实现地址映象表；
4）前者CPU与辅存之间无通路，后者缺页时CPU采用换道办法。
★散列法实现快表的地址变换过程
1）A=H（Nv）
2）查找Nv时，经同样函数变成A，再找到Nv内容。
3）地址变换时先查快表再查慢表
★有Cache时，给出一个主存地址访存过程
1）将主存与Cache分成大小相同的块。
2）判断要访问的主存地址块号是否在Cache中。
3）若在，变换为Cache号，访问Cache。
4）若不在，将该信息由主存调入Cache和CPU。
5）若Cache已满，则替换Cache信息，修改相应表格。
★比较Cache-主存层次的几种地址变换方式
全相联映象和变换。
过程：
主存分为块号和块内地址；块号同目录表比较；相同则Cache块号和块内地址形成Cache地址；不同则缺块，调块。
目录表长：
Cache；宽：
主存块号+Cache块号。
优点：
块冲突低，空间利用率最高；缺点：
映象表长，查表速度慢。
直接映象及变换。
过程：
区号块号块内地址；主存地址中截取Cache地址；根据块号读出目录表中区号与主存地址区号比较；相等则命中否则访主存。
目录表长：
Cache；宽：
主存地址位-Cache地址位。
目录表小，成本低速度快，但冲突概率大Cache利用率低。
组相映象及变换。
区号组号块号内地址；用组号选组；对该组区号+块号全相联比较；找不到失败找到则Cache块号组号块内地址形成Cache地址。
目录表长2^ncb，Cache表大小（区号+2块号）位（区号+块号）位参与比较。
集中全相联和直接映象的优点弥补它们的缺点，但块冲突>全相联，Cache利用率<全相联，目录表>直接方式。
★什么是堆栈型的替换算法
满足n
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