1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成計(jì)算機(jī)配置。電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)Amdahl定律微軟公司MFLOPSPS馮諾伊曼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)類型浮點(diǎn)數(shù)浮點(diǎn)誤差相對(duì)誤差浮點(diǎn)表示的效率地址單位地址方式霍夫曼編碼RISC公司思科公司存儲(chǔ)系統(tǒng)虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)。并行存儲(chǔ)器隨機(jī)演算法。先進(jìn)先出算法最近把算法用得最小好久沒(méi)使用算法了最佳置換算法高速緩存系統(tǒng)全相影像方式直接影像方式群組相關(guān)影像分段的相關(guān)形象Cache系統(tǒng)的加速比Cache系統(tǒng)的加速比SPCache一致性輸入輸出設(shè)備程序控制輸入輸出方式中斷輸入輸出方式DMA系統(tǒng)中斷源中斷優(yōu)先級(jí)中斷響應(yīng)時(shí)間中斷向量法中斷現(xiàn)場(chǎng)的保存和恢復(fù)斷絕關(guān)系指令電平并行先行控制緩沖技術(shù)預(yù)處理技術(shù)先行指令緩沖器先行

2、讀取堆棧后行數(shù)堆棧先行操作堆棧RR型指令RX型指令RS型指令緩沖深度有關(guān)系數(shù)據(jù)相關(guān)命令相關(guān)主記憶操作數(shù)相關(guān)通用寄存器數(shù)據(jù)相關(guān)索引相關(guān)的控制相關(guān)遷移預(yù)測(cè)技術(shù)流水線處理機(jī)時(shí)序圖線性管線非線性管線。輸油管道的水平處理器級(jí)輸油管道功能零件級(jí)管線處理器間的管線單功能管線多功能輸油管道靜態(tài)管線動(dòng)態(tài)流水線吞吐量率。加速比效率預(yù)約表起動(dòng)距離禁止起動(dòng)距離開(kāi)始循環(huán)。一定周期向量禁止平均啟動(dòng)距離碰撞矢量單純循環(huán)基本塊化局部相關(guān)的全球關(guān)系按順序流動(dòng)按順序流動(dòng)重定向數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)遷移預(yù)測(cè)技術(shù)矢量處理機(jī)矢量循環(huán)和階段性開(kāi)采鏈接技術(shù)向量遞歸最大性能R半性能矢量長(zhǎng)度n1/2互連網(wǎng)絡(luò)互連函數(shù)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模節(jié)點(diǎn)度距離網(wǎng)絡(luò)直徑平分寬度節(jié)點(diǎn)間

3、的線長(zhǎng)對(duì)稱性帶寬傳輸時(shí)間“飛行”時(shí)間傳輸延遲發(fā)送端的開(kāi)銷接收端的開(kāi)銷靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)線路交換存儲(chǔ)傳輸路徑虛擬傳遞蟲(chóng)蝕勘探虛擬通道單播公司多點(diǎn)傳送廣播(broadcast )會(huì)議(會(huì)議)SIMD計(jì)算機(jī)分布式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)陣列控制器中央總線通用數(shù)據(jù)總線CDB模位線指令控制線多處理器共享存儲(chǔ)器多處理器分布式存儲(chǔ)器多處理器短信S2MPPS機(jī)械群系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成：“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”這個(gè)名詞來(lái)源于英語(yǔ)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，也被翻譯成“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”，被定義為編程者看到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性概念結(jié)構(gòu)和功能特性。計(jì)算機(jī)配置：計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包括設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)流和控制流的結(jié)構(gòu)

4、和邏輯設(shè)計(jì)等。計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn)。 包括處理器、主存儲(chǔ)等部件的物理結(jié)構(gòu)、設(shè)備的集成度和速度、信號(hào)傳輸、設(shè)備、模塊、卡、電路板的劃分和連接、專用設(shè)備的設(shè)計(jì)、電源、冷卻、組裝等技術(shù)和相關(guān)的制造技術(shù)和過(guò)程等。Amdahl定律：系統(tǒng)的一些組件采用了一種更快的執(zhí)行方式后，系統(tǒng)整體的性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率和占總執(zhí)行時(shí)間的百分比有關(guān)。系統(tǒng)構(gòu)成的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：程序運(yùn)行速度、程序和數(shù)據(jù)容量、功耗、體積、程序難易度、成本等指標(biāo)的雙曲正切值。PS :每秒平均執(zhí)行的數(shù)百萬(wàn)命令。MFLOPS :每秒平均執(zhí)行的數(shù)百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算的次數(shù)。PS :每個(gè)指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)。馮諾伊曼結(jié)構(gòu)

5、：馮諾伊曼等人在1946年提出了一個(gè)由運(yùn)算器、控制器、內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成的完整的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模型。 這個(gè)結(jié)構(gòu)被稱為馮諾伊曼結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)顯示：數(shù)據(jù)顯示研究的是計(jì)算機(jī)硬件可以直接識(shí)別，指令系統(tǒng)可以直接調(diào)用的數(shù)據(jù)類型。 數(shù)據(jù)顯示是數(shù)據(jù)類型中最常用的，也有一些比較簡(jiǎn)單，用硬件實(shí)現(xiàn)比較容易。 固定點(diǎn)數(shù)(整數(shù))、邏輯數(shù)(布爾數(shù))、浮點(diǎn)數(shù)(實(shí)數(shù))、十進(jìn)制數(shù)、字符、字符串、堆棧、向量等。數(shù)據(jù)類型：在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的類型可以是各種類型的，諸如文件、圖形、表、樹(shù)、陣列、隊(duì)列、鏈表、棧、向量、列、實(shí)數(shù)、整數(shù)、布爾、字符等。浮點(diǎn)數(shù)：數(shù)據(jù)顯示方法。 以用最短的字符長(zhǎng)度表現(xiàn)最大范圍的實(shí)數(shù)和盡可能高的數(shù)據(jù)精度為目標(biāo)。浮

6、點(diǎn)誤差：如果浮點(diǎn)集合f中的誤差是n是浮點(diǎn)集合f中的任意實(shí)數(shù)，m是f中最接近n的浮點(diǎn)，而不是n使用的浮點(diǎn)，則絕對(duì)表數(shù)誤差定義如下“相對(duì)誤差”(Relative Representation Rrror )如下浮點(diǎn)表示的效率：浮點(diǎn)表示的效率定義如下地址單位：地址單位有字地址、字節(jié)地址、位地址等幾個(gè)。地址方式：指令在執(zhí)行中需要操作數(shù)，運(yùn)算結(jié)果被傳送到存儲(chǔ)器單元并被保持，搜索操作數(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的方法稱為地址方式。霍夫曼編碼：霍夫曼編碼法是1992年霍夫曼最初提出的編碼方法，主要用于電報(bào)消息的編碼。 使用頻率最高的碼字用短碼表示，使用頻率低的碼字，用長(zhǎng)碼表示。 這樣，能夠縮短消息整體的長(zhǎng)度。RISC :

7、精簡(jiǎn)指揮系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。思科：復(fù)雜的指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)：兩個(gè)以上速度、容量、價(jià)格各不相同的內(nèi)存以硬件、軟件或軟件和硬件的組合方式連接在一起，成為存儲(chǔ)系統(tǒng)。虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)：虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)由主內(nèi)存和在線外部?jī)?nèi)存(現(xiàn)在通常是磁盤(pán)內(nèi)存)組成，并以硬件和軟件的組合方式進(jìn)行計(jì)劃。 操作系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)存管理部件管理內(nèi)存，為用戶提供透明的進(jìn)程空間的32位地址。并行存儲(chǔ)：并行內(nèi)存通過(guò)并行地運(yùn)行多個(gè)獨(dú)立的內(nèi)存，可以在一個(gè)存儲(chǔ)周期內(nèi)訪問(wèn)多個(gè)數(shù)據(jù)，從而提高內(nèi)存速度。隨機(jī)演算法：隨機(jī)算法(Random algorithm )。 使用軟件或硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來(lái)確定主存儲(chǔ)器中被替換的頁(yè)。 該算法是最簡(jiǎn)單、最容易實(shí)現(xiàn)的。 但是，該算法

8、完全不利用主存儲(chǔ)器的頁(yè)調(diào)度狀況的歷史信息，也沒(méi)有反映程序的局部性，所以命中率低。先進(jìn)的先進(jìn)先出算法：即，F(xiàn)IFO算法(第一次輸出算法)。 該算法選擇最初取入主存儲(chǔ)器中的頁(yè)面作為替換的頁(yè)面。 其優(yōu)點(diǎn)是，能夠比較容易地實(shí)現(xiàn)，能夠利用主存儲(chǔ)器的頁(yè)調(diào)度狀況的歷史信息，但沒(méi)有反映程序的局部性。 因?yàn)樽畛蹀D(zhuǎn)入了主記憶的頁(yè)面，所以可能是頻繁使用的頁(yè)面。最近的最小使用算法：最后的使用者演算法(LRU )。 該算法選擇最近訪問(wèn)的頁(yè)面最少的頁(yè)面作為替換頁(yè)面。 很明顯，這是非常合理的算法，迄今為止未使用的頁(yè)面很可能是將來(lái)最少的頁(yè)面。 該算法利用主存儲(chǔ)中的頁(yè)面調(diào)度狀況的歷史信息，準(zhǔn)確地反映了程序的局部性。 但是，實(shí)現(xiàn)

9、這種算法是非常困難的。 為每一頁(yè)設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)的計(jì)數(shù)器，并選擇固定時(shí)鐘來(lái)計(jì)數(shù)每個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)時(shí)。 當(dāng)選擇被替換的頁(yè)時(shí)，從所有計(jì)數(shù)器中找到計(jì)數(shù)值最大的計(jì)數(shù)器。 因此，通常采用以下LFR算法。最近沒(méi)有使用算法：是LFU算法。 該算法假定最近沒(méi)有訪問(wèn)過(guò)的頁(yè)面是替換頁(yè)面。 由于要用LRU算法記錄的數(shù)量“多”和“少”簡(jiǎn)化為“有”和“無(wú)”的判斷，所以容易實(shí)現(xiàn)。 下一節(jié)介紹LFU算法的具體實(shí)現(xiàn)方法。最佳替換算法：也就是說(shuō)，OPT算法(最佳替換管理算法)。 上述幾個(gè)頁(yè)面替換算法主要基于主存儲(chǔ)器的頁(yè)面調(diào)度狀況的歷史信息，并且假定將來(lái)的主存儲(chǔ)器的頁(yè)面調(diào)度狀況與過(guò)去的主存儲(chǔ)器的頁(yè)面調(diào)度狀況相同。 很明顯，這個(gè)假設(shè)不一定是

10、正確的。 最佳算法是選擇將來(lái)最長(zhǎng)未被訪問(wèn)的頁(yè)面作為替換頁(yè)。 這個(gè)置換算法的命中率一定是最高的。 這是最佳的替代算法，被稱為OPT算法。高速緩存系統(tǒng)：Cache系統(tǒng)是在主板或CPU內(nèi)部集成高速訪問(wèn)內(nèi)存，并與內(nèi)存配合構(gòu)成高速緩存系統(tǒng)。 高速緩存系統(tǒng)的原理與虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)相似。 典型處理器具有主緩存，它構(gòu)成了主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)系統(tǒng)。 一些高性能處理器采用二級(jí)Cache。 其中，一級(jí)在CPU內(nèi)部，容量小，速度快。 二級(jí)是主觸發(fā)器，容量大，速度比一級(jí)低5倍左右。 一些高性能處理器采用三級(jí)Cache。 前兩個(gè)級(jí)別在CPU內(nèi)部。全相影像方式：所謂全相相關(guān)映射方式，是主存儲(chǔ)中的任意模塊能夠映射到Cache中任意

11、模塊的位置的方式。直接映像模式：直接影像方式是最簡(jiǎn)單、最直接的方法。 主存儲(chǔ)器的塊只能映射到Cache的特定塊。與組相關(guān)的映像：組相關(guān)方式是現(xiàn)在Cache中常用的地址圖和轉(zhuǎn)換方式。 這是完全聯(lián)系和直接聯(lián)系之間的折中方案。 組相關(guān)映射方式也用全相映射方式和直接相關(guān)映射方式相同的方法，將主記憶和Cache分割為塊。 不同之處在于，組相關(guān)映射方式是主存儲(chǔ)器和Cache也以相同大小分為組，各組由相同塊數(shù)構(gòu)成。分段的相關(guān)影像：通過(guò)改變?cè)诮M相關(guān)映射方式中的映射關(guān)系，在組內(nèi)變更為直接映射方式，在組間變更為全相相關(guān)映射方式，變成了段相關(guān)映射方式。 實(shí)際上，分段相關(guān)映射方式是組相關(guān)映射方式的變形，也是全相相關(guān)和

12、直接相關(guān)兩個(gè)映射方式之間的折中方案。Cache系統(tǒng)的加速比：設(shè)Cache的訪問(wèn)周期為T(mén)C，主存儲(chǔ)器的訪問(wèn)周期Tm，Cache系統(tǒng)的等效訪問(wèn)周期為t，Cache的命中率為h。 本章介紹了以下關(guān)系：T=HTC (1-H)TmCache系統(tǒng)的加速度比SP(Speedup )可以定義如下Cache完整性：通常，存儲(chǔ)在Cache中的內(nèi)容必須是主要存儲(chǔ)的副本的一部分。 然而，由于以下兩個(gè)原因，在一段時(shí)間內(nèi)，主要的小區(qū)內(nèi)容與對(duì)應(yīng)于Cache的小區(qū)內(nèi)容可能不同。 這導(dǎo)致Cache與主存儲(chǔ)不匹配。輸入輸出設(shè)備：人以外的各種設(shè)備稱為輸入輸出設(shè)備或外圍設(shè)備。程序控制輸入輸出方式：程序控制輸入輸出方式是用戶在程序中創(chuàng)

13、建命令來(lái)控制輸入輸出的方式。 所有的輸入輸出動(dòng)作都是通過(guò)程序控制來(lái)進(jìn)行的。中斷輸入輸出方式：如果系統(tǒng)外部、設(shè)備內(nèi)部乃至處理器本身發(fā)生了異常，或發(fā)生了事先預(yù)定但在當(dāng)前程序的哪里發(fā)生了不知道的事件，CPU會(huì)中止當(dāng)前程序的執(zhí)行，對(duì)這些事件進(jìn)行處理，并在處理完成后返回原程序。DMA方式：直接內(nèi)存訪問(wèn)(DMA )方式也被稱為直接內(nèi)存訪問(wèn)方式，利用DMA控制器在主內(nèi)存和高速外圍設(shè)備(磁盤(pán)等)之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，提高設(shè)備訪問(wèn)速度。中斷源：引起中斷的各種各樣的事件被稱為中斷源。中斷優(yōu)先級(jí)：在中斷源比較多的情況下，同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)中斷請(qǐng)求的可能性很高，并且CPU必須確定響應(yīng)和中斷處理的優(yōu)先級(jí)。 這個(gè)順序是中斷優(yōu)先

14、級(jí)。中斷響應(yīng)時(shí)間：從一個(gè)中斷源向處理器發(fā)出中斷服務(wù)請(qǐng)求開(kāi)始到處理器實(shí)際上開(kāi)始該中斷源的服務(wù)為止的時(shí)間稱為中斷響應(yīng)時(shí)間。中斷向量法：中斷向量法在主存儲(chǔ)器的固定區(qū)域上創(chuàng)建專用的中斷向量區(qū)域，使用相同的硬件隊(duì)列和編碼器，在請(qǐng)求所有中斷服務(wù)的中斷源中產(chǎn)生具有最高優(yōu)先級(jí)的中斷源編號(hào)，然后生成識(shí)別中斷源的指令中斷現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)和恢復(fù)：發(fā)生中斷時(shí)，必須中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，執(zhí)行中斷處理例程。 此時(shí)，必須保存當(dāng)前程序的工作現(xiàn)場(chǎng)，在中斷例程完成后恢復(fù)執(zhí)行。 目前程序狀態(tài)的保存恢復(fù)是中斷現(xiàn)場(chǎng)的保存和恢復(fù)。中斷掩碼：在程序運(yùn)行中，有時(shí)需要有意忽略特定的中斷，但在這種情況下，通過(guò)中斷掩碼位，系統(tǒng)可以不對(duì)對(duì)應(yīng)的中斷源做出響

15、應(yīng)。 標(biāo)量處理器：只把標(biāo)量數(shù)據(jù)表示和標(biāo)量指令系統(tǒng)的處理器稱為標(biāo)量處理器。 標(biāo)量處理器使用了最通用、最常用的處理器。命令級(jí)并行性：處理器同時(shí)并行執(zhí)行多個(gè)指令。先行控制：先行控制技術(shù)的關(guān)鍵是緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)，以及兩者的組合。 通過(guò)對(duì)指令流和數(shù)據(jù)流的預(yù)處理和緩沖，可以使指令分析器和指令執(zhí)行部件盡可能獨(dú)立地工作，并使其總是處于忙碌狀態(tài)。緩沖技術(shù)：緩沖技術(shù)在動(dòng)作速度不固定的兩個(gè)功能部件之間設(shè)置緩沖堆棧，使動(dòng)作平滑。預(yù)處理技術(shù)：預(yù)處理技術(shù)將進(jìn)入運(yùn)算器的指令全部處理為寄存器-寄存器型(RR型)指令，并與緩沖技術(shù)組合，準(zhǔn)備進(jìn)入運(yùn)算器的指令所需的全部操作數(shù)。先行指令緩沖區(qū)：前置指令緩沖堆棧作為主存儲(chǔ)器和指令分析器之間的緩沖組件，用于使主存儲(chǔ)器和指令分析器的工作變得平滑。先行讀取堆棧：前置讀取堆棧由一系列緩沖寄存器和控制邏輯等組成。 每個(gè)緩沖器寄存器由三個(gè)部分構(gòu)成，包括先行地址緩沖器寄存器、先行操作數(shù)緩沖器寄存器和標(biāo)志字段。 也可以由一個(gè)寄存器共享先行地址緩沖器寄存器和先行操作數(shù)緩沖器寄存器。后行寫(xiě)入棧：后行寫(xiě)入數(shù)