1、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)前四章總復(fù)習(xí),備注：原則上還是要以同步配套題解中的考試知識點為主進行復(fù)習(xí)，標(biāo)注型號者為重點內(nèi)容。要求：理解同步配套題解中的例題解析、認真完成各章后面的同步綜合練習(xí)。,學(xué)習(xí)中應(yīng)注意的問題： (1)學(xué)習(xí)開始，了解清楚本課程的性質(zhì)、地位、 目的、重點內(nèi)容、基本要求以及本課程與其他相 關(guān)課程的聯(lián)系。 (2)在每一章學(xué)習(xí)之前，應(yīng)了解該章的學(xué)習(xí)目 的、基本要求，弄清其中的重點和難點在什么地 方，以及對這些知識點的能力層次要求。 (3)學(xué)習(xí)時，應(yīng)依據(jù)教材及預(yù)習(xí)的情況，對其中 的重點和難點部分多花時間消化領(lǐng)會，對所學(xué)習(xí) 的基本原理、方法等理論性、概念性較強的部分， 應(yīng)著眼于理解其精神實質(zhì)，進行必

2、要的歸納和小 結(jié)，理出有關(guān)要點和思路。,(4)學(xué)習(xí)中，若遇到一時理解不深或搞不清的問 題，可將其暫時擱置，等學(xué)習(xí)完其他各章后，再 來重讀、領(lǐng)會和加深。 (5)對于典型的應(yīng)用或計算、設(shè)計等問題，應(yīng)領(lǐng) 會其分析方法和解題思路及關(guān)鍵步驟。 (6)學(xué)完每一章時，應(yīng)認真完成我所布置的課后 作業(yè)，進一步加深對所學(xué)知識的理解和掌握，提 高靈活運用知識和分析、解題的能力。不 能采 用背題和死記答案的辦法，否則，題目稍加變化， 又不知所措了。,第1章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念,1.1 計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu) 1.2 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn) 1.3 軟件取舍與計算機系統(tǒng)的設(shè)計思路 1.4 軟件、應(yīng)用、器件對系

3、統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 1.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性及系統(tǒng)的分類,1.1多級層次結(jié)構(gòu) 1.六級層次結(jié)構(gòu) 應(yīng)用語言機器 面向用戶 高級語言機器 面向用戶 匯編語言機器 面向用戶 操作系統(tǒng)機器 面向上層機器 傳統(tǒng)機器 面向上層機器 微指令機器 面向上層機器 2.層次結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式 根據(jù)性價比，軟硬件邏輯是等同的 3.分層優(yōu)點,*,1.2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn) 1.結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)的概念 1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(System Architecture)是對計算機系統(tǒng)中各機器之間界面的劃分和定義，以及對各級界面上、下的功能進行分配。 2)透明性概念： 在計算機中，客觀存在的事物或?qū)傩詮哪硞€角度看不到，稱這些

4、事物或?qū)傩詫λ峭该鞯摹Ｓ嬎銠C重的“透明”與社會生活中的“透明”，含義正好相反。,*,3)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Computer Architecture) 是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一部分，指層次結(jié)構(gòu)中傳統(tǒng)機器級的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其界面之上的功能包括操作系統(tǒng)級、匯編語言級、高級語言級和應(yīng)用語言級中所有軟件的功能；界面之下的功能包括所有硬件和固件的功能。因此，這個界面實際是軟件與硬件或固件的分界面。 4)計算機組成(Computer Organization) 是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包括機器級內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯實現(xiàn)。,5)計算機實現(xiàn)(Computer Implementation) 指的是計算機組

5、成的物理實現(xiàn) 2.結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)之間的關(guān)系 1)具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如指令系統(tǒng)相同)的計算機可以因速度等因素的要求不同而采用不同的組成。 2)相同的計算機組成可以采用多種不同實現(xiàn)方法。 3)不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會使組成技術(shù)產(chǎn)生差異 4)計算機組成也會影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，組成的設(shè)計，其上取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其下又受限于所可以用的實現(xiàn)技術(shù)。,1.3軟硬件取舍與系統(tǒng)的設(shè)計思想 1.軟件取舍的基本原則 1)在現(xiàn)有的硬件和器件(主要是邏輯器件和存貯器件)的條件下，系統(tǒng)要有高的性價比。 2)充分考慮準(zhǔn)備采用和可能要用的的組成技術(shù)，使它盡可能不要過多或不合理地限制各種組成、實現(xiàn)技術(shù)的采用。 3)不能僅從“硬”的角度去考慮如

6、何便于應(yīng)用組成技術(shù)的成果和發(fā)揮器件技術(shù)的進展，還應(yīng)從“軟”的角度為編譯和操作系統(tǒng)的實現(xiàn)，以至高級語言程序的設(shè)計提供更多、更好的硬件支持。,2.計算機系統(tǒng)的設(shè)計思路 1)由上往下 a)方法：根據(jù)用戶的要求，設(shè)計基本的命令、數(shù) 據(jù)類型與格式等，然后再逐級往下設(shè)計，并考慮對 上一級進行優(yōu)化來實現(xiàn)。 b)優(yōu)點：適用于專用機的設(shè)計，對所面對的具體 應(yīng)用，其效能是很好的。 c)缺點：不適用于通用機的設(shè)計,2)由下往上 方法：根據(jù)器件條件，先把微程序機器級及傳統(tǒng)機器級研制出來，然后再配合不同的操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)軟件，使應(yīng)用人員根據(jù)所提供的條件來采用合適的算法滿足相應(yīng)的應(yīng)用要求。 3)中間法 方法：既考慮能拿

7、到的硬件、器件，又考慮可能所需的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，先進行軟、硬功能的合理分配 并定義好這個界面，然后從這一中間點分別往上、往下進行軟、硬設(shè)計。,1.4軟件、應(yīng)用、器件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 1.軟件的可移植性 1)概念：指軟件可以不加修改或經(jīng)少量修改，就可以由一臺機器搬到另一臺機器去運行，使得同一套軟件可以應(yīng)用于不同的硬件環(huán)境。 2)優(yōu)點：可以大量節(jié)省重復(fù)工作量，是軟件設(shè)計者可以集中精力更好的改進或開發(fā)全新的軟件。 2.實現(xiàn)可移植性的技術(shù) 1)統(tǒng)一高級語言 2)系列機思想 3)模擬與仿真,1.5系統(tǒng)中的并行性及其分類 1.并行性概念 1)并行性:解題中具有可以同時進行運算或操作的特性。目的是為了能并行

8、處理，提高解題效率。 2)廣義并行性:只要在同一時刻或是在同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不同的工作，在時間上能相互重疊，都稱為并行性。 3)同時性：兩個或多個事情在同一時刻發(fā)生。 4)并發(fā)性：兩個或多個事情在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。,*,2.并行性等級 1)從執(zhí)行角度分 a)指令內(nèi)部 b)指令之間 c)任務(wù)或進程之間 d)作業(yè)或進程之間 2)從數(shù)據(jù)處理角度 a)位串字串 b)位并字串 c)位片串字并 d)全并行,3)從信息加工角度 a)存貯器操作并行 b)處理器操作步驟并行 c)處理器操作并行 d)指令、任務(wù)、作業(yè)并行,3.并行性開發(fā)途徑 1)時間重疊 a)方法：在并行性中引入時間因素

9、，讓多個處理過程在時間上錯開，輪流重復(fù)的使用同一套硬件設(shè)備的各個部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而提高速度。 b)優(yōu)點：不必增加額外硬件設(shè)備就可以提高計算機系統(tǒng)的性價比。 2)資源重復(fù) a)方法：引入空間因素，通過重復(fù)設(shè)置硬件資源來提高可靠性或性能。如雙工系統(tǒng)。 b)優(yōu)點：系統(tǒng)的速度性能得到很大提高。,*,3)資源共享 a)方法：利用軟件的辦法讓多個用戶按一定時間順序輪流使用同一套資源，以提高其利用率，這樣可以提高整個系統(tǒng)的性能。例如，多道程序分時系統(tǒng)就是利用共享CPU、主存資源，以降低系統(tǒng)價格，提高設(shè)備的利用率。 b)優(yōu)點：節(jié)省資源，效率高，介于上述兩種之間。,4.并行處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與多機系統(tǒng)耦合度 1)

10、結(jié)構(gòu) a)流水線計算機 b)陣列處理機 c)多處理機 d)數(shù)據(jù)流機 2)多級系統(tǒng)的耦合度 a)最低耦合只是通過某種介質(zhì)(如磁盤)交換信息，各機之間沒有物理連接，無共享的聯(lián)機硬件資源。,b)松散耦合也叫間接耦合，通過通道或通信線路互連，只共享某些外圍設(shè)備。又分兩種形式：一種形式是多臺計算機通過通道和共享的外圍設(shè)備相聯(lián)；另一種形式是各臺計算機通過通信線路連接成計算機網(wǎng)絡(luò)。這兩種都是非對稱，異步的。 c)緊密耦合也叫直接耦合，通過總線或高速開關(guān)互連，共享主存，信息傳輸速率高，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)集一級、任務(wù)級、作業(yè)級的并行。大多是對稱型多處理系統(tǒng)。,5.計算機系統(tǒng)的分類 1)弗林分類法 根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流的

11、多倍性(是指在系統(tǒng)性能瓶 頸部件上處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可 能個數(shù))狀況對計算機進行分類。 a)單指令流單數(shù)據(jù)流SISD b)單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD c)多指令流單數(shù)據(jù)流MISD d)多指令流多數(shù)據(jù)流MDMD,2)庫克分類法 根據(jù)指令流和執(zhí)行流(Execution Stream)及其多倍 性對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分類。 a)單指令流單執(zhí)行流SISE b)單指令流多執(zhí)行流SIME c)多指令流單執(zhí)行流MISE d)多指令流多執(zhí)行流MIME,3)馮澤云分類法 根據(jù)數(shù)據(jù)處理并行度對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 a)字串位串 b)字串位并 c)字并位串 d)字并位并,第2章 數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng),2.

12、1數(shù)據(jù)表示 2.2尋址方式 2.3指令系統(tǒng)的設(shè)計與改進,2.1數(shù)據(jù)表示 1.數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 1)基本概念 a)數(shù)據(jù)表示：能由機器硬件直接識別和的引用的數(shù)據(jù)類型。 b)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：各種數(shù)據(jù)元素或信息單元之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。 2)兩者關(guān)系 a)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過軟件映像將信息變換成數(shù)據(jù)表示來實現(xiàn)的，表示是結(jié)構(gòu)的元素。 b)不同的表示為結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供不同的支持 c)結(jié)構(gòu)和表示是軟、硬件的交接面,2.高級數(shù)據(jù)表示 1)自定義數(shù)據(jù)表示 a)帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示 b)數(shù)據(jù)描述符 目的：進一步減少標(biāo)志符所占空間，對于向量、 數(shù)組、記錄等數(shù)據(jù)，每個元素具有相同屬性，為此提出了數(shù)據(jù)描述符。 兩者區(qū)別： 標(biāo)志符：與每個數(shù)

13、據(jù)相連，合存一個單元，描述單個數(shù)據(jù)的類型特征。 描述符：和數(shù)據(jù)分開，描述要訪問數(shù)據(jù)是單個還是整塊，及所需地址等信息。,*,2)向量數(shù)組數(shù)據(jù)表示 目的：為向量、數(shù)組的實現(xiàn)和快速運算提供更好的硬件支持，引入了向量數(shù)組數(shù)據(jù)表示，組成向量處理機。 3)堆棧數(shù)據(jù)表示 目的：通用機器對堆棧的實現(xiàn)支持很差，指令較少，功能單一，速度低，多用于保護子程序返回地址，少數(shù)用于參數(shù)傳遞。,3.引入數(shù)據(jù)表示的原則 1)看效率是否提高，即時間和空間是否減少 a)主存與CPU的通訊數(shù)據(jù)是否減少 b)是否節(jié)省了輔助性操作 2)看是否有利于通用性和利用率的提高 若只對某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的效率高，而其它很低，或引入后很少用到，必然導(dǎo)致

14、性價比下降。,4.浮點數(shù)尾數(shù)基值和下溢處理的選擇 1)浮點數(shù)尾數(shù)基值的選擇 a)可表示的范圍 rm增大：最小值減小，最大值增大，從而范圍變大。 b)可表示數(shù)的個數(shù) rm增大：個數(shù)增多 c)數(shù)在實軸上的分布 rm增大：數(shù)的分布越稀，用表示比e衡量。 d)可表示數(shù)的精度 rm增大：數(shù)的分布越稀，則數(shù)的表示精度下降。,*,e)運算中的精度損失 是指運算中尾數(shù)右移處機器字而使有效數(shù)字丟失造成的精度損失，區(qū)別于可表示數(shù)的精度。 rm增大：尾數(shù)右移可能性降低，精度損失減小 f)運算速度 rm增大：左移、右移次數(shù)減少，速度提高 g)表示比e 定義：在相同的p、m時，在rm=2的可表示最大值內(nèi)，采用rm2的可

15、表示浮點數(shù)個數(shù)與rm=2的可表示浮點數(shù)個數(shù)之比。 計算公式： e= 21-p(1-rm -1)(1+ (2p-1)/ log2 rm),2)浮點數(shù)尾數(shù)的下溢處理方法 數(shù)據(jù)運算過程中的相乘或右移，使超出運算器和 存貯器字長的部分丟棄造成精度損失，為減少精度 損失，關(guān)鍵要處理好尾數(shù)下溢問題。 a)截斷法 方法:將尾數(shù)超出機器字部分簡單截去。 最大誤差：整數(shù)接近1，二進制分?jǐn)?shù)接近2-m 正負：正數(shù)產(chǎn)生負誤差 分布：間隔相同，均勻分布。,*,b)舍入法 方法:在規(guī)定字長外增設(shè)一位附加位，存放溢出部分高位，處理時該位加1。 最大誤差：整數(shù)二進制為0.5，分?jǐn)?shù)為2-(m+1)。 正負：有正有負 分布：統(tǒng)計

16、平均誤差接近零，稍偏正，無法調(diào)節(jié) c)恒置“1”法 方法:在規(guī)定字長之最低位恒置成“1”狀態(tài)。 最大誤差：整數(shù)二進制為1，分?jǐn)?shù)為2-m 正負：有正有負。 分布：統(tǒng)計平均誤差接近零，稍偏正，無法調(diào)節(jié),d)查表舍入法 方法:基于存貯邏輯思想，用ROM或PLA存放下溢處理表，當(dāng)k-1位全位“1”時，以截斷法處理；其它以舍入法處理。 最大誤差：最大為1。 正負：有正有負。 分布：不均勻，平均誤差為零，可調(diào)節(jié)。 優(yōu)點：ROM速度快，平均誤差可調(diào)為零，可調(diào)節(jié)。 缺點：增加過多硬件設(shè)備,2.2尋址方式 1.尋址方式分析 1)不同機器的編址方式 a)把部件分類，各自從“0”開始單獨編址，構(gòu)成多個一維線性地址空

17、間。 b)把所有部件統(tǒng)一編成一個從“0”開始的一維線性地址，對部件的訪問反映為對地址的訪問。 c)隱式地址，采用約定的編址方式，不必計算部件地址，加快訪問速度。,2)尋址方式 a)面向寄存器速度快 b)面向堆棧減輕編譯負擔(dān) c)面向內(nèi)存針對大量數(shù)據(jù)操作 3)尋址方式的兩種指明方式 a)占用操作碼的某些位來指明 b)在地址碼部分專門設(shè)置尋址方式位來指明,2.邏輯地址與主存物理地址 1)程序定位方法 a)靜態(tài)再定位 思想:利用馮.諾依曼型機器指令可修改的特點，程序裝入內(nèi)存時，用軟件方法把邏輯地址變換成物理地址，執(zhí)行時物理地址不再改變。 b)動態(tài)再定位 思想:基于變址思想，提出了基址尋址法，增加相應(yīng)

18、基址寄存器和地址加法器，執(zhí)行時邏輯地址加基址即可形成物理地址而訪問。,2)基址尋址與變址尋址 a)變址尋址:對向量、數(shù)組等數(shù)據(jù)塊運算提供支持 以利于實現(xiàn)程序的循環(huán)。 b)基址尋址:對邏輯地址空間到物理地址空間的支持，以利于實現(xiàn)程序的動態(tài)再定位。其實質(zhì)是將靜態(tài)再定位的軟件實現(xiàn)用地址加法器硬件替換，以加快地址變換的速度。 3)界限保護 設(shè)置上下界寄存器，保護上下界地址；還可設(shè)置多對上下界寄存器，保證一道程序可以訪問多個連續(xù)空間。,4)物理地址空間的信息分布 同臺機器可存貯多種寬度信息:字節(jié)、字、半字及雙字等。 a)存貯原則：存貯于主存中的各位信息必須是其信息位數(shù)的整數(shù)倍，即按整數(shù)邊界存貯。 b)優(yōu)

19、點：減少了訪問周期，有利于提高訪問速度。 c)缺點：浪費存貯空間,2.3指令系統(tǒng)的設(shè)計和改進 1.指令格式的優(yōu)化 1)基本概念 a)指令格式的優(yōu)化：用最短的位數(shù)來表示指令的操作信息和地址信息，使程序中指令的平均字長最短。 b)哈夫曼壓縮思想：當(dāng)各種事件發(fā)生概率不等時，概率最高事件用最短位數(shù)表示，概率低事件用長位數(shù)表示，就會使平均位數(shù)縮短?？捎糜诖a、程序、存貯空間、時間等的壓縮。,2)操作碼的優(yōu)化表示 a)目的:縮短指令字長度，減少程序總位數(shù)，增加指令字所能表示的操作信息和地址信息。 b)信息源熵H： H=pilog2pi 其中，pi是指令的使用頻度。 c)定長操作碼的信息冗余量： (實際平均

20、長度H)/實際平均長度,*,d)哈夫曼編碼 將指令的使用頻度由小到大排序 每次選最小兩個頻度結(jié)合一個新節(jié)點 再按頻度大小插入余下未結(jié)合的頻度值中 如此重復(fù)直至全部結(jié)合完畢成根節(jié)點“1” 沿兩個分支，分別用“0”或“1”來表示 這樣，從根節(jié)點開始，沿線到達個頻度指令的 代碼序列就是該指令的哈夫曼編碼。,*,e)擴展操作碼編碼 結(jié)合哈夫曼編碼與定長二進制編碼思想，只用有 限幾種碼長，仍是概率大的事件用長碼，小的用短 碼。以此來縮短碼長，降低冗余量，便于譯碼。 f)常用擴展方法 等長擴展法 15/15/15編碼法 適用于pi在前15種指令中比較大，而在30種指令后急劇減小的情況。 8/64/512編

21、碼法 適用于pi在前8種指令中比較大，且之后的64種 指令的pi也不是過小時。 衡量標(biāo)準(zhǔn):碼長pili最短,3)指令字格式的優(yōu)化 只對操作碼表示優(yōu)化，不對地址碼表示和尋址方 式采取措施，程序所需總位數(shù)難以減少。 a)主存按位編址，指令一條條挨著存貯，會使程序所需總位數(shù)減少，但是速度明顯下降。為了不降低訪存取指速度，就要按整數(shù)邊界存貯。這樣，操作碼優(yōu)化表示所帶來li的縮短只是使指令字內(nèi)出現(xiàn)空白浪費(冗余)。顯然只有地址碼也是可變長的，才能用上空白部分。 b)地址碼長度優(yōu)化 從訪存范圍考慮，地址碼越長越好 在滿足尋址范圍前提下，可以縮短其位數(shù),*,c)尋址方式 基址尋址：指明基址寄存器號 相對尋址

22、：指明相對位移，相對位移不會太大。 地址分段：地址由段號和段內(nèi)地址組成。段內(nèi)轉(zhuǎn)移，不需指明段號；斷間轉(zhuǎn)移，指明段號。 寄存器間接尋址：操作數(shù)存在寄存器內(nèi)或經(jīng)寄存器訪存，則地址碼寬度只需窄到指明寄存器號就可以了。,2.按CISC方向發(fā)展與改進指令系統(tǒng) 1)改進思路 如何進一步增強原有指令的功能以及設(shè)置更為 復(fù)雜的新指令取代原來由子程序完成的功能，實現(xiàn) 軟件功能的硬化。結(jié)果是系統(tǒng)愈加龐大、復(fù)雜，稱 為復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(Complex Instruction Set Computer,CISC)。 2)CISC的改進途徑(三個) a)面向目標(biāo)程序的優(yōu)化實現(xiàn)來改進 目的：提高各機器語言目標(biāo)程序的效率

23、，減少存貯空間，提高運行速度，容易實現(xiàn)。,*,思路： 思路一：按統(tǒng)計出的指令和指令串的使用頻度來分析改進 靜態(tài)使用頻度：對程序中出現(xiàn)的指令及指令串進行統(tǒng)計得到的百分比。目的是減少目標(biāo)程序所占用的存貯空間。 動態(tài)使用頻度：在目標(biāo)程序執(zhí)行中對指令和指令串統(tǒng)計的百分比。目的是減少目標(biāo)程序的執(zhí)行時間。 思路二：增設(shè)強功能的復(fù)合指令，取代原先由宏指令或子程序?qū)崿F(xiàn)的功能，可以提高運算速度，減少程序調(diào)用的額外開銷，也減少子程序所占用的空間。,原則： 原則一：不刪改原有指令，增設(shè)強功能指令替代對“瓶頸”有直接影響的常用指令，以滿足軟件向后兼容，從而新指令程序效率更高。 原則二：盡量減少程序中如存取、傳送、轉(zhuǎn)移

24、、比較等不執(zhí)行數(shù)據(jù)變換的非功能型指令，增加真正執(zhí)行數(shù)據(jù)變換的加、減、乘、除等功能型指令的比例。,b)面向高級語言的優(yōu)化來實現(xiàn) 目的：盡可能縮短高級語言和機器語言的語義差距，以利于支持高級語言的編譯系統(tǒng)，縮短編譯程序的長度和編譯所需的時間。 思路： 對源程序中各高級語言的使用頻度進行分析 面向編譯，優(yōu)化代碼生成來實現(xiàn) 改進指令系統(tǒng) 動態(tài)切換 發(fā)展高級語言機器,c)面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化來實現(xiàn) 目的：縮短OS與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的語義差距，減少運行OS所需的輔助時間，節(jié)省OS軟件所占用的存貯空間。 思路： 統(tǒng)計和分析OS中常用指令(串)的使用頻度 增加專用于OS的新指令 硬化或固化子程序的某些功能 發(fā)展功能分布

25、處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu),3)CISC的結(jié)構(gòu)和思路存在的問題 a)指令系統(tǒng)龐大，設(shè)計麻煩，周期長，成本高， 可靠性低，查錯和糾錯代價大。 b)指令操作煩雜，執(zhí)行速度很低。 c)難以優(yōu)化編譯生成真正高效的機器語言。 d)各種指令使用頻度不高，且差別大，有些指 令利用率很低，降低系統(tǒng)性價比。,3.按RISC方向發(fā)展與改進指令系統(tǒng) 1)RISC的改進思路 通過減少指令總數(shù)和簡化指令功能來降低硬件設(shè) 計的復(fù)雜度，提高指令執(zhí)行速度。按這種途徑和方 向發(fā)展，使機器指令精練簡單，因此稱為精簡指令 系統(tǒng)計算機(Reduced Instruction Set ComputerRISC)。,2)RISC的設(shè)計原則 a)只選擇

26、使用頻度高的指令，增加少量有效支 持OS和高級語言實現(xiàn)的有用指令，減少條數(shù)。 b)減少系統(tǒng)可用的尋址方式，簡化指令的格式， 限于兩種內(nèi)，讓全部指令等長。 c)讓所有指令都在一個機器周期內(nèi)完成。 d)增加通用寄存器以減少訪存操作，所有指令 只有存、取可以訪存，其它都在寄存器間進行。 e)指令多數(shù)用硬聯(lián)控制，少數(shù)用微程序控制。 f)以簡單有效的方式支持高級語言的實現(xiàn)。,3)RISC結(jié)構(gòu)采用的基本技術(shù) a)遵循按RISC機器一般原則設(shè)計的技術(shù)。 b)在邏輯上采用硬聯(lián)實現(xiàn)和微程序固件實現(xiàn)相結(jié)合的技術(shù)。 c)在CPU中設(shè)置數(shù)量較大的寄存器組，并采用重疊寄存器窗口的技術(shù)。 d)指令的執(zhí)行采用流水和延遲轉(zhuǎn)移

27、技術(shù)。 e)采用認真設(shè)計和優(yōu)化編譯系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)。,*,第3章總線、中斷與I/O系統(tǒng),3.1輸入輸出系統(tǒng)概述 3.2總線設(shè)計 3.3中斷系統(tǒng) 3.4通道處理機 3.5外圍處理機,3.1 I/O系統(tǒng)概述 1. I/O系統(tǒng)的功能 1)功能：對指定的外設(shè)進行輸入、輸出操作，同時完成其它的管理和控制。 2)包括： a)對指定外設(shè)的信息編址，連接好主存與指定外設(shè)的信息通路。 b)完成指定外設(shè)編址區(qū)和OS指定的主存空間之間的信息傳送。 c)對傳送信息的格式變換，產(chǎn)生有關(guān)I/O操作是否完成或出錯的信息，經(jīng)中斷系統(tǒng)交給OS分析處理,2. I/O系統(tǒng)的三種方式 1)程序控制I/O a)全軟的 b)程序查詢狀態(tài)驅(qū)

28、動的鍵盤 c)中斷驅(qū)動的中斷控制器8259A 2)直接存貯器訪問(DMA) 3)I/O處理機 a)通道方式(Channel) 有自己的指令和程序，功能簡單，使用面窄。 b)外圍處理機方式(PPU) 獨立性、通用性和功能較強。,3.2總線設(shè)計 I/O系統(tǒng)總線既要能傳送數(shù)據(jù)信息、地址信息、控 制信息，還要傳送狀態(tài)信息，并使多臺外設(shè)與CPU 或主存交叉地經(jīng)這些總線傳送信息。所以其設(shè)計的 好壞，對I/O系統(tǒng)的性能影響較大。 1.總線的類型 1)按信息傳送方向分 a)單向傳輸 b)雙向傳輸 半雙向 全雙向,2)按用法分 a)專用總線 定義：只連接一對物理部件的總線 優(yōu)點： 多個部件可以同時發(fā)送和接受信息

29、，幾乎不必爭用總線，系統(tǒng)流量高。 控制簡單，不用指明信息源和目的。 任何總線的失效只影響相連的兩個部件不能 直接通信，但可以間接通信，系統(tǒng)可靠性高。,缺點： 總線數(shù)目多，N個部件全部互連需N(N-1)/2組總線 難以小型化、集成電路化，總線長時成本高。 利用率低 不利于模塊化，增加一個部件要增加許多新的接口和連線。,b)非專用總線 定義：可以被多種功能或多個部件分時共享，同 一時刻只有一對部件使用總線進行通信。 優(yōu)點： 總線少，造價低。 接口標(biāo)準(zhǔn)化、模塊性強，易于簡化接口設(shè)計 擴充能力強，多重總線提高帶寬和可靠性 缺點： 經(jīng)常出現(xiàn)總線爭用，系統(tǒng)流量小。 可能成為系統(tǒng)速度瓶頸，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓,2.

30、總線的控制方式 1)控制方式 a)集中式控制 總線控制邏輯基本上集中放在一起，或者放在連 接總線的一個部件中，或者是放在單獨的硬件中。 b)分布式控制 總線控制邏輯分散于連到總線的各個部件中。 2)優(yōu)先次序的三種確定方式 a)串行鏈接方式 完全由“總線可用”線所接部件的物理位置來決定 其優(yōu)先次序，離總線控制器越近部件優(yōu)先級越高。,*,b)定時查詢方式： 總線分配前計數(shù)器清“0”,從“0”開始查詢，優(yōu)先級排序類似串行鏈接。 總線分配前不清“0”，從中止點繼續(xù)查詢，是循環(huán)優(yōu)先級，部件使用總線機會均等。 總線分配前將計數(shù)器設(shè)置初值，可以指定某個部件為最高優(yōu)先級。 總線分配前將部件號重新設(shè)置，可以為各

31、部件指定任意希望的優(yōu)先級。 c)獨立請求方式： 總線控制器根據(jù)某種算法來仲裁,3.總線的通信技術(shù) 1)同步通信 a)方式：兩個部件之間的信息傳送是通過定寬、定距的系統(tǒng)時標(biāo)進行同步的。 b)優(yōu)點：信息傳送速率高，受總線長度影響小。 c)缺點： 時鐘在總線上的時滯會導(dǎo)致誤同步 時鐘線上的干擾信號易引起誤同步 為了可靠性加寬時間片可能使數(shù)據(jù)傳送速率低于異步通信。,2)異步通信 由于I/O總線一般是為具有不同速度的許多I/O設(shè) 備所共享，因此宜采用異步通信。異步通信可分為 單向控制和雙向(請求/回答)控制。 a)異步單向控制 通信過程中只由源或目的部件中的一個控制，分 為單向源控制和單向目的控制兩種。

32、 b)異步雙向控制 目控式異步雙向通信 源控式異步雙向通信,4.數(shù)據(jù)寬度與總線線數(shù) 1)基本概念 a)數(shù)據(jù)寬度：I/O設(shè)備取得總線使用權(quán)后所傳送數(shù)據(jù)的總量,可能經(jīng)多個時鐘周期分時傳送。 b)數(shù)據(jù)通路寬度：指數(shù)據(jù)傳送的物理寬度，比如16bit，32bit等，即一個時鐘周期傳送的信息量。 2)數(shù)據(jù)寬度種類 有單字(或單字節(jié))、定長塊、可變長塊、單字加 定長塊及單字加可變長塊等。,*,*,a)單字(或單字節(jié))寬度 適于輸入機、打印機等低速設(shè)備，每傳完一個字 (字節(jié))后等待時間長，期間釋放總線，為其它設(shè)備 服務(wù)，提高總線利用率和系統(tǒng)效率。 不適于磁盤、磁帶等快速設(shè)備，一旦開始傳送， 速率很高，重新分配

33、總線降低效率。 優(yōu)點:不指明信息長度，減少輔助開銷。 缺點:要求總想控制邏輯高速分配總線，防礙總 線采用更為合理的分配算法。,b)定長塊寬度 優(yōu)點：適于磁盤等高速設(shè)備，不指明傳送信息寬度，簡化控制，可按整個信息塊進行校驗。 缺點：塊大小固定，當(dāng)比所傳信息塊小時，仍多次分配總線；當(dāng)大于所傳信息塊時，就會浪費總線的帶寬和緩沖器空間。 c)可變長塊寬度 優(yōu)點；適于高優(yōu)先級的中高速設(shè)備，可動態(tài)改變傳送塊的大小，有效利用總線的帶寬。 缺點：要增大緩沖器空間和增加信息塊大小的輔助開銷和控制。,d)單字加定長塊寬度 優(yōu)點:適于速度低而優(yōu)先級高的設(shè)備的總線。 定長塊不必過大，超過部分可以用單字處理，減少總線帶

34、寬、部件緩沖空間的浪費。 缺點:信息塊小于定長塊少時，總線利用率低。 e)單字加可變長塊寬度 靈活有效，適應(yīng)掛有各種設(shè)備的總線，但代價大,3)總線的線數(shù) a)制約因素 總線線數(shù)越多，成本高，干擾大，可靠性低，占用空間大，但是傳送速度和流量大。 總線長度越長，成本高，干擾大，波形畸變越嚴(yán)重，可靠性低。 b)原則: 總線越長，其線數(shù)應(yīng)盡可能減少。 在滿足性能要求及通信類型和速率的情況下，應(yīng)盡量減少總線的線數(shù)。,3.3中斷系統(tǒng) 1.中斷的分類和分級 1)基本概念 a)中斷源：引起中斷的各種事件。 b)中斷請求：中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求中斷的申請。同時可以有多個中斷請求，這時中斷系統(tǒng)要根據(jù)中斷響應(yīng)優(yōu)先

35、次序?qū)?yōu)先級高的中斷請求予以相應(yīng)。 c)中斷響應(yīng)：就是允許其中斷CPU現(xiàn)行程序的運行而轉(zhuǎn)去對該請求進行預(yù)處理，包括保存斷點現(xiàn)場，調(diào)出相應(yīng)中斷處理程序，準(zhǔn)備運行。也可以屏蔽這一請求使其暫時得不到響應(yīng)。,2)中斷分類 a)中斷(Interrupt) 專指與當(dāng)前進程運行無關(guān)的請求暫停的事件，如 機器故障中斷請求、外設(shè)中斷請求、定時中斷請求 等。中斷可以被屏蔽，暫時保存在中斷寄存器，屏 蔽解除后繼續(xù)得到響應(yīng)和處理。 b)異常(Exception) 由現(xiàn)行指令引起的暫停事件，如頁面失效、溢出 等，一般不能屏蔽，立即得到響應(yīng)和處理。,*,自陷(Trap) 發(fā)生在引起異常的指令執(zhí)行的末尾，處理后返回 原先正

36、常程序的下一條指令繼續(xù)執(zhí)行。 故障(Fault)、 發(fā)生在執(zhí)行指令的過程中，處理后返回原先發(fā)生 故障的那條指令出重復(fù)執(zhí)行。 失敗(Abort) 也發(fā)生在指令執(zhí)行過程中，需強制干預(yù)或系統(tǒng)復(fù) 位才可以使指令再正確執(zhí)行下去。,3)中斷級別 根據(jù)中斷的性質(zhì)、緊迫性、重要性以及軟件處理 的方便性把中斷源分級。優(yōu)先級高低的劃分，不同 機器有所差異，一般把機器校驗安排為第一級，程 序性和管理程序調(diào)用為第二級，外部為第三級，I/O 為第四級，重新啟動為最低級。,*,4)中斷響應(yīng)次序與處理次序 a)中斷響應(yīng)次序 同時發(fā)生多個中斷請求時，由中斷響應(yīng)硬件的排 隊器所決定的響應(yīng)次序，次序是固定的。 b)中斷處理次序

37、一個中斷處理程序執(zhí)行前或中再有其它中斷產(chǎn)生 時中斷處理完的次序，可以不同于響應(yīng)次序。 c)處理原則 在處理某級中斷時,只有更高級的請求到來才轉(zhuǎn) 去響應(yīng)和處理，完成后返回原中斷繼續(xù)處理。,*,5)中斷處理次序改變 a)方法： 設(shè)置中斷級屏蔽位寄存器硬件以決定是否讓某級中斷請求進入中斷響應(yīng)排隊器，只要進入排隊器中斷請求，就讓級別高的優(yōu)先得到響應(yīng)。 OS對每類中斷處理程序的現(xiàn)行PSW中的中斷級屏蔽位進行設(shè)置，可以實現(xiàn)希望的處理次序。 b)優(yōu)點： 改變響應(yīng)次序中用排隊器硬件實現(xiàn)的固定次序為OS軟件實現(xiàn)的靈活性。,*,2.中斷系統(tǒng)的軟硬件功能分配 1)中斷系統(tǒng)的功能 a)中斷請求的保存和清除 b)優(yōu)先級

38、的確定 c)中斷斷點及現(xiàn)場的保存 d)對中斷請求的分析和處理 e)中斷返回,2)功能的實現(xiàn) a)早期大部分功能是由軟件完成的，中斷響應(yīng)和中斷處理時間長。 b)后來中斷響應(yīng)及其次序由程序查詢軟件的方法改為中斷響應(yīng)排隊器硬件實現(xiàn)；中斷源的分析也由程序查詢改為硬件編碼，直接或經(jīng)中斷向量表形成入口地址，并把中斷源的狀況以中斷碼的方式經(jīng)舊PSW告知中斷處理程序。 3)中斷系統(tǒng)性能指標(biāo) a)中斷響應(yīng)時間 b)靈活性,3.4通道處理機 1.工作原理 1)原因 a)為了I/O與CPU、主存并行操作，以及讓多用戶或多道程序共同運行。 b)防止用戶自行輸入而破壞其他用戶程序或系統(tǒng)程序及用戶竊取系統(tǒng)不該讓其讀出的內(nèi)

39、容。 2)工作過程 具體見P110圖3.9，P110圖3.10及P111圖3.11。,3)類型： a)字節(jié)多路通道 適用于連接大量字符低速設(shè)備,傳送一個字符或字 節(jié)占用時間短,但等待時間長。數(shù)據(jù)通路寬度為單字 節(jié)，采用字節(jié)交叉方式提高效率，或多個子通道獨 立并行工作。 b)數(shù)組多路通道 適合于磁盤等高速設(shè)備，傳送速率高，但傳送前 輔助操作時間長。數(shù)據(jù)寬度為定長塊，傳送K個字 節(jié)后重選設(shè)備進行下K個字節(jié)的傳送。多個子通道 分時共享I/O通路，成組交叉并行傳送。,c)選擇通道 適合于優(yōu)先級高的高速設(shè)備，獨占通道，只能執(zhí) 行一道通道程序。數(shù)據(jù)寬度為可變長塊，一次將N 個字節(jié)全部傳送完畢，傳送期內(nèi)只選

40、一次設(shè)備。 2.通道流量分析 1)通道流量 通道在數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)，單位時間內(nèi)所傳送的字節(jié) 數(shù)。它所能達到的最大流量稱為通道極限流量。 2)影響極限流量的因素 a)工作方式 b)數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)選擇一次設(shè)備的時間TS c)傳送一個字節(jié)的時間TD,*,3)極限流量 a)字節(jié)多路通道:每選一臺設(shè)備傳送一個字節(jié)。 fmax.byte=1/(TS+TD) b)數(shù)組多路通道:每選一條設(shè)備傳送K個字節(jié)。 fmax.block=k/(TS+kTD)=1/(TS/k+TD) c)選擇通道:每選一臺設(shè)備就把N個字節(jié)傳送完。 fmax.select=N/(TS+NTD)=1/(TS/N+TD) 若TS ,TD一定，Nk，

41、則： fmax.select fmax.block fmax.byte,*,4)實際最大流量 a)字節(jié)多路通道: fbyte.j= fi.j b)數(shù)組多路通道： fblock.j =max fi.j c)選擇通道： fselect.j =max fi.j,*,5)設(shè)計原則 a)極限流量大于等于實際最大流量 b)極限流量與實際最大流量的差值越小越好 fmax.byte.j = fbyte.j fmax.block.j = fblock.j fmax.select.j = fselect.j 如果I/O系統(tǒng)由m個通道，則： fmax= fmax.byte.j + fmax.block.j + fm

42、ax.select.j 且: fmax= fi.j + max fi.j + max fi.j,*,6)缺點： a)并非獨立的處理機，指令簡單，無大容量存貯器 b)I/O過程中需要CPU承擔(dān)很多工作。 c)流水等組成技術(shù)因為I/O中斷而不能發(fā)揮作用，CPU速度嚴(yán)重下降。 d)訪管中斷轉(zhuǎn)入I/O管理程序妨礙CPU資源的合理利用。,3.5外圍處理機(PPU) 1.外圍處理機的優(yōu)點 1)更接近于一般的處理機，指令豐富，功能強。 2)獨立于主處理機異步工作。 3)可以與主處理機共享或不共享主存。 4)可以自由選擇通道和設(shè)備進行靈活通信。 2.缺點： 就硬件利用率和成本來講不如通道處理機好，但 隨著器件

43、技術(shù)不斷提高，成本在逐漸降低。,第4章 存貯體系,4.1存貯體系的形成與性能 4.2虛擬存貯 4.3高速緩沖存貯器Cache 4.4主存保護,4.1 存貯體系的形成與性能 1.存貯器的性能要求 1)大容量 SM=W l m W：存貯體的字長，單位為bit或Byte。 l：每個存貯體的字?jǐn)?shù)。 m：并行工作的存貯體的個數(shù)。 2)低價格 可以用總價格C或每位價格c來表示。具有SM位 的存貯器每位價格c=C/SM。其中包括了存貯器本身,的價格和為該存貯器操作必須的外圍電路的價格。 3)高速度 a)訪問時間TA TA是存貯器接到訪存到信息被讀到數(shù)據(jù)總線上 所需的時間。是確定CPU與存貯器時間關(guān)系的重要

44、指標(biāo)。 b)存貯周期TM TM是連續(xù)啟動一個存貯體所需要的時間間隔。 一般來說總比TA大。,c)存貯器頻寬 是指存貯器可以提供的數(shù)據(jù)傳送率，一般用每秒 鐘所傳送的信息位數(shù)來衡量。 最大頻寬BM(極限頻寬)：是存貯器連續(xù)訪問時能 提供的頻寬。 單體： BM =W/TM m體并行工作：BM =mW/TM 實際頻寬：實際頻寬小于最大頻寬BM,4)結(jié)論 由于存貯器的價格、速度和容量的要求是相互矛 盾的，為了同時滿足三方面的要求，在一個完整的 存貯體系中，必須采用不同工藝的存貯器，使得信 息以各種方式分布于不同的存貯體。 2.并行主存系統(tǒng)頻寬的分析 1)類型 a)單體單字 b)單體多字 c)多體單字交叉

45、 d)多體多字交叉,2)分析結(jié)論 由于程序的轉(zhuǎn)移概率不會很低，數(shù)據(jù)分布的離散 性較大，所以單純靠增大m來提高并行主存系統(tǒng)的 頻寬是有限的，且性價比還會隨m的增大而下降。 如果采用并行主存系統(tǒng)仍不能滿足速度上的要求， 就必須從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上改進，采用存貯體系。 3.存貯體系的形成與分支 1)容量需求 主存輔存存貯層次 程序局部性,2)速度需求 Cache主存存貯層次 程序局部性 3)多級存貯層次 4.存貯體系的性能參數(shù) 1)存貯體系的每位平均價格c 2)命中率H=R1/(R1+R2) 3)等效訪問時間 TA=HTA1+(1-H)TA2,4.2虛擬存貯器 1.管理方式 1)段式管理 a)思想： 根據(jù)程

46、序的模塊性，把一個復(fù)雜的大程序分解成 多個邏輯上相對獨立的模塊。 b)段表 為了進行段式管理，每道程序都由一個段表(映像 表)，以存放該程序各程序段裝入主存的狀況信息。,*,段名(號)：實際由于段號與行對應(yīng)，省略掉 裝入位：表征是(1)否(0)已調(diào)入主存 地址：調(diào)入主存時，在主存的起始(絕對)地址 段長：段的大小，限制偏移越界 訪問方式：只讀、可寫、只執(zhí)行，提供訪問保護 c)段表基址寄存器 斷表長度:該道程序的斷數(shù)(斷表行數(shù)) 斷表基地址:程序的斷表在主存中的起始地址,d)虛擬地址 基號(程序號):斷表在斷表基址寄存器的位置 段號:段在斷表中的位置 段內(nèi)位移:所訪問單元在段內(nèi)的偏移 e)實主存

47、管理表 占用區(qū)域表 可用區(qū)域表 f)可用區(qū)域分配算法 首先分配算法 最佳分配算法,2)頁式管理 思想： 把主存空間和程序空間都機械的等分成固 定大小的頁(頁面大小因機器不同而異，一般在512 到幾kB)然后按頁順序編號。 3)段頁式管理 思想：把內(nèi)存機械的等分成固定大小的頁，把程 序按模塊分段，每個段分成與主存頁面大小相同的 頁，每道程序通過一個段表和相應(yīng)于每段的一組頁 表來進行定位。 問題：二次查表，費時間,*,*,2.頁式虛擬存貯器的構(gòu)成 1)地址映像與變換 a)地址映像 就是將虛存單元按某種規(guī)則裝入(定位于)實存， 即建立多用戶虛地址NS與實存地址np的對應(yīng)關(guān)系。 b)地址變換 指的是程

48、序按這種映像關(guān)系裝入實存后，在執(zhí)行 時多用戶虛地址NS如何變換成對應(yīng)的實地址np。 c)全相聯(lián)映像 讓每道程序的任何虛頁可以映像裝入到主存的任何 實頁位置,*,2)替換算法 a)目的 當(dāng)輔存中的頁面調(diào)入主存發(fā)生頁面爭用時，只有強 制騰出主存中某頁后，才能接納從輔存調(diào)來的新頁 面。替換算法就是解決具體從主存中選擇哪一頁作 為被替換的頁。 b)原則 有高的主存命中率 算法便于實現(xiàn) 輔助軟、硬件成本盡量低,c)常用算法 隨機算法(Random,RAND) 先進先出算法(First In First Out,FIFO) 近期最少使用算法(Least Recently Used,LRU) 優(yōu)化替換算法(

49、OPT)衡量標(biāo)準(zhǔn) d)堆棧型替換算法 保證命中率隨主存頁數(shù)的增加只可能提高，至少 不會下降。 e)頁面失效頻率法(PFF) 根據(jù)各道程序運行中的主存頁面失效率的高低,由 OS來動態(tài)調(diào)節(jié)分配給每道程序的實頁數(shù)。,3)影響命命中率的因素 a)與替換算法有關(guān) b)命中率與頁地址流有關(guān) c)與主存容量(即分配給程序的主存頁數(shù))有關(guān) LRU/FIFO/OPT替換算法進行頁面替換的過程模 擬。 4)虛擬存貯器工作的全過程 P144圖4.25頁式虛擬存貯器工作原理,*,*,3.頁式虛擬存貯器實現(xiàn)中的問題 1)頁面失效處理 后援寄存器技術(shù) 預(yù)判技術(shù) 解決方法 替換算法 頁面大小不能過大 2)提高虛擬存貯器等效

50、訪問速度的措施 a)快表慢表 b)散列快表硬件實現(xiàn)散列函數(shù),3)影響主存命中率和CPU效率的某些因素 a)與Sp有關(guān) P150圖4.30 頁面大小Sp 、容量S1與命中率H的關(guān) 系曲線圖 b)命中率與主存容量S1有關(guān) P151圖4.31命中率H與容量S1的關(guān)系圖 c)與所采用的頁面調(diào)度策略有關(guān),4.3高速緩沖存貯器(Cache) 1.基本結(jié)構(gòu) 特點：9個方面(與虛擬存貯器對比) 2.地址的映像與變換 1)全相聯(lián)映像和變換 a)規(guī)則：主存中的任意一塊均可映像裝入到Cache 內(nèi)的任意一塊的位置。 b)地址變換過程 c)優(yōu)缺點 塊沖突率低；代價大，查表速度難以提高。,2)直接映像及其變換 規(guī)則：主

51、存中每一塊只能映像到Cache中唯一一個 特定位置：主存的第i塊只能映像到第imod2ncb塊位 置上。相當(dāng)于把主存空間按Cache空間分區(qū)，每區(qū) 內(nèi)各塊只能按位置一一對應(yīng)到Cache相應(yīng)位置上。 3)組相聯(lián)映象及其變換 規(guī)則：把主存按Cache大小分區(qū)，整個Cache是一 區(qū)，每個區(qū)再分成相等的組，組內(nèi)分塊。組間直接 映象，組內(nèi)各塊全相聯(lián)映象。,*,*,4)段相聯(lián)映象 規(guī)則：把主存和Cache分成具有相同的Z塊的若干 段，段與段之間采用全相聯(lián)映象，而段內(nèi)各塊之間 采用直接映象，實質(zhì)上就是組相聯(lián)映象的特例。 3.替換算法的實現(xiàn) 1)堆棧法 思想：棧頂恒存放近期最久訪問過的頁的頁號， 而棧底恒存

52、放近期最久沒有訪問過的頁的頁號，即 準(zhǔn)備被替換掉的頁的頁號。按此思想組成一個硬件 堆棧。,*,2)比較對法 思路：讓各個塊成對組合，用一個觸發(fā)器的狀態(tài) 來表示該比較對內(nèi)兩塊訪問的遠近次序，再經(jīng)門電 路就可以找到LRU塊。 4. Cache的透明性及性能分析 1)Cache的透明性分析 a)寫回法 在CPU執(zhí)行寫操作時，只是把信息寫入Cache， 僅當(dāng)需要被替換時，才將已經(jīng)被寫入過的Cache塊 先送回主存，然后再調(diào)入新塊。,*,b)寫直達法 也稱為存直達法，它利用Cache主存存貯層 次在處理機和主存之間的直接通路，每當(dāng)處理機寫 入Cache的同時，也通過此通路直接寫入主存。 2)Cache的

53、取算法 a)預(yù)取法 b)塊的大小 c)預(yù)取開銷 3)任務(wù)切換對失效率的影響 a)與任務(wù)的切換頻度(平均時間間隔Qsw)有關(guān) b)與Cache的容量有關(guān),4)影響Cache存貯器性能的因素 a)不命中率與Cache的容量、組的大小和塊的大小 的一般關(guān)系 看P168圖4.47塊的大小、組的大小與Cache容量對 Cache命中率的影響。 b)Cache主存存貯層次的等效速度與命中率的 關(guān)系 5.Cache主存輔存存貯層次 1)對應(yīng)于虛地址的單元已在Cache中 2)對應(yīng)單元已在主存但尚未調(diào)入Cache 3)對應(yīng)單元還不在主存,4.4主存保護 1.存貯區(qū)域的保護 1)頁表保護 2)鍵方式 3)環(huán)式保

54、護 2.訪問方式的保護,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模擬試題,模擬試題一 一.簡答題(40分) 1.什么是透明性概念？對于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？ 存貯器的模m交叉存?。桓↑c數(shù)數(shù)據(jù)表示；I/O系統(tǒng)是采用通道方式還是外圍處理機方式；數(shù)據(jù)總線寬度；字符行運算指令；陣列運算部件；通道是采用結(jié)合型還是獨立型；訪問方式保護；程序性中斷；串行、重疊還是流水控制方式；堆棧指令；存貯器的最小編址單位；Cache存貯器。 2.當(dāng)浮點數(shù)尾數(shù)基值減小時，對機器數(shù)的表示會產(chǎn)生哪些方面的影響(至少列舉5點)？,3.試述CISC的改進途徑及其目的。 4.描述總線控制方式中采用集中式串行鏈接時，總線的分配過程。

55、 5.試區(qū)別中斷響應(yīng)次序與中斷處理次序。 6.在頁式虛擬存貯器中，什么叫頁面失效？什么叫頁面爭用？什么時候兩者同時發(fā)生？什么時候兩者不會同時發(fā)生？ 7.描述Cache存貯器的組相聯(lián)映象及其變換。 8.段式管理的思想是什么？,二.問答題(30分) 1.浮點數(shù)尾數(shù)下移處理有哪些方法？各種方法的思想、最大誤差、誤差的分布及正負情況是什么？ 2.三種通道的極限流量與實際最大流量是怎么計算的？設(shè)計時應(yīng)滿足什么式子？ 3.在一個頁式二級虛擬存貯器中，采用FIFO算法進行頁面替換，發(fā)現(xiàn)命中率H太低，有下來建議： (1)增大輔存容量； (2)增大主存容量(頁數(shù)); (3)增大主、輔存的頁面大小; (4)FIF

56、O改為LRU; (5)FIFO改為LRU，并增大主存容量(頁數(shù))； (6)FIFO改為LRU ,且增大頁面大小。 試分析上述各建議對命中率的影響情況。,三.計算題(30分) 1.某機器有10條指令，使用頻度分別為： 0.01，0.15，0.12，0.07，0.08， 0.13，0.15，0.03，0.17，0.09。 (1)計算用等長操作碼編碼的平均碼長； (2)構(gòu)造Huffman樹； (3)寫出Huffman的一種編碼，并計算其平均碼長； (4)只有二種碼長，求平均碼長最短的擴展操作碼編碼及其平均碼長。,2.Cache分S124塊，主存分S228塊，讓主存第i塊映象裝入到Cache中的第j塊

57、，ji mod S1 。 (1)這是什么映象規(guī)則？ (2)畫出主存地址到Cache地址變換過程的示意圖，圖中應(yīng)標(biāo)示出主存與Cache地址各字段位數(shù)及對應(yīng)關(guān)系；指出用于地址映象變換的輔助表存貯器的寬度和單元數(shù)；并對變換過程作簡單的文字說明。,模擬試題一參考答案,一.簡答題 1.【解答】客觀存在的事物或?qū)傩?，從某個角度看去卻看不到，稱這些事物和屬性對他是透明的。透明了就可以簡化這部分的設(shè)計，然而因為透明而無法控制和干預(yù)，就會帶來不利。因此，透明性的取舍要正確選擇。 對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)透明的有：存貯器的模m交叉存取；數(shù)據(jù)總線寬度；陣列運算部件；通道是采用結(jié)合型還是獨立型；串行、重疊還是流水控制方式；C

58、ache存貯器。,對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不透明的有：浮點數(shù)數(shù)據(jù)表示；I/O系統(tǒng)采用通道方式還是外圍處理機方式；字符行運算指令；訪問方式保護；程序性中斷；堆棧指令；存貯器最小編址單位。 2.【解答】(1)數(shù)的可表示范圍縮??； (2)可表示數(shù)的總個數(shù)減少； (3)數(shù)在數(shù)軸上的分布變密； (4)機器數(shù)的精度提高； (5)運算過程中的精度損失增大； (6)運算速度有所降低。,3.【解答】(1)面向目標(biāo)程序的優(yōu)化實現(xiàn)來改進 目的：提高各機器語言目標(biāo)程序的效率，減少存 貯空間，提高運行速度，容易實現(xiàn)。 (2)面向高級語言的優(yōu)化來實現(xiàn) 目的：盡可能縮短高級語言和機器語言的語義差 距，以利于支持高級語言的編譯系統(tǒng)，

59、縮短編譯程序的長度和編譯所需的時間。 (3)面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化來實現(xiàn) 目的：縮短OS與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的語義差距，減少運行OS所需的輔助時間，節(jié)省OS軟件所占用的存貯空間。,4.【解答】集中式串行鏈接總線的原來如下圖： 各部件經(jīng)公共的“總線請求”線向總線控制器發(fā)出 使用總線的請求。僅當(dāng)“總線忙”未建立時，控制器 在“總線可用”線上發(fā)出“總線可用”信號，串行送往 各個部件。如果某部件未發(fā)“總線請求”信號，就將,部件 0,部件 1,部件 N-1,總線控制器,總線可用,總線請求,總線忙,集中式串行鏈接總線控制原理圖,“總線可用”信號順鏈下去；否則，停止下傳，向“總 線忙”送出信號，并取出該部件的“總線請求”，此次 總線分配結(jié)束