计算机系统结构
2020-07-29 17:22:10 65 举报AI智能生成
计算机系统结构是指计算机硬件和软件之间的相互关系和组织方式。它包括了计算机的中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等硬件组件，以及操作系统、编程语言、数据库管理系统等软件组件。计算机系统结构的目标是实现高效的信息处理和管理，以支持各种应用需求。常见的计算机系统结构有单处理器系统、多处理器系统、并行处理器系统等。随着科技的发展，计算机系统结构也在不断演进，如云计算、分布式计算等新兴技术的出现，为计算机系统结构带来了新的挑战和机遇。
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大纲/内容
第1章 计算机系统结构概论
计算机系统的层次结构
现代计算机系统可分为哪几层
第五级 虚拟机器
第四级 虚拟机器
第三级 虚拟机器
第二级 虚拟机器
第一级 实际机器
第零级 实际机器
计算机系统的多级层次结构
计算机系统结构、计算机组成和计算机实现
计算机系统的组成
硬件
软件
计算机组成设计要确定的方面一般应包括
组成、和实现的定义以及研究方面
三者之间的关系和影响
透明性概念
计算机系统结构的定义和内涵
计算机系统结构的属性包括
计算机实现
计算机系统的软硬件取舍及定量设计原理
软、硬件实现的优缺点
软硬件取舍的基本原则
原则1
原则2
原则3
总结
计算机系统的定量设计
1 .哈夫曼（Huffman）压缩原理
2. Amdahl定律
3.程序访问的局部性定律
计算机系统设计的主要任务
1）要弄清其应用领域是专用的还是通用的。
2）要弄清软件兼容是放在哪级层次。
3）要弄清对操作系统有何种要求。
4）要如何保证有高的标准化程度。
计算机系统的设计方法
1）“由上往下”设计，也称“由顶向底”设计。
2）“由下往上”设计，也称“由底向顶”设计。
3）“从中间开始”向两边设计。这是通用机一般采用的方法。
软件发展对系统结构的影响
1.统一高级语言
2.采用系列机
3.模拟和仿真
仿真和模拟的主要区别
3种设计思路和存在的问题
“由中间开始”的设计方法
软件、应用、器件的发展对系统结构的影响
应用的发展对系统结构的影响
器件的发展对系统结构的影响
结论
系统结构中的并发性开发
1.并行性的含义与级别
1）从计算机系统执行程序的角度来看，并行性等级由低到高可分为四级
2）从计算机系统中处理数据的角度来看，并行性等级从低到高可以分为四级。
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，并行性等级又分为
2.并行性开发的途径
（1）时间重叠
（2）资源重复
（3）资源共享
系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类
按指令流和数据流的多倍性把计算机系统分成
用数据处理的并行度来定量地描述 各种计算机系统特性的冯氏分类法。
指令流和执行流（Execution Stream）及 其多倍性来描述计算机系统总控制器的结构特点。
第2章 数据表示、寻址方式与指令系统
2.1数据表示
1、数据表示与数据结构
2.1.2高级数据表示
1.自定义数据表示
标志符数据表示
主要优点
数据描述符
数据描述符和标志符的差别
2.向量、数组数据表示
3.堆栈数据表示
特点
2.1.3引入数据表示的原则
确定计算机的数据表示
原则1
原则2
2.1.4浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择
1.浮点数尾数基值的选择
2.浮点数尾数的下溢处理方法
截断法
舍入法
恒置“1”法
查表舍入法
2.2寻址方式
2.2.1寻址方式的三种面向
面向主存
面向寄存器
面向堆找
2.2.2寻址方式在指令中的指明
2.2.3程序在主存中的定位技术
静态再定位
动态再定位
虚实地址映像表
2.3 指令系统的设计和优化
2.3.1指令系统设计的基本原则
指令类型
特权型
非特权型
指令系统设计具有
系统结构设计者则还希望
2.3.2指令操作码的优化
2.3.3指令字格式的优化
指令字格式优化的措施概括
2.4 指令系统的发展和改进
2.4.1 两种途径和方向（CISC和RISC）
复杂指令系统计算机（Complex InstructionSet Computer，CISC）
精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）
2.4.2按CISC方向发展和改进指令系统
1.面向目标程序的优化实现改进
途径1
途径2
2.面向高级语言的优化实现改进
途径1
途径2
途径3
途径4
途径5
3.面向操作系统的优化实现改进
途径1
途径2
途径3
途径4
2.4.3按RISC方向发展和改进指令系统
1.CISC的问题
2.设计RISC的基本原则
3.设计RISC结构采用的基本技术
4. RISC技术的发展
好处
问题和不足
第3章 存储、中断、总线与I/O系统
3.1存储系统的基本要求和并行主存系统
3.1.1存储系统的基本要求
3.1.2并行主存系统
3.2中断系统
3.2.1中断的分类和分级
1.中断的分类
访管中断
机器校验中断
程序性中断
外部中断
输入/输出中断
重新启动中断
2.中断的分级
3.2.2中断的响应次序与处理次序
1.中断的响应次序
2.中断的处理次序（综合）
3.2.3中断系统的软、硬件功能分配
1.中断系统的功能分配
2.中断系统的功能
3.3 总线系统
1.什么是总线
2.什么是总线系统
3.什么是总线的分类
位置
许信息传送的方向
用法
优点
4.什么是总线的控制
集中式总线的控制
串行链接
集中式定时查询
缺点
集中式独立请求
3.3.3总线的通信技术
3.3.4数据宽度与总线线数
1.数据宽度
2.总线线数
3.4 I/O系统
3.4. 1 I/O系统概述
1.什么是I/O系统
2.I/O系统的发展
3.输入/输出设备的分类
3. 4. 2通道处理机的工作原理和流量设计
1.通道处理机的工作原理
3类通道
字节多路
数组多路
选择
2.通道流量的设计
2.通道流量的设计（综合）
第4章 存储体系
4.1 基本概念
4.1.1存储体系及其分支
1.存储体系
2.虚拟存储器
3.cache存储器
4.多级存储层次
4.1.2存储体系的构成依据
4.1.3存储体系的性能参数
4.2虚拟存储器
4.2.1虚拟存储器的管理方式
1.段式管理
2.页式管理
3.段页式管理
4.2.2页式虚拟存储器的构成
1.地址的映像和变换
2.全相联映像
3.相联目录表法
4.页面替换算法
（1）随机算法
（2）先进先出算法
（3）近期最少使用算法
5.堆栈型替换算法
4.2.3页式虚拟存储器实现中的问题
1.页面失效的处理
2.提高虚拟存储器等效访问速度的措施
3.影响主存命中率和CPU效率的某些因素
4.3高速缓冲存储器
4.3.1工作原理和基本结构
4.3.2地址的映像与变换
1.全相联映像和变换
2.直接映像及其变换
3.组相联映像及其变换
4.3.4 Cache存储器的透明性及性能分析
1. Cache存储器的透明性分析及解决办法
写回法
写直达法
2.Cache的取算法
3.Cache存储器的性能分析
4.4 三级存储体系
4.4.1 物理地址Cache
4.4.2 虚地址Cache
4.4.3 全Cache
第5章 标量处理机
5.1 重叠方式
5.1.1重叠原理与一次重叠
1.重叠的原理
2.顺序解释
3.一次重叠
5.1.2 相关处理
1.转移指令的处理
2.指令相关的处理
3.主存空间数相关的处理
4.通用寄存器组相关的处理
5.2 流水方式
5.2.1 基本概念
1.工作原理
2.流水的分类
按多功能流水线的各段能否允许同时用于多种不同功能连接流水
静态流水线
动态流水线
从计算机所具有的数据表示角度
标量流水机
向量流水机
从流水线中各功能段之间是否有反馈回路
线性流水线
非线性流水线
5.2.2标量流水线的主要性能
1.吞吐率TP和加速比SP
2.效率
5.2.3标量流水机的相关处理和控制机构
1.局部性相关的处理
2.全局性相关的处理
3.流水机器的中断处理
4.非线性流水线的调度
5.3指令级高度并行的超级处理机
5.3.1超标量处理机
第6章 向量处理机
6. 1向量的流水处理与向量流水处理机
6.1.3通过并行、链接提高性能
6.2阵列处理机的原理
6.2. 1阵列处理机的构形和特点
1.阵列处理机的构形
构形1
构形2
6.2.2 ILLIAC IV的处理单元阵列结构
6.2.3 ILLIAC IV的并行算法举例
1.矩阵加
2.矩阵乘
3.累加和
6.3 SIMD计算机的互连网络
6.3.1互连网络的设计目标与互连函数
SIMD系统的互连网络的设计目标是
6.3.2互连网络应抉择的几个问题
6.3.3基本的单级互连网络
1.立方体单级网络
2.PM2I单级网络
3.混洗交换单级网络
4.蝶形单级网络
6.3.4基本的多级互连网络
1.多级立方体网络
2.多级混洗交换网络
3.多级PM2I网络
4.基准网络
5.多级交叉开关网络
6.多级蝶式网络
6.3.5全排列网络
6. 4共享主存构形的阵列处理机中并行存储器的无冲突访问
情况1
情况2
情况3
6.5脉动阵列流水处理机
6.5.1脉动阵列结构的原理
6.5.2 通用脉动阵列结构
第7章 多处理机
7. 1多处理机的概念、问题和硬件结构
7.1.1多处理机的基本概念和要解决的技术问题
使用多处理机的目的
结论
7.1.2多处理机的硬件结构
1.紧耦合和松耦合
(1)紧耦合多处理机
(2)松耦合多处理机
2.机间互连形式
3.存储器的组织
7. 2 紧耦合多处理机多cache的一致性问题
7.2.1多Cache的一致性问题的产生
7.2.2多Cache的一致性问题的解决办法
7. 3多处理机的概念、问题和硬件结构
7.3.1并行算法
1.并行算法的定义和分类
2.多处理机并行算法的研究思路
7.3.2程序并行性的分析
1.数据相关
2.数据反相关
3.数据输出相关
结论
7.3.3并行语言与并行编译
7.3.4多处理机的性能
7. 4 多处理机的操作系统
分类
7.4.1主从型操作系统
1.优点
2.缺点
7.4.2各自独立型操作系统
1.优点
2.缺点
7.4.3浮动型操作系统
1.优点
2.缺点
7.5 多处理机的发展
计算机系统的3T性能目标
机群系统
机群系统比起传统的并行处理系统有如下明显的优点
第8章 数据流计算机和归约机
8.1 数据流计算机
8.1.1数据驱动的概念
控制驱动的控制流方式的特点是
需求驱动计算模型
8.1.3数据流计算机的结构
8.1.5数据流计算机的进展
8.2归约机
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