计算机系统结构

经应用程序包翻译成高级语言程序

高级语言程序经编译程序翻译成汇编语言程序

经汇编程序翻译成机器语言程序

用机器语言程序解释作业控制语句

用微指令程序解释机器指令

微指令 由硬件直接执行

透明

不透明

透明

不透明

透明

一条指令内部各个微操作之间的并行执行

多条指令的并行执行

多个任务和程序段并行执行

多个作业或多到程序并行执行

同时对一个字的一位进行处理, 通常指 串行单处理机

同时对一个字的全部位进行处理, 通常只 并行单处理机

同时对多个字的同一位进行处理, 开始进入并行处理领域

同时对多个字段 全部或部分位进行处理

只能应用在 "结构相同" 和 "相似" 的机器之间的汇编程序 的软件移植技术 

系列机软件 必须保证向后兼容, 力争向前兼容

模拟

仿真

智能机 

并行处理机:  阵列机 和 相联处理机

多处理机系统

包括 "标志符数据表示"

"数据描述符" 两类

两者差别

为向量, 数组数据结构的实现和快速运算提供更好的硬件支持的方法是 ,增设 向量, 数组数据的表示,  组成 "向量机".

有堆栈数据表示的计算机称为堆栈计算机

堆栈计算机表现(特点) 

就是底数 2  (比如 2^3 : 底数:2  ,指数:3, 幂:8)

尾数的基数 10101110

基数占用的位   8

尾数的位数  (二进制位数)

rm进制的尾数的位数

浮点数 阶值的位数

最小尾数值 

最大尾数值

最小阶值

最大阶值 

最小值

最大值

尾数个数

阶的个数

数的个数

处理实现最简单

规定字长之外增设以为附加位, 存放溢出部分的最高位, 每当进行尾数下溢处理时,将附加位加1(二进制证书相当于加0.5,

将计算机运算的规定字长的最低恒置为1 ,实现简单,不需要增加硬件和处理时间, 平均误差趋于0

缺点, 最大误差最大, 比截断法 还要大

采用ROM 或者PLA 存放下溢处理表

ROM表共需要2^k的单位, 地址用k位二进制码表示, 每个存储单元字长为k-1 位

当存储器k位地址码之高 k-1位 全是1 ,对应单元内容填 k-1 位全 "1"

其余情况按k位二进制地址码最低位位 0 舍弃, 位1 进1 来填 k-1 位内容

属于隐含寻址方式

以利于实现程序的  动态再定位

对诸如向量,数组等数据块的支持, 以便于实现程序的循环

是程序员编码使用的地址

是程序在主存中的实际地址

基址寻址

变址寻址

指令功能的设计 ( 操作类型,寻址方式, 具体操作内容

指令格式的设计

主要供应用程序员使用, 也可供系统程序员使用

只供系统程序员使用 , 用户无权使用,用户只有先经过
访管指令才能调用操作系统. 再有操作系统来只用特权指令

零地址指令

一地址指令

二地址指令

三地址指令

对象相识的操作做相同的规定

定义相同,便于翻译

如果有多种程序选择实现同一种功能, 为了减少编译时 那种实习那好的分析, 赢限定操作只能选择一种方式

指令中各个不同含义的字段, 如 操作数, 数据类型, 寻址方式, 在编码时应互不相关, 相互独立

让指令系统中所有操作对各种寻址方式和数据类型都能适用

要留一定数量的冗余操作码, 以便以后能扩充新指令

当各种事件的发生概率不均等时,采用优化技术,对发生概率搞的事件用最短的位数来表示, 对出现概率较低的时间允许用较长的位数来表示, 就会使平均位数缩短

界于定长二进制编码 和完全的哈夫曼编码之间的一种编码方式, 操作码不是定长的,但只有有限几种码长

增强原有指令的功能以及设置更为复杂的指令取代软件 子程序完成的功能, 实现软件功能的硬化. 按照此方向发展,机器指令系统日益庞大和复杂.

通过减少指令的种类和简化指令功能来降低硬件设计的复杂度, 提高指令的执行速度

面向目标程序

面向高级语言

面向操作系统 

发展的问题

基本原则

采用的基本技术

优点

问题和不足

存储器 字长 和 CPU 所要访问的字的字长相同

分多分体并行存储器

单体多字相结合

Bm=m×W/TM (m,W 采用2的小次幂计算)

B= 1- (1-λ) ^m / λ 

用于计时,计费,控制等

主要用于与掐计算机和系统的联系

操作员对计算机的干预

可用64位机器校验中断码指明故障原因和严重性

中断现场

CPU芯片内的总线

链接插件版内的各个组件, 也称为 局部总线 或 内部总线

系统间或主机与IO接口或设备之间的总线

半双向

全双向

只链接一对物理部件的总线

优点

缺点

优点

缺点

获得使用总线的优先次序是由, "总线可用" 线链接的部件的物理位置来决定, 离总线控制器越近的部件其优先级越高

总线可用,  总线请求,总线忙

优点

缺点

总线请求, 总线忙, 定时查询计数

优点

缺点

当部件请求总线时候, 发送总线请求到达总线控制器.只要总线闲着, 总线控制器闲着就可以根据某种算法对同事送来的请求进行仲裁, 以确定那个部件可以使用总线, 并通过相应 总线准许  线 回复该部件, 同时去除其他请求, 建立 总线以被分配,  该部件获取总线使用权,总线分配过程结束

优点

缺点

部件之间的 信息传递  通过   "定宽,定距的系统时标" 同步

异步双向互锁方式

单向源控制

请求/回答双向控制

 线的组合

编码

并/串-- 串/并 转换

通道方式

外围处理机方式

适合连接大量的像光电机 等 字符类低速设备

适合连接多台磁盘等高速设备

由于在传输开始前,需要的操作时间比较长, 因此在传输的时候,为了不让通道空闲,因尽可能重叠多台设备的操作时间

并让其数据宽度定点长,传输完k个字节后,就重新选择下一个设备

适合连接优先级别高的磁盘等高速设备

最大流量称为  "通道极限流量"

ＩＯ系统的个各通道最大流量之和

各通道实际流量之和

字节多路通道

数组多路通道

选择通道

Ts: 选择设备时间

Td: 传输一个字节数据需要的时间 

c=(c1Sm1+c2Sm2)  / (Sm1 +Sm2)

CPU产生的逻辑地址能在M1中访问到的概率, 越接近于1越好

命中率 与 程序的地址流, 所采用的地址预判算法  和容量有很大关系

影响命中率的的因素

是一个主存块只能直接拷贝到 Cache 的一个固定的位置上去

将主存中的一个块直接拷贝到 Cache 中任意一块上， Cache 的数据块大小与主存的数据块存储的数据量大小相等。

优点

缺点

采用页表+按内容访问的相联存储器构成.

页表压缩成只存放已经装入主存中的虚页与实页对应关系.

页面失效

页面争用

主存是否有高的 命中率

算法是否便于实现

辅助的软,硬件成本是否低

随机算法

先进先出算法 FIFO

近期最少使用  LRU

最佳置换算法 OPT

段式 管理

页式 管理

段页式 管理

H 是主存的命中率

T1 是主存的访问时间

T2 是辅存的访问时间

等效访问时间 > 主存访问周期时,

当主存命中率H很高时

加快内部地址映像和变换速度

块冲突了最低, 只有当Cache全部装满才可能出现冲突,Cache的空间利用率最高

要构成容量为2^n项的相联代价太大, Cache的容量很大时候, 其查表的速度很难提高

冲突率最高

空间利用率低

节省硬件, 只需要容量较小的按地址访问的区号标志存储器和少了外比较电路, 成本低, 

在CPU执行写操作时, 信息只写入cache ,单需要替换时,才将该写过的Cache块先写会主存,然后再调入新块. 需要为每个Cache 位 增加一个修改位的资源开销

对于有指缓的计算机, 由于计算机是提前从主存取进指缓, 为了判断是否发生指令相关, 需要对多条指令地址和多条指令 运算结果地址进行比较

指缓容量越大, 或者说 指令预处理 能力越强的计算机发生指令相关的概念越高

会发生在 主存空间  和 通用寄存器 空间

由存储控制器给 读数  和写数 申请安排不同的访存优先级来解决

k条指令的结果地址和第k+1的源地址一样

推后分析 K+1

设置相关专用通路

控制简单

转入下一条指令的 时间  易于控制

上一条指令未完成,下一条指令便不能开始

速度慢

计算机个部件的利用率低

指令流水

构成计算机系统的多个处理机之间的 流水

线性流水线

只能实现单一功能的流水, 如浮点数的加减. 可以将多个单功能流水线组合,形成多功能流水线

根据各段是否允许同时使用多种不同功能连接流水

CRAY-1

可以用循环方式来处理向量和数组

Amdahl 470 V/6 和 IBM 360/91

有向量数据表示, 有向量指令 和向量运算部件

是 "向量数据表示" 和 "流水技术" 的结合

数据从流水线的一端流入 从另一端流出

一次运算中多次使用流水线中的某些功能段

有串行连接外,还有 前馈 和反馈 连接

流水线中 经过最长时间的子过程 称为 瓶颈子过程

消除速度瓶颈方法

n :指令条数

m: 经历m过程 

△tj 是m个过程中 瓶颈执行时间 

∑m△t 是m个过程所用时间之和 

n: 指令条数

m: 经历的过程

△tj  : 是m个过程中 瓶颈执行时间 

∑m△t : 是m个过程所用时间之和 

直到前指令写完成

将运算结果经相关直接通路直接送入所需部件

任务流出流水线的顺序和流出流水线的顺序一致

任务流出流水线的顺序和流入流水线的顺序不同

会出现   "写写"   和 "先读后写" 问题

指令处理部件

主存控制部件

定点执行部件

浮点执行部件

1.在寄存器中设置忙位, 来判断是否相关, 当寄存器正在使用的时候设置标记为 "1",当寄存器释放的时候, 设置为 0

2. 设置多条流水线让他们并行工作,同时在各流水线上设置若干保存站来存放缓冲信息, 一旦相关 采用异步流动方式

3.通过设置的站号来控制相关专用通路的链接

4.相关专用通路采用总线方式,相关后通过更改站号来实现不同相关专用通路的链接

猜测其中一个分支继续流入,待条形码形成后再做决定是继续执行,还是作废按另一条重新流入

加快 "指令内条件码 "形成,不等指令执行完就提前形成放映运算结果的条件码.比如 乘除,结果为 正负,0的条件码可以在运算前形成

加快" 程序 段内条件码 "的提前生成, 特别适合循环型在判断循环是否继续时的转移情况

这是用软件方法进行静态指令调度的技术

缺点 需要设置很多后援寄存器, 以保证流水线内各条指令的原有现场都能保存和恢复, 优点,中断现场 能准确的对应中断指令,有利于程序排错

优点控制简单, 缺点是程序排错不利,

每条指令所需拍数比超标量处理机少, 指令译码容易, 开发标量操作间的随机并发性更方便, 可是指令级并行性较高

机器的成功 , 很大程度取决于 代码压缩的效率, 其结构的目标码与一般计算机不兼容, 而且指令很长而操作段格式固定, 经常是指令字中许多字段没有操作, 白白浪费空间,结构也不如超标量处理机紧凑 

 浮点加

浮点乘

访主存

写寄存器

每个处理单元都有自己的 局部的存储器,只能被本处理单元直接访问,  通过控制部件连接到管理处理机SC 上

采用的是SIMD 

采用的是SIMD 

同步

异步

同步与异步组合

线路交换

包交换

线路与包交换组合

指的是互联网入,出端可以连接的模式

分类

集中控制策略

分布控制策略

单级

多级

Cube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 互反,其余个代码都相同

Cube0

Cube1

Cube2

N=8 只有 5个不同互联函数

N=16 ,只有2( log2^16)-1=7 个不同互联函数

采用PM2+-0 和 PM2+- n/2(PM2+-3) 4个互联函数

Shuffle(Pn-1 Pn-2...P1 P0)=Pn-2....P1P0 Pn-1 ,n=log2N; Pn-1,Pn-2 ...P1P0  为入段编号的二进制码 

全混单极

是具有两个 入端  和两个  出端 的交换单元, 用做各种多级互联网络的基本构件

是各级间 出端 和入端的 互联模式

3维 立方体 8个顶点

级控制

单元控制

部分级控制

STARAN网络(交换网络)  采用

间接二进制n方体网络 采用

shuffle(K)

shuffle(K)  

shuffle (k1)

任何一种基本多级互连设备的出端设置锁存器,使数据在时间上顺序通信两次

将log2N级的N个入端 和N个出端互联网络和 它的逆网络连接在一起,省出中间重复的一级后构成的全排列网络, 也称为Benes网络

Benes网络

可重排网络

非堵塞网络

解决进程迁移引起的Cache一致性问题,  禁止进程迁移 或者 进程挂起时靠硬件方法将Cache 回写主存个相应位置

以硬件为基础 实现多Cache 的一致性, 采用监视 Cache 协议法和目录表法

以软件为基础 实现Cache 一致性, 不把一些公用可写数据存入Cache中

基于关系运算, 选择,排序,查找,字符处理的并行主要是对符号操作的

并行的各进程间由于相关,必须顺次等待

并行的各进程间 执行相互独立,不会因为相关而等待,只是根据执行情况决定终止或 继续

该算法一般指向量或循环级的并行

较大的循环级并行,可确保这种并行的好处可以补偿因并行带来的额外开销

一般是指子任务的并行

1. 将表达式 去掉嵌套括号

2.判断计算机执行步骤 T1

3.判断处理机数量 P

4.画图判断 表达式的 处理级数 Tp

5.计算 Sp 和 EP

结构简单, 整个管理程序只需要在一个处理机上运行,  除非某些递归调用和多重调用的公用程序, 一般都不是可再入的,  只有一个处理机访问执行表, 不存在系统控制表格的访问冲突和阻塞, 简化了管理控制的实现.这样能使操作系统 最大限度的使用已有的单处理机,  分时操作系统的成果,只需要对他稍加扩充即可. 实现简单, 经济方便, 是目前大多数处理机操作系统所采用的方式. 从处理机 通过 访管指令 和 自陷软中断 来请求主处理机服务

对主处理机的可靠性要求较高, 一旦发生故障,容易是整个系统瘫痪, 这个时候必须操作员干预才行,

如果主处理机不是设计成专用的, 操作员可用其他处理机作为新的主机来重新启动系统.

整个系统不够灵活,同时要求主处理机必须能快速执行器管理功能, 提前等待请求, 以便及时为从处理机分配任务,否则将是处理机应长时间空闲 降低系统效率

如果设计成专用处理机, 可能会因为负荷过重, 影响系统性能,  特别是大部分任务很短时, 由于频繁请求主处理机完成大量的管理性操作, 系统效率显著降低

从处理机 明显低于主处理机的异构型多处理机

适用分布处理的模块结构特点,减少对大型专用处理机的需求, 某个机器故障不会引起系统瘫痪, 就较高的可靠性, 每台处理机都有专用的控制表格,系统表格冲突较少, 也不会有许多公用执行表, 同时控制用户进程和进程一起进行调度, 能有较高的系统效率

实现复杂,仍然有一些共享表格, 会增加共享表格的冲突访问, 要恢复和重新执行未完成的工作就比较困难, 每台机器都有自己的输入输出结构,  如果要变换需要操作员干预, 各处理机负荷平衡比较困难,  每台存储器需要存储管理程序副本, 降低存储器利用率

松耦合多处理机,要求某个处理机挂掉,不会引起整个系统瘫痪, 具有较高的可靠性,适应分布处理的模块化结构特点.减少对大型专用处理机的需求

各类资源可以较好的做到负荷平衡, 对于IO 中断等非专门的操作, 可交由其他时段最闲的处理机执行,

他在硬件结构和可靠性上具有 分布式的优点, 在操作系统的复杂性和经济上则接近于 主从型,  如果系统设计的噩耗, 将不受多处理机数量的的影响, 具有很高的灵活性

设计困难

同构性多处理机, 公共主存和 I/O 多个相同的处理机组成, 要求各类资源做到均衡负荷

系统有高的性价比

系统开发周期短

系统可扩展性好

系统的资源利用率高

用户投资风险小

用户编程方便

为了满足迭代要求, 要重复激活同一操作结点外,还必须另设 控制令牌 以 识别 数据令牌 由一个结点传送到另一个结点的 时间关系,  从而区分属于不同迭代层次的批次数据

是块结构式, 面向表达式, 无副作用的单赋值语言

采用ID编写的程序不能直接运行, 需要先编译成数据流程序图, 然后再在计算机上执行

整型

实型

布尔型

字符型

数组

记录

遵循单赋值规则

有丰富的数据类型

具有很强的类型性

具有模块化程序设计思想

没有全局存储器和状态的概念

程序不规定语句的执行顺序

同一列相邻两个元素地址错开的距离为S1

同一行两个相邻元素地址错开的距离S2