计算机系统结构
2025-04-15 09:53:41 0 举报AI智能生成
计算机系统结构
作者其他创作
大纲/内容
第一章-概论
计算机系统的层次结构
第5级
应用语言机器
第4级
高级语言机器
第3级
汇编语言机器
第2级
操作系统语言机器
第1级
传统机器语言机器
第0级
微程序语言机器
体系结构
系统结构是对计算机系统的各级界面的划分，定义其上下功能的分配
计算机组成
体系结构的逻辑实现。数据流，控制流的设计
设计要确认的方面
数据通路宽度
专用部件的设置
各个操作对部件的共享程度
功能部件的并发度
控制机构组成方式
缓存和排队技术
预估预判技术
可靠性技术
计算机的实现
计算机组成的物理实现
设计
器件技术
主导
微组装技术
软、硬件取舍原则
原则一：买什么
现有的硬、器件条件下，系统要有性价比
原则二：怎样组装
合理组装
原则三：软件层次支持
为编译、操作系统实现、高级语言设计，硬件支持
定量设计原理
哈夫曼压缩原理
尽可能的加速处理高概率事件
Amdahl定律
程序访问的局部性定律
空间局部性
空间局部性
计算系统的设计方法
从上往下
从下往上
从中间开始
通用机一般使用的方法
软件移植技术
统一高级语言
采用系列机
保证向后兼容，力争向前兼容
仿真和模拟
计算机应用向上升级
数据处理
信息处理
知识处理
智能处理
并行性
包括同时性和并发性
并行性等级
执行程序的角度
指令内部
指令之间
任务和进程之间
作业和程序之间
数据处理角度
位串字串
位并字串
位片串字并
全并行
信息加工的阶段
存储器操作并行
处理器步骤并行
典型的是流水处理机
处理器操作并行
典型是阵列处理机
指令、任务、作业并行
典型是多处理机
技术途径
时间重叠
资源重复
资源共享
计算机系统分类
单指令单数据流
单指令多数据流
多指令多数据流
多指令单数据流
第二章-数据表示、寻址方式与指令系统
数据表示
计算机硬件能够识别和引用的数据类型，表现在对这种数据类型进行操作的指令和运算部件
高级数据表示
自定义数据表示
标志符数据表示
优点
缺点
增加主存占用空间
降低了执行效率
描述符数据表示
前3为000表示数据
前3位101表示数据描述
向量、数组数据表示
堆栈数据表示
由高速寄存器组成的硬件堆栈
丰富的堆栈操作指令，功能强大
支持高级语言编译
支持子程序的嵌套和递归调用
引入数据表示的原则
原则1：看系统效率是否提高，包括实现时间和储存空间是否减少
原则2：通用性和利用率是否提高
浮点数表示方法
浮点数下溢方法
截断法
平均误差最大
舍入法
恒置1法
最大误差最大
查表舍入法
寻址方式
三种面向
面向主存
面向寄存器
面向堆栈
程序在主存中的定位技术
静态再定位
逻辑地址变成物理地址
动态再定位
逻辑地址 和 基址寄存器 通过 地址加法器 得到物理地址
虚实地址映像表
指令系统的设计和优化
指令分类
特权性
程序员和系统程序员使用
非特权性
系统程序员使用
指令系统设计的基本原则
规整性
对称性
独立性和全能性
正交性
可组装性
可扩展性
指令系统的发展和改进
两种途径和方法
复杂指令系统计算机CISC
改进
面向目标程序优化实现改进
面向高级语言优化实现改进
面向操作系统优化实现改进
指令系统庞大，存在的问题
功能复杂
操作复杂，执行速度低
使高级语言编译程序选择目标指令的范围太大
相当一部分指令利用率低
精简指令系统RISC
第三章-存储、中断、总线与IO系统
储存
存储系统的要求
大容量
高速度
低价格
主存系统的结构
单体单子存储器
单体多字存储器
单体多字存储器
多体多字存储器
并行主存系统
能并行读出多个CPU字的单体多字和多体单字、多体多字的交叉访问主存系统
中断系统
中断
CPU终止正在执行的程序，转去执行随机提出的请求，等处理完后再回去恢复执行原先被打断的程序
分类
外部中断
中断信号引起
内部中断
CPU内部异常引起
软件中断
自陷指令引起
中断系统
响应和处理各种中断的软、硬件总体
中断源
引起中断的各种事件
中断请求
中断源向中断系统发起的中断请求
中断等级，由高到低
第1级
机器校验
第2级
程序中断和管理程序调用
第3级
外部中断
第4级
输入/输出
第5级
重新启动
总线系统
分类
在系统重的位置
芯片级
板级
系统级
按用法
专用
非专用
信息的传输方向
单向传输
双向传输
半双向
全双向
优先次序的确定方法
串行链接
3根控制线
定时查询
2+log2N根控制线
独立请求
2N+1根控制线
数据宽度
单字
打印机
定长块
磁盘
可变长块
高优先级的磁盘、磁带
IO系统
通道
字节多路通道
数组多路通道
选择通道
通道流量设计
第四章-存储系统
存储体系
主存-辅存
速度是主存的，容量是辅存的
cache-主存
速度是cache的，容量是主存的
虚拟存储器的管理方式
段式
页式
段页式
地址的印象和变化
页面替换算法
先进先出算法FIFO
近期最少使用算法LRU
优化替换算法OPT
高速缓冲存储器
全相连映像
直接相连映像
组相连映像
第五章-标量处理机
重叠
一次重叠
相邻指令 执行k 和 分析k+1 的重叠
数据相关
数据相关
控制相关
解决数据相关的方法
退后处理
设置专用路径
流水线技术
空间并行
时间并行
分类
按处理级别
部件级
处理机级
系统级
按功能的多少
单功能流水机
多功能流水机
静态
同一时间段只能按一种功能连接流水
动态
各功能段按同一时间按不同的运算或功能连接
按数据表示角度
标量流水机
向量流水机
是否有反馈回路
线性流水机
非线性流水机
全局性相关
概念
已进入流水线的转移指令和后续指令相关
处理
猜测法
加快和提前形成条件码
采取延迟转移
加快短循环程序的处理
第六章-向量处理机
分类
向量处理机
已时间重叠途径开发
阵列处理机
以资源重叠途径开发
按存储器的组织方式不同分类
分布式储存器
集中式共享储存器
SIMD计算机的互连网络
基本的单极互联网络
立方体单极网络
PM2I单极网络
混洗单极网络
蝶形单极网络
基本的多级互联网络
多级PM2I网络
基准网络
设计的目的
结构不要过于复杂，已降低成本
互联要灵活，已满足算法和应用的需要
处理单元信息交换的传送步数要尽可能的少，以提高性能
脉动阵列流水处理机
第七章-多处理机
定义
两台以上的处理机
共享I/O子系统
通过共享主存或高速通信网络通信
与阵列处理机的差别
并行性的等级不同
阵列处理机主要是针对数组、向量处理，，实现指令操作的并行
多处理机是针对更高一级别的作业或任务件的并行性
硬件结构不同
算法上不同
系统管理上不同
硬件结构
紧耦合多处理机
通过共享主存进行通信
通信速率受限于主存频宽
松耦合多处理机
通过消息传送系统通信
多cache一致性问题
产生的原因
解决办法
监视cache协议
互联形式
总线
环形互联
交叉开关
多端口储存器
蠕虫穿洞寻径网络
并行算法
分类
操作顺序不同
同步
异步
独立
任务大小
细粒度
中粒度
粗粒度
并行性分析
数据相关
先写后读
数据反相关
先读后写
数据输出相关
多处理机操作系统
主从性操作系统
各自独立型操作系统
浮动性操作系统
多处理机类型
分布式共享储存器处理机
对称多处理机
多向量处理机
并行向量处理机
大规模并行处理机
机群
第八章-数据流计算机和归约机
数据流计算机
对数据令牌的处理方式不同分类
静态
动态
数据驱动
归约机
和数据流计算机一样基于数据流计算模型，只是驱动方式不一样
需求驱动
分类
串归约机
图归约机
名称解释
系统结构
系统结构是对计算机系统的各级界面的划分，定义其上下功能的分配
哈夫曼压缩原理
尽可能的加速处理高概率事件
数据表示
计算机硬件能够识别和引用的数据类型，表现在对这种数据类型进行操作的指令和运算部件
中断
CPU终止正在执行的程序，转去执行随机提出的请求，等处理完后再回去恢复执行原先被打断的程序
中断系统
响应和处理各种中断的软、硬件总体
中断源
引起中断的各种事件
中断请求
中断源向中断系统发起的中断请求
总线
是用于互连计算机、CPU、存储器、I/O接口及外围设备、远程通信设备间信息传送通路的集合
总线系统
一次重叠
总线与之相配合的附属控制电路的统称
相邻指令 执行k 和 分析k+1 的重叠
全局性相关
已进入流水线的转移指令和后续指令相关
多处理机
两台或两台以上的处理机，共享io子系统，通过共享主存或高速通信网络通信
数据流
是基于异步性和函数性的一种计算模型
并行主存系统
能并行读出多个CPU字的单体多字和多体单字、多体多字的交叉访问主存系统
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