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1、第一章第一章 计算机系统结构概论计算机系统结构概论1.名词解释名词解释 兼容性：兼容性： 向上（下）兼容：指按某一档机器编制的软件，不加修改就能运行于比它高（低）档的机 器上。 向前（后）兼容：在按某一时期投入市场的该型号机器上编制的软件，不加修改就能运行 宇在它之前（后 ）投入市场的机器上。 系列机：系列机：在软、硬件界面上确定好一种系统结构，之后软件设计者按此设计软件，硬件设 计者根据机器速度、性能、价格的不同，选择不同的器件，在用不同的硬件技术和组成、 实现技术，研制并提供不同档次的机器 可移植性：可移植性：是指软件不用修改或只需经少量加工就能由一台机器搬到另一台机器上运行 透明性：透明
2、性：本来存在的事务或属性，从某个角度上看不到。反之，不透明 模拟：模拟：用机器语言程序实现软件移植的方法 仿真：仿真：用微程序直接解释另一种机器指令的方法 并行性：并行性：只要在同一时刻或是在同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工 作，它们在时间上能互相重叠。同时性和并发性 时间重叠：时间重叠：是在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重 叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。 资源重复：资源重复：是在并行性概念中引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能 资源共享：资源共享：是利用软件的方法让多个用户按一定时间顺序轮流地使用
3、同一套资源，以提高 其利用率，这样也可以提高整个系统的性能 2.计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构 多级层次结构：多级层次结构：是从使用语言的角度，基于程序员与计算机系统对话中所采用的语言结构 和语义划分。 a) 机器机器-语言语言 M5：应用语言机器-应用语言 M4：高级语言机器-高级语言 M3：汇编语言机器-汇编语言 M2：操作系统机器-作业控制语言 M1：传统机器-机器指令系统 M0：微程序机器-微指令系统b) 现代计算机系统的层次结构分为六级。现代计算机系统的层次结构分为六级。 几点说明： M0 用硬件，M1 用固件，其它用软件。 固件（Firmware）：指存储在计算机
4、 ROM 和其它集成电路中的系统软件，固件不能随意 改变。 计算机系统作为一个整体，包括软、硬件，之间无固定界面。 低层语言功能简单，而高层语言功能复杂 虚拟机器（Virtual Machine）：用软件为主实现的机器。 3.系统结构、组成和实现的关系系统结构、组成和实现的关系 计算机系统结构：计算机系统结构：对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、 下的功能进行分配，也称体系结构。 ( 外特性：是计算机系统的概念性结构和功能特性，指令系统的外特性是最关键的 内特性：计算机系统的设计人员看到的基本属性，是外特性的逻辑实现内特性主要是如何 合理地实现分配给硬件的功能。) 计
5、算机组成：计算机组成：研究硬件系统各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种 功能和特性。是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成以及 逻辑设计等 计算机实现：计算机实现：计算机组成的物理实现，研究各部件的物理结构、机器的制造技术和工艺等， 是计算机组成的物理实现。它着眼于器件技术和微组装技术 为了我们便于理解我举几个例子： 指令系统：指令系统： 指令系统的确定-系统结构 指令的实现-组成 具体电路、器件设计及装配技术 实现 主存系统：主存系统： 主存容量与编址方式的确定-系统结构 主存速度的确定、逻辑结构的模式-组成 器件的选定、电路的设计、组装技术 实现
6、系统结构、组成和实现三者的相互关系系统结构、组成和实现三者的相互关系 具有相同系统结构的计算机可以采用不同的组成，一种计算机组成可以采用多种不同的 计算机实现； 采用不同的系统结构会使可以采用的组成技术产生差异，计算机组成也会影响系统结构； 计算机组成的设计，其上决定于计算机系统结构，其下又受限于所用的实现技术，它的 发展促进了实现技术的发展，也促进了结构的发展； 计算机实现，特别是器件技术的发展是计算机系统结构和组成的基础，促进了组成与结 构的发展； 随着技术的发展，三者关系融合于一体，难以分开，在相互促进中发展。 4.计算机系统的设计原则、思路计算机系统的设计原则、思路 设计原则： 软硬件
7、功能分配的比例必须使得在现有的和器件 主要是逻辑器件和存储器件 条件下获 得很高的性能价格比 考虑到准备采用和可能采用的组成技术，使它尽可能不要过多或不合理地限制各种组成、 实现技术的采用 ； 不能仅从“硬”的角度去考虑如何便于应用组成技术的成果和发挥器件技术的进展，还 应从“软”的角度 把为编译和操作系统的实现，以至高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持放在首位；设计思路：设计思路：有三种 由上往下(Top-down) 由下往上(Bottom-up) 由中间开始(Middle-out) 5.计算机系统的分类（计算机系统的分类（flynn）指令流：是指机器执行的指令序列。 数据流：是指指令流
8、调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。 SISD 单指令流单数据流计算机系统 传统的单处理机属于 SISD 计算机 SIMD 单指令流多数据流计算机系统 并行处理机是 SIMD 计算机的典型代表 MISD 多指令流单数据流计算机系统实际上不存在，但也有学者认为存在 MIMD 多指令流多数据流计算机系统包括了大多数多处理机及多计算机系统 第二章第二章 数据表示、寻址方式与指令系统数据表示、寻址方式与指令系统 1.名词解释名词解释 数据表示：数据表示：机器硬件能直接识别和引用的数据类型 分类：基本数据表示、高级数据表示、 自定义数据表示 RISC 精简指令系统计算机 CISC 复杂指令系统计算机
9、 寻址方式：寻址方式：是指令按什么方式寻找（访问）到所需的操作数或信息的 2 数据表示的含义及与数据结构的关系数据表示的含义及与数据结构的关系 数据表示：指的是能由机器硬件直接识别和引用的数据类型。由硬件实现的数据类 型 数据结构：面向计算机系统软件、面向应用领域所需处理的数据类型。由软件实现 的数据类型。 目标：最大限度满足应用要求、最简化的方法实现。 实现：通过数据表示和软件映像相结合方法实现。 数据表示是数据类型的子集。 数据表示的确定实质上是软、硬件的取舍问题 数据结构和数据表示是软、硬件的界面 3.定义数据表示，标示符、描述符，两者的区别定义数据表示，标示符、描述符，两者的区别带标识
10、符的数据表示与描述符的含义及区别。 标识符是和每一个数据相连的，合存在一个存储单元中，描述单个数据的类型特征。 描述符是和数据分开存放的，专门用来描述所要访问的数据是整块数据还是单块数 据，访问该数据块或数据元素需要的地址以及其他特征信息等。 4.引入数据表示的原则引入数据表示的原则 看系统的效率是否提高，是否减少了实现时间和所需的存储空间； 看引入数据表示后，其通用性和利用率是否高； 通用性：是否对多种数据结构均适用。 利用率：硬件设置大小的选择。 数据结构的发展总是优先于机器的数据表示，应尽可能为数据结构提供更多的支持。 5. Huffman 编码与扩展编码编码与扩展编码 Huffman
11、编码编码:当各种事件发生的概率不均等时，采用优化技术对发生概率最高的事件用最 短的位数（时间）来表示（处理） ，而对出现概率较低的允许用较长的位数（时间）来表示 （处理） ，以达到平均位数减少的目的 扩展编码：扩展编码：由固定长操作码与 Huffman 编码法相结合形成 ExampleHuffman 用四种长度 0 10 110 11100 11101 11110 11111 I1 I2 I3 用两位 00 01 10 I4 I5 I6 I7 用四位：1100 1101 1110 1111 6. RISC 的设计原则、基本技术及存在的问题 RISC 的设计原则的设计原则:Simple is f
12、ast,Small is fast 使用频度很高的指令 大大减少寻址方式 所有指令在一个机器周期完成 扩大通用寄存器个数 采用硬联控制实现 通过精简指令和优化设计编译程序，易简单有效的方式支持高级语言 特点： 使用频度很高的指令 大大减少寻址方式 所有指令在一个机器周期完成 扩大通用寄存器个数 采用硬联控制实现 通过精简指令和优化设计编译程序，易简单有效的方式支持高级语言 技术： 遵循按 RISC 机器一般原则设计的技术 在逻辑上采用硬联实现和微程序固件实现相结合的技术 在 CPU 中设置数量较大的寄存器组，并采用重叠寄存器窗口的技术 指令的执行采用流水和延迟转移技术 采用认真设计和优化编译系
13、统设计的技术 不足： 指令少，加重汇编程序员的负担 浮点运算和虚拟存储器支持不足 编译程序难写 第三章第三章 存储、中断、总线与存储、中断、总线与 I/O 系统（非重点）系统（非重点）总线：总线：中央处理器、存储器及其他输入输出设备之间实现通信的系统。 并行主存系统：并行主存系统： 能并行读取多个 CPU 字的单体多字、多体单字或多体多字的交叉存储主 存系统。 第四章第四章 存储体系存储体系 1.存储系统与存储体系存储系统与存储体系 存储系统存储系统: 物理上硬件组成，将多种不同工艺的存储器组织在一起实容量，高速度，低价 格的要求 存储体系存储体系:让构成存储系统的 n 中不同的存储器(M1M
14、n)之间，配上辅助软硬件，使之从程 序员的角度看，它们在一个逻辑上是一个整体，访问速度接近于 M1，容量是 Mn，每位 价格接近于 Mn 基本的两级存储体系是虚拟存储器和 Cache 存储器，也就是存储体系的 两个不同分支 或是 两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相 结合的方法连接起来成为一个存储系统。使之从程序员的角度看，它们在一个逻辑上是一 个整体 2.存储体系的性能参数存储体系的性能参数包括存储层次的每位价格，命中率，存储层次的等效访问时间，访问效率 存储层次的每位价格：存储层次的每位价格： 命中率命中率 H: CPU 产生的逻辑地址能在 M1 中访
15、问到（命中到）的概率。 H 与地址预知算法及 M1 的容量有关 存储层次的等效访问时间和访问效率存储层次的等效访问时间和访问效率 等效访问时间 TA （越大越好） 3 虚拟存储器的管理方式虚拟存储器的管理方式通过增设地址映像表机构来实现程序在主存中的定位。这种定位技术是将程序分割成若干 较小的段或页，用相 应的映像表机构来指明程序的某段或某页是否已装入内存。 段式管理 页式管理 段页式管理 段式管理：段式管理： 开始编址，长度可长可短，可以在程序执行过程中动态改变程序段的长度。 地址变换方法： 由用户号找到基址寄存器 从基址寄存器中读出段表的起始地址 把起始地址与多用户虚地址中段号相加得到段表地址 把段表中给出的起始地址与段内偏移 D 相加就能得到主存实地址 优点 程序的模块化性能好 便于程序和数据的共享 程序的动态链接和调度比较容易 便于实现信息保护 缺点 地址变换所花费的时间比较长，做两次加法运算 主存储器的利用率往往比较低 对辅存（磁盘存储器）的管理
