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1、总复习,第1章 计算机系统结构的基本概念 1.1 计算机系统的多级层次结构 1.2 计算机系统结构、组成与实现 1.3 软件取舍与计算机系统的设计思路 1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性及系统的分类,1.1多级层次结构1.六级层次结构应用语言机器 面向用户高级语言机器 面向用户汇编语言机器 面向用户操作系统机器 面向上层机器传统机器 面向上层机器微指令机器 面向上层机器2.层次结构的实现方式根据性价比，软硬件逻辑是等同的3.分层优点,*,1.2计算机系统结构、组成与实现1.结构、组成与实现的概念1)系统结构：系统结构(System Architecture)是
2、对计算机系统中各机器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。2)透明性概念：在计算机中，客观存在的事物或属性从某个角度看不到，称这些事物或属性对它是透明的。计算机重的“透明”与社会生活中的“透明”，含义正好相反。,*,3)计算机系统结构(Computer Architecture)是系统结构中的一部分，指层次结构中传统机器级的系统结构，其界面之上的功能包括操作系统级、汇编语言级、高级语言级和应用语言级中所有软件的功能；界面之下的功能包括所有硬件和固件的功能。因此，这个界面实际是软件与硬件或固件的分界面。4)计算机组成(Computer Organization)是计算机系统结
3、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实现。,5)计算机实现(Computer Implementation)指的是计算机组成的物理实现 2.结构、组成与实现之间的关系 1)具有相同系统结构(如指令系统相同)的计算机可以因速度等因素的要求不同而采用不同的组成。2)相同的计算机组成可以采用多种不同实现方法。3)不同的系统结构会使组成技术产生差异4)计算机组成也会影响系统结构，组成的设计，其上取决于系统结构，其下又受限于所可以用的实现技术。,1.3软硬件取舍与系统的设计思想1.软件取舍的基本原则1)在现有的硬件和器件(主要是逻辑器件和存贮器件)的条件下，系统要有高的性价比。 2)
4、充分考虑准备采用和可能要用的的组成技术，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。3)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。,2.计算机系统的设计思路1)由上往下 a)方法：根据用户的要求，设计基本的命令、数 据类型与格式等，然后再逐级往下设计，并考虑对 上一级进行优化来实现。b)优点：适用于专用机的设计，对所面对的具体 应用，其效能是很好的。c)缺点：不适用于通用机的设计,2)由下往上方法：根据器件条件，先把微程序机器级及传统机器级研制出来，然后再配合
5、不同的操作系统和编译系统软件，使应用人员根据所提供的条件来采用合适的算法满足相应的应用要求。3)中间法方法：既考虑能拿到的硬件、器件，又考虑可能所需的算法和数据结构，先进行软、硬功能的合理分配 并定义好这个界面，然后从这一中间点分别往上、往下进行软、硬设计。,1.4软件、应用、器件对系统结构的影响 1.软件的可移植性1)概念：指软件可以不加修改或经少量修改，就可以由一台机器搬到另一台机器去运行，使得同一套软件可以应用于不同的硬件环境。2)优点：可以大量节省重复工作量，是软件设计者可以集中精力更好的改进或开发全新的软件。 2.实现可移植性的技术1)统一高级语言2)系列机思想3)模拟与仿真,1.5
6、系统中的并行性及其分类 1.并行性概念1)并行性:解题中具有可以同时进行运算或操作的特性。目的是为了能并行处理，提高解题效率。2)广义并行性: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，在时间上能相互重叠，都称为并行性。3)同时性：两个或多个事情在同一时刻发生。4)并发性：两个或多个事情在同一时间间隔内发生。,*,2.并行性等级1)从执行角度分a)指令内部b)指令之间c)任务或进程之间d)作业或进程之间2)从数据处理角度a)位串字串b)位并字串c)位片串字并d)全并行,3)从信息加工角度a)存贮器操作并行b)处理器操作步骤并行c)处理器操作并行d)指令、任务、作业
7、并行,3.并行性开发途径1)时间重叠a)方法：在并行性中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复的使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而提高速度。b)优点：不必增加额外硬件设备就可以提高计算机系统的性价比。2)资源重复a)方法：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。如双工系统。b)优点：系统的速度性能得到很大提高。,*,3)资源共享a)方法：利用软件的办法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源，以提高其利用率，这样可以提高整个系统的性能。例如，多道程序分时系统就是利用共享CPU、主存资源，以降低系统价格，提高设备的利用率。b)优点：节省资源，效率高，介于上
8、述两种之间。,4.并行处理系统结构与多机系统耦合度1)结构a)流水线计算机b)阵列处理机c)多处理机d)数据流机2)多级系统的耦合度a)最低耦合只是通过某种介质(如磁盘)交换信息，各机之间没有物理连接，无共享的联机硬件资源。,b)松散耦合也叫间接耦合，通过通道或通信线路互连，只共享某些外围设备。又分两种形式：一种形式是多台计算机通过通道和共享的外围设备相联；另一种形式是各台计算机通过通信线路连接成计算机网络。这两种都是非对称，异步的。c)紧密耦合也叫直接耦合，通过总线或高速开关互连，共享主存，信息传输速率高，可以实现数据集一级、任务级、作业级的并行。大多是对称型多处理系统。,5.计算机系统的分
9、类1)弗林分类法根据指令流和数据流的多倍性(是指在系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可 能个数)状况对计算机进行分类。a)单指令流单数据流SISDb)单指令流多数据流SIMDc)多指令流单数据流MISDd)多指令流多数据流MDMD,2)库克分类法 根据指令流和执行流(Execution Stream)及其多倍性对计算机系统结构进行分类。a)单指令流单执行流SISEb)单指令流多执行流SIMEc)多指令流单执行流MISEd)多指令流多执行流MIME,3)冯泽云分类法 根据数据处理并行度对计算机系统结构分类a)字串位串b)字串位并c)字并位串d)字并位并,第2章 数据表示与指令系
10、统,2.1数据表示 2.2寻址方式 2.3指令系统的设计与改进,2.1数据表示 1.数据表示与数据结构1)基本概念a)数据表示：能由机器硬件直接识别和的引用的数据类型。b)数据结构：各种数据元素或信息单元之间的结构关系。2)两者关系a)数据结构是通过软件映像将信息变换成数据表示来实现的，表示是结构的元素。b)不同的表示为结构的实现提供不同的支持c)结构和表示是软、硬件的交接面,2.高级数据表示1)自定义数据表示a)带标志符的数据表示b)数据描述符目的：进一步减少标志符所占空间，对于向量、 数组、记录等数据，每个元素具有相同属性，为此提出了数据描述符。两者区别： 标志符：与每个数据相连，合存一个
11、单元，描述单个数据的类型特征。 描述符：和数据分开，描述要访问数据是单个还是整块，及所需地址等信息。,*,2)向量数组数据表示目的：为向量、数组的实现和快速运算提供更好的硬件支持，引入了向量数组数据表示，组成向量处理机。3)堆栈数据表示目的：通用机器对堆栈的实现支持很差，指令较少，功能单一，速度低，多用于保护子程序返回地址，少数用于参数传递。,3.引入数据表示的原则1)看效率是否提高，即时间和空间是否减少a)主存与CPU的通讯数据是否减少b)是否节省了辅助性操作2)看是否有利于通用性和利用率的提高若只对某些数据结构的效率高，而其它很低，或引入后很少用到，必然导致性价比下降。,4.浮点数尾数基值
12、和下溢处理的选择1)浮点数尾数基值的选择a)可表示的范围rm增大：最小值减小，最大值增大，从而范围变大。b)可表示数的个数rm增大：个数增多c)数在实轴上的分布rm增大：数的分布越稀，用表示比e衡量。d)可表示数的精度rm增大：数的分布越稀，则数的表示精度下降。,*,e)运算中的精度损失是指运算中尾数右移处机器字而使有效数字丢失造成的精度损失，区别于可表示数的精度。rm增大：尾数右移可能性降低，精度损失减小f)运算速度rm增大：左移、右移次数减少，速度提高g)表示比e定义：在相同的p、m时，在rm=2的可表示最大值内，采用rm2的可表示浮点数个数与rm=2的可表示浮点数个数之比。计算公式：e=
13、 21-p(1-rm -1)(1+ (2p-1)/ log2 rm),2)浮点数尾数的下溢处理方法数据运算过程中的相乘或右移，使超出运算器和 存贮器字长的部分丢弃造成精度损失，为减少精度 损失，关键要处理好尾数下溢问题。a)截断法方法:将尾数超出机器字部分简单截去。最大误差：整数接近1，二进制分数接近2-m正负：正数产生负误差分布：间隔相同，均匀分布。,*,b)舍入法方法:在规定字长外增设一位附加位，存放溢出部分高位，处理时该位加1。最大误差：整数二进制为0.5，分数为2-(m+1)。正负：有正有负分布：统计平均误差接近零，稍偏正，无法调节c)恒置“1”法方法:在规定字长之最低位恒置成“1”状
14、态。 最大误差：整数二进制为1，分数为2-m正负：有正有负。分布：统计平均误差接近零，稍偏正，无法调节,d)查表舍入法方法:基于存贮逻辑思想，用ROM或PLA存放下溢处理表，当k-1位全位“1”时，以截断法处理；其它以舍入法处理。最大误差：最大为1。正负：有正有负。分布：不均匀，平均误差为零，可调节。优点：ROM速度快，平均误差可调为零，可调节。缺点：增加过多硬件设备,2.2寻址方式1.寻址方式分析1)不同机器的编址方式a)把部件分类，各自从“0”开始单独编址，构成多个一维线性地址空间。b)把所有部件统一编成一个从“0”开始的一维线性地址，对部件的访问反映为对地址的访问。c)隐式地址，采用约定
15、的编址方式，不必计算部件地址，加快访问速度。,2)寻址方式a)面向寄存器速度快b)面向堆栈减轻编译负担c)面向内存针对大量数据操作3)寻址方式的两种指明方式a)占用操作码的某些位来指明b)在地址码部分专门设置寻址方式位来指明,2.逻辑地址与主存物理地址1)程序定位方法a)静态再定位思想:利用冯.诺依曼型机器指令可修改的特点，程序装入内存时，用软件方法把逻辑地址变换成物理地址，执行时物理地址不再改变。b)动态再定位思想:基于变址思想，提出了基址寻址法，增加相应基址寄存器和地址加法器，执行时逻辑地址加基址即可形成物理地址而访问。,2)基址寻址与变址寻址a)变址寻址:对向量、数组等数据块运算提供支持
16、以利于实现程序的循环。b)基址寻址:对逻辑地址空间到物理地址空间的支持，以利于实现程序的动态再定位。其实质是将静态再定位的软件实现用地址加法器硬件替换，以加快地址变换的速度。3)界限保护设置上下界寄存器，保护上下界地址；还可设置多对上下界寄存器，保证一道程序可以访问多个连续空间。,4)物理地址空间的信息分布同台机器可存贮多种宽度信息:字节、字、半字及双字等。a)存贮原则：存贮于主存中的各位信息必须是其信息位数的整数倍，即按整数边界存贮。b)优点：减少了访问周期，有利于提高访问速度。c)缺点：浪费存贮空间,2.3指令系统的设计和改进 1.指令格式的优化 1)基本概念a)指令格式的优化：用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息，使程序中指令的平均字长最短。b)哈夫曼压缩思想：当各种事件发生概率不等时，概率最高事件用最短位数表示，概率低事件用长位数表示，就会使平均位数缩短。可用于代码、程序、存贮空间、时间等的压缩。,2)操作码的优化表示a)目的:缩短指令字长度，减少程序总位数，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是指令的使用频度。c)定长操作码的信息冗余量：(实际平均长度H)/实际平均长度,
