体系结构总结

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1、一:虚拟计算机指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的， 运行在一个完全隔离环境 中的完整计算机系统。虚拟计算机 ;从不同角度所看到计算机系统的属性是不同的。 计算机系统由硬件和软件组成，按功能划分成多级层次，如图所示。用户运行程序操作系统谨联逻辑汇编语言系统资源硬件维护员 设计员硬操作时序第0级 硬联逻辑逻辑线路 內核应用语言高级语言解释程序A二0 -rriMH 汇编程序操作员；徽程序控制第2级 机器语言 计算机第3级 操作系统键盘命令寄存器第1级 徴程序控制机器程序:逻辑设计员机器语言 程序员汇编语戸 程序员第&级应用程序 信息处理第勰F 高级语言- 计算机卜. . 高级语言运行程序IB.程

2、序员 第4级汇编语言计算机应用程序t*机器指令 系统11中央1 11 u1 口口1机器指令 时序透明性：一种本来存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，这种现象称为透明性。 通常，在一个计算机系统中，低层机器级的概念性结构和功能特性，对高级语言程序员来 说是透明的。计算机系统结构：这实际上是指计算机系统的外特性。按照计算机层次结构，不同程序设计 者所看到的计算机有不同的属性。使用高级语言的程序员所看到的计算机属性主要是软件子 系统和固件子系统的属性，包括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、网络软件等用户 界面。计算机的组成; 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现， 计算机实现是计算机组成

3、的物理实现，计算机系统的分类：一、按处理机的性能分类：(1) 按大小划分；(2) 按用途来划分；(3) 按数据类型划分：定点计算机、浮点计算机、向量计算机、堆栈计算机等。(4) 按处理机个数和种类来划分：单处理机、并行处理机、多处理机、分布处理机、关 联处理机、超标量处理机、超流水线处理机等等。(5) 按所使用的器件来划分；二、佛林分类法 按照指令流和数据流的不同组织方式，把计算机系统分为以下四类：(1) 单指令流单数据流 SISD(2) 单指令流多数据流 SIMD(3) 多指令流单数据流 MISD(4) 多指令流多数据流 MIMD三、库克分类法1978年由DJKuck首先提出。他按照控制流和

4、执行流进行分类。把计算机系统分为以下四类：(1) 单指令流单执行流 SISE(2) 单指令流多执行流 SIME(3) 多指令流单执行流 MISE(4) 多指令流多执行流 MIME主要缺点：有些系统没有总控制器，如分布处理机； 分类级别太低，没有处理机级和机器级；分类太粗。四、冯氏分类法五、汉德勒分类法(1)程序级k：程序控制部件(PCU)的个数；操作级d：算术逻辑部件(ALU)或处理部件(PU)的个数；(3)逻辑级w：每个算术逻辑部件包含的逻辑线路(ELC)的套数。冯诺依曼：一、特点：存储程序、运算器为核心、集中控制；冯诺依曼计算机的特征可概括为：1.存储器是字长固定的、顺序线性编址的一维结构

5、。2.存储器提供可按地址访问的一 级地址空间，每个地址是唯一定义的。3. 由指令形式的低级机器语言驱动。4. 指令是执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移 指令实现。5. 以运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送都途经运算器。运算器、存 储器、输入输出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集中控制。二：指令系统是计算机系统中软件与硬件分界面的一个主要标志。无论多么复杂、功 能多么强大的各种软件，凡是能够在机器上直接运行的目标程序都是由一条条机器指令 组成的。指令系统是软件设计人员与硬件设计人员之间的一个主要分界面，也是他们之间互相沟 通的一座桥梁。数据表

6、示和数据结构都是数据类型的子集。数据表示：数据表示研究的是计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的那 些数据类型。数据结构：数据结构研究的是面向系统软件，面向应用领域所需要处理的各种数据类型， 研究这些数据类型的逻辑结构和物理结构之间的关系，并给出相应的算法。计算机只有定点数据表示，这种计算机的优点是硬件结构比较简单，但有 3个明显的缺点： 编程困难。 数据存储单元的利用率很低。 表示数的范围小。 -32768到 327671、浮点数的表示方法一个浮点数N可以表示为：N = mx 尸在计算机系统中，一种浮点数据表示方式需要有如下 6个参数来定义。两个数值：m：尾数的值。除了数值大小之外

7、，还要表示尾数所釆用的码制（原码或补码）和数 制（小数或整数）。e：阶码的值。一般釆用移码（又称偏码、增码、余码等）或补码，整数来表示。两个基：rm：尾数的基。通常有2进制、4进制、8进制、16进制和10进制等；re：阶码的基。在目前见到的所有浮点数据表示方式中，re均为2。两个字长（不包括符号位）：P：尾数长度。要特别注意：这里的p不是指尾数的二进制位数，当rm= 16时，每4 个二进制位表示一位尾数；q：阶码长度。由于阶码的基通常为2,因此，在一般情况下，q就是阶码部分的二进 制位数。一种浮点数表示方式如图所示，这也是浮点数在数据存储单元中的存放方式。把尾数符 号放在最高位的原因是为了判别

8、正、负数方便。警戒位：为了保证浮点数在运算和转换过程中的精度，在规定的尾数字长之外，运算器 中的累加器需要另外增加的长度称为警戒位五种舍入方法：1.恒舍法：恒舍法又称截断法、必舍法等，这是一种最容易实现的舍入方法。 2. 恒置法： 恒置法又称恒置法(r是尾数的基值)，或恒置1法(当尾数基 值取2时)，或冯诺依曼法(Von Neumann Rounding)。恒置法的实现难度仅次于 恒舍法。 3. 下舍上入法在日常使用的十进制中称为 4舍5入法，在二进制中称为 0舍1入法，在 16进 制中称为 7舍 8入法。 4. R啥入法 在大型、巨型计算机中，或在一些很大的科学计算问题中，需要一种积累误差能

9、够完全平衡，精度又很高的舍入方法。5.查表法查表法又称 ROM 舍入法，它继承了下舍上入法精度高、积累误差小的优点，同时又 克服了它实现起来比较困难的缺点，是一种比较理想的舍入方法。带标志符的数据表示法 ：采用标志符数据表示方法主要优点有如下几个方面：(1) 简化了指令系统。(2) 由硬件自动实现一致性检查和数据类型的转换。(3) 简化程序设计。(4) 简化编译器。(5) 支持数据库系统。(6) 方便软件调试。采用标志符数据表示方法的主要缺点是：(1) 数据和指令的长度可能不一致。(2) 指令的执行速度降低。(3) 硬件复杂度增加。 数据描述符与标志符的主要区别是：标志符通常只作用于一个数据，

10、而数据描述符要作 用于一组数据。编址方式是指对各种存储设备进行编码的方法。主要内容包括编址的单位、零地址空间 的个数等，另外还包括并行存储器的编址技术和输入输出设备的非线性编址技术等。寻址方式：寻找操作数及数据存储单元的方法称为寻址方式。寻址技术研究的内容主要包括编址方式、寻址方式等，研究的对象主要有寄存器、主存 储器、堆栈和输入输出设备等，其中以面向主存储器的寻址技术为主要研究对象。 间接寻址与变址寻址区别：间址寻址方式：间接地址在主存储器中，没有偏移量。变址寻址方式：基地址在变址寄存器中，带有偏移量。优缺点： (1)实现的难易程度，间址寻址方式实现起来很容易，只需要增加一条从主存 储器的数

11、据寄存器到地址寄存器的数据通路即可。实现变址寻址方式需要增加较多的硬 件，需要一个硬件的加法器，一个或多个变址寄存器(也可以与通用寄存器合用)。(2)指令的执行速度，采用间址寻址方式编写的程序，执行速度比较慢。(3) 对数组运算的支持，变址寻址方式比较好，间址寻址方式较差，这是因为变址寻址方 式可以带有偏移量。基地址加偏移量能够很有效地表示向量、矩阵等数据。指令的组成;操作码和地址码组成。编码(固定长操作码， huffman 编码法，扩展编码法)固定长操作码的主要缺点是：浪费了许多信息量，即操作码的总长度增加了。精简指令系统计算机（RISC）是80年代提出的一种新的计算机体系结构设计思想。目前

12、运 行中的许多处理机都采用了 RISC体系结构。存储系统：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的系统称为存储系统。Cache存储系统：由Cache和存储器组成的系统，速度接近Cache,容量接近存储器， 每单位的价格跟存储器相近，这个存储系统全部用硬件来调度，因此，它不仅对应用程 序员是透明的，而且对系统程序员也是透明的。虚拟存储系统:虚拟存储系统由主存储器与联机的外部存储器（目前一般为磁盘存储器） 构成，采用硬件与软件相结合的方法来调度存储系统的性能有三个主要参数：容量S,速度T和价格C，存储容壘越来越犬，每位的价格越来越便宜:CPU

13、內部通用寄存器堆指會和数据缓冲栈事Cache（静态随机存储器SRAM）主存储器（动态随机存储器DRAM）联机外部存储器 （磁盘存储器等）脱机外部存储器（磁带，光盘存储器等）访问速度越来越快并行存储器的种类;并行访问存储器、交叉访问存储器和无访问冲突并行存储器等三种 并行存储器。虚拟存储器由主存储器和联机工作的外部存储器共同组成页面替换算法：1、随机算法，即RAND算法（Random algorithm）。2、先进先出算法，即 FIFO 算法（ First-In First-Out algorithm）。3、近期最少使用算法，即 LFU 算法（Least Frequently Used algo

14、rithm） o4、最久没有使用算法，即 LRU算法（Least Recently Used algorithm）。5、最优替换算法，即 OPT 算法（OPTimal replacemant algorithm）o 地址的映象与变换 ：页式虚拟存储器、段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器等三种。Cache替换算法种类：（轮换法（先进先出），lru算法，比较算法，堆栈法） 输入输出系统的特点集中反映在异步性、实时性和与设备无关性三个基本项上，这些特 点对输入输出系统的组织将产生决定性的影响。输入输出方式：程序控制输入输出方式。中断输入输出方式。直接存储器访问（DMA） 方式。中断处理：中断孙理过程开

15、始嘉指芳执行结束 且没有更紧急的服务谙求关CFU中断CFU不能再响应苴它任何中斷源的中断复谙求保存中斷点保存程序计数器FC中的内客在中断服务完成之后 返回到原来的程序中去口撤消设备的中断服务洁求如果这平中斷源的中断谙求不撤消的话 那么在CFU开中断后它必然将再次谙求中斷服务保存硬件现场 主要指保存处理机状态字PSW及堆栈指针SF等中的 内客识别中斷源改娈设备的屏蔽状态转向中斷服务程序入口一般还要在中斷服务程序中通过软件才能找 到具体中断源的中斷服务程序入口保存软件现场主要指保存将要被中断服务程序破坏的通用寄存器中 的内客等O开CFU中断CFU可以响应苴它更高级中断源的中断服务谙求中断 源之间可实现中断嵌套O中斷服务CFU执行中断服务程序O关CFU中斷CFU不响应任何中断源的中断服务洁花 在下一次开CFU 中断之前正在运行的程序不允许被中