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1、Computer Architecture(计算机体系结构计算机体系结构)主讲人：主讲人： 金星金星 QQ: 65149264假如我是阿姆达尔处理器为40MHz，测试程序各类指令如下：计算该处理机对该测试的CPI和速率（MIPS）。指令类型指令类型CPI指令条数比例指令条数比例算术逻辑类指令160%cache命中的load/store指令218%转移类指令412%cache没有命中的load/store指令810%探索最大可能某机的指令字长为16位单地址指令双地址指令每个地址字段为6位双地址指令有A条问：单地址指令最多可以有多少条？第第3 3章存储章存储, , 中断中断, ,总线与总线与I/O
2、I/O系统系统1:多体交叉并行主存多体交叉并行主存2:总线仲裁总线仲裁3:中断优先级变更中断优先级变更4: 通道通道一、存储系统原理一、存储系统原理1存储器性能指标存储器性能指标（1）容量：）容量：用用字字节节B，千千字字节节KB，兆兆字字节节MB和和千千兆兆GB等单位表示。等单位表示。SM=Wl mW表表示示存存储储体体的的字字长长，l表表示示存存储储体体的的字字数数，m表表示示存储体的个数存储体的个数（2）速度：）速度：速速度度用用存存储储器器的的访访问问时时间间(TA)、存存储储周期周期(TM)、频带宽度、频带宽度(BM)等表示等表示BM=m W/TM（3）价格：用单位容量的价格表示。）
3、价格：用单位容量的价格表示。C/bit或或C/KB。用户需求用户需求 人们对存储器的要求是容量大，速度快，人们对存储器的要求是容量大，速度快，价格低。价格低。(1)容量大，每位价格低容量大，每位价格低(2)容量大，速度慢容量大，速度慢(3)速度快，每位价格高速度快，每位价格高存储系统存储系统 长期存在的问题：在合理的总价格限制下，长期存在的问题：在合理的总价格限制下，主存设备的速度跟不上主存设备的速度跟不上CPUCPU的发展，容量不能的发展，容量不能满足软件尺寸扩大。满足软件尺寸扩大。 本章学习两种提高主存系统性能本章学习两种提高主存系统性能/ /价格比的价格比的结构化方法：结构化方法：并行存
4、储器并行存储器与与存储层次技术存储层次技术。后。后者为主。者为主。并行主存系统并行主存系统 单体单字存贮器 单体多字(m=4)存贮器 多体(m=4)交叉存贮器 4个分体分时启动的时间关系 多体并行交叉访问存储器多体并行交叉访问存储器 模模M主存储器主存储器：分为分为M个存储体的主存储器。个存储体的主存储器。 交叉访问交叉访问：分时启动，互相错开一个存储体存储周期的分时启动，互相错开一个存储体存储周期的1/M，交叉进行工作。，交叉进行工作。MBR存储体0MARMBR存储体n-1MARMBR存储体1MAR存储器地址寄存器（高位）译码器（低位）2 并行存储器并行存储器并并行行存存储储器器技技术术的的
5、基基本本思思想想是是用用多多个个独独立立的的存存储储部部件件组组成成主主存存系系统统，让让它它们们并并行行工工作作，在在一一个个存存储储周周期期内内可可以以访访问问到到多多个个数数据据，从从而而实实现现较高的存取流量。较高的存取流量。 并并行行存存储储器器包包括括多多种种类类型型，我我们们仅仅介介绍绍提提高高访访问速度效果最显著的问速度效果最显著的低位交叉访问低位交叉访问这一种。这一种。低位交叉访问并行存储器的结构：低位交叉访问并行存储器的结构： 它由它由n n个存储体组成（一般个存储体组成（一般n n为为2 2的整次幂），每个体均有独立的地址译码器和的整次幂），每个体均有独立的地址译码器和数
6、据缓冲器，以主存地址低位字段（最低的数据缓冲器，以主存地址低位字段（最低的loglog2 2n n位）作为体选译码信号，而剩位）作为体选译码信号，而剩下的高位字段则是体内地址。如图所示（设下的高位字段则是体内地址。如图所示（设 n = 4n = 4）。）。例如，例如，n=8 m=4多体并行低位交叉编址多体并行低位交叉编址 012345678910111213141516171819202122232425262728293031 b a09182712510304个体并行2个体并行并行存储器频宽分析并行存储器频宽分析其中其中B为每个主存周期所能访问到的平均字数，为每个主存周期所能访问到的平均字
7、数，为转移概率，为转移概率，m为存储体数为存储体数 m个分体并行存取的B=f()曲线 3存储层次的工作原理二、中断系统二、中断系统基本概念基本概念中断中断中断请求中断请求中断响应中断响应中断服务程序中断服务程序3.2.1 中断的分类和分级中断的分类和分级中断源中断源。中断请求中断请求。多个中断源同时请求同时请求，中断优先级。中中断断响响应应: 保存断点/现场，调出中断处理程序。 交换新旧程序状态字PSW (Program Status Word)。 中断屏蔽中断屏蔽。 IBM 370把中断分成机器校验、 管理程序调用、 程序性、 外部、 输入/输出和重新启动 6 类。机器校验中断机器校验中断:
8、 电源故障、运算电路的误动作、主存出错、 通道动作故障、 处理器的各种硬件故障等等。 访管中断访管中断: 用户程序需要操作系统调用.程程序序性性中中断断: 指令和数据的格式错、非法指令、 目态下使用管态指令、主存访问方式保护、寻址超过主存容量、 各种溢出、 除数为“0”、 有效位为 0 等。外中断外中断: 定时器中断、外部信号中断及中断键中断。输入输入/输出中断输出中断: CPU与I/O设备及通道联系的工具，在输入输出操作完成、 I/O通道或设备产生故障时发出。重新启动中断重新启动中断: 操作员或另一台CPU要启动一个程序所用。PSW: 每类的具体中断原因,中断屏蔽字2、中断的分级、中断的分级
9、根据中断的性质、紧迫性重要性以及软件处根据中断的性质、紧迫性重要性以及软件处理的方便性确定响应中断的优先级理的方便性确定响应中断的优先级,例例IBM370的中断分级的中断分级第一级：机器校验第一级：机器校验第二级：访管、程序性中断第二级：访管、程序性中断第三级：外部中断第三级：外部中断第四级：输入输出中断第四级：输入输出中断第五级：重新启动中断第五级：重新启动中断3 中断优先级管理中断优先级管理 (1) (1)硬件响应优先序：用硬件排队器与比较器实硬件响应优先序：用硬件排队器与比较器实现中断响应次序依照中断优先级顺序，用户不能修现中断响应次序依照中断优先级顺序，用户不能修改。改。 (2)(2)
10、软件服务优先序：在各中断服务程序设置自软件服务优先序：在各中断服务程序设置自己的中断屏蔽字，用户可以通过设置不同中断屏蔽己的中断屏蔽字，用户可以通过设置不同中断屏蔽字灵活地改变中断的实际服务顺序。字灵活地改变中断的实际服务顺序。为了兼顾中断响应的时效与配置的灵活，通常采用为了兼顾中断响应的时效与配置的灵活，通常采用两套机制结合组成中断优先序管理体系。两套机制结合组成中断优先序管理体系。实例分析实例分析屏蔽字表屏蔽字表中断服务过程图中断服务过程图 中断优先级动态变更中断响应次序-硬件固定式1234中断处理次序-软件（屏蔽字）决定1级2级3级4级第1级 0000第2级1000第3级1100第4级1
11、110中断处理次序-软件（屏蔽字）决定1级2级3级4级第1级 0000第2级1011 第3级1001第4级1000处理的优先次序 1432 屏蔽字决定0 0 0 01 0 1 11 0 0 11 0 0 014324、中断系统的软硬件功能分配、中断系统的软硬件功能分配接受中断请求，保存中断断点，清除中断请求，接受中断请求，保存中断断点，清除中断请求，识别中断源，确定中断优先级，转中断服务程序入识别中断源，确定中断优先级，转中断服务程序入口，保存现场，执行中断服务程序，恢复现场，返口，保存现场，执行中断服务程序，恢复现场，返回中断点回中断点4、中断系统的软硬件功能分配、中断系统的软硬件功能分配接
12、受中断请求，保存中断断点，清除中断请求，接受中断请求，保存中断断点，清除中断请求，识别中断源，确定中断优先级，识别中断源，确定中断优先级，转中断服务程序转中断服务程序入入口，保存现场，执行中断服务程序，口，保存现场，执行中断服务程序，恢复现场，恢复现场，返返回中断点回中断点软件软件硬件硬件软硬都行软硬都行4、中断系统的软硬件功能分配、中断系统的软硬件功能分配接受中断请求，中断请求的保存与清除，接受中断请求，中断请求的保存与清除，确定中断源，中断响应次序的确定，中断断点确定中断源，中断响应次序的确定，中断断点与现场的保存，选择中断服务程序，中断返回与现场的保存，选择中断服务程序，中断返回程序查询
13、程序查询硬件排队器与比较器硬件排队器与比较器中断向量表中断向量表 硬件状态用硬件状态用程序状态字表示程序状态字表示软软件件硬硬件件软硬软硬结合结合你来设计：提高系统性能假设向量指令VP的比例30%，其中图形指令IVP占全部指令的4%，VP操作的平均CPI为5，IVP的CPI为20，其他指令的平均CPI为1.25。第一种改进：IVP的CPI加速到3第二种改进：VP的平均CPI加速到3试比较应当采取哪一种方案。二、二、 总线总线 总总线线是是连连接接数数字字系系统统的的信信号号线线集集。它它用用于于连连接接计计算算机机系系统统中中的的设设备备，是是各各设设备备之之间间共共享的通信链路。享的通信链路
14、。 3.3 总线系统 专用总线与非专用总线1 1 总线的分类总线的分类传输方向传输方向 单向单向 双向（半双工、全双工）双向（半双工、全双工）用法用法 专用专用 ：流量高、无争用现象、控制简单；：流量高、无争用现象、控制简单； 总线数目多，时间利用率低，难小型化。总线数目多，时间利用率低，难小型化。 非专用：共享性。非专用：共享性。 造价低、模块性强，易扩充造价低、模块性强，易扩充 会出现争用现象、对失效敏感。会出现争用现象、对失效敏感。( (3 3) )按设备定时方式分类：按设备定时方式分类： 同同步步总总线线：同同步步总总线线上上所所有有设设备备通通过过统统一的总线系统时钟进行同步。一的总
15、线系统时钟进行同步。 异异步步总总线线：设设备备之之间间设设有有统统一一的的系系统统时时钟钟，设设备备之之间间的的信信息息传传送送用用总总线线发发送送器器和和接收器控制。接收器控制。3.3.2 总线控制方式 (总线仲裁)工作原理，控制线线数，故障隔离，优先权链式链式总线的控制方式总线的控制方式（1 1）串行链接方式）串行链接方式线数线数=3=3优点：实现简单，线数少，扩充性好优点：实现简单，线数少，扩充性好缺点：优先级固定，部件间的依赖性大缺点：优先级固定，部件间的依赖性大记数定时查询：记数查询线（2 2）定时查询方式）定时查询方式线数线数=2+log=2+log2 2N N优点：部件间互不依
16、赖，优先级灵活优点：部件间互不依赖，优先级灵活缺点：扩充性差缺点：扩充性差独立请求（3 3）独立请示方式）独立请示方式线数线数=2N+1=2N+1优点：总线分配快优点：总线分配快缺点：线数多缺点：线数多3 总线的通讯技术同步通讯：两部件由定宽、定距的时标同同步通讯：两部件由定宽、定距的时标同步。步。 传输速率高，受总线长度影响小。但有传输速率高，受总线长度影响小。但有同步误差。同步误差。 提高可靠性的方法：目的部件作提高可靠性的方法：目的部件作回答。回答。 异步通讯：单向控制异步通讯：单向控制 -（源（源 / 目的）目的） 双向控制双向控制 - 互锁互锁/ 非互锁非互锁 互锁互锁与数据传送联想
17、：串口的起止式异步通信例：传送8位数据45H（0100,0101B）4 4数据宽度与总线线数数据宽度与总线线数数据宽度：数据宽度：I/O设备取得设备取得I/O总线后所传送数总线后所传送数据的总量据的总量数据通路宽度：数据总线的的物理宽度数据通路宽度：数据总线的的物理宽度总线线数总线线数通过线的组合、编码及并通过线的组合、编码及并/串串-串串/并转换等并转换等方式减少线数方式减少线数输入输出系统输入输出系统 输输入入输输出出系系统统是是计计算算机机系系统统中中实实现现各各种种输输入入输输出出任任务务的的资资源源总总称称。它它包包括括各各种种输输入入输输出出设设备备、相相关关的的管管理理软软件件等
18、等等等。由由于于输输入入输输出出设设备备的的特特殊殊工工作作性性质质使使其其数数据据吞吞吐吐率率通通常常远远低低于于主主机机，设设计计输输入入输输出出系系统统就就是是要要建建立立数数据据交交换换的的最最佳佳方方案案，使双方都能高效率地工作。使双方都能高效率地工作。 一、基本输入输出方式一、基本输入输出方式程序控制程序控制I/OI/O方式方式( (程序查询、中断程序查询、中断) )DMADMA方式方式I/OI/O处理机方式处理机方式( ( 通道方式、外围处理机通道方式、外围处理机) )3.4.2 通道处理机 三种基本输入输出方式(查询查询,中断中断,DMA) 存在的问题：CPU的输入输出负担很重
19、，不能专心于用户程序的计算工作。低速外围设备，每传送每个字符都由CPU执行一段程序来完成。高速外围设备的初始化、前处理和后处理等工作需要CPU来完成四、四、 通道处理机通道处理机1定义：定义：通道处理机（简称通道处理机（简称“通道通道”）是隶属于主处）是隶属于主处理机的输入输出专用协处理机。理机的输入输出专用协处理机。2特点：特点：有一套输入输出功能很强的专用指令系统；有一套输入输出功能很强的专用指令系统；与主处理机共享主存，存放相应的程序和数据；与主处理机共享主存，存放相应的程序和数据；一个通道可以连接多台外部设备；一个通道可以连接多台外部设备；主处理机可用主处理机可用启动启动I/O指令来启
20、动一个通道；指令来启动一个通道；当通道访存与主处理机冲突时，存控部件赋予通当通道访存与主处理机冲突时，存控部件赋予通道较高的优先权；道较高的优先权；通道程序执行完毕自动转入休眠状态，同时向主通道程序执行完毕自动转入休眠状态，同时向主处理机发出一个特定的中断申请，通知该事件。处理机发出一个特定的中断申请，通知该事件。3 通道工作过程CPU运行用户程序通道运行存放在主存中的通道程序编制通道程序请求输入输出访管指令启动I/O通道组织I/O操作向CPU发中断请求登记或处理CPU运行管理程序响应I/O中断请求时间t通道的工作过程通道完成一次数据输入输出的过程需三步：(1) 在用户程序中使用访管指令进入管
21、理程序，由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道(2) 通道处理机执行通道程序，完成指定的数据输入输出工作(3) 通道程序结束后第二次调用管理程序对输入输出请求进行处理每完成一次输入输出工作，CPU只需要两次调用管理程序，大大减少了对用户程序的打扰4 4 通道的功能通道的功能(1)(1) 接受接受CPUCPU的输入输出操作指令，按指令要求控制的输入输出操作指令，按指令要求控制外设。外设。( (接受指令接受指令) ) (2)(2) 从主存读取通道程序，并执行从主存读取通道程序，并执行( (即向设备控制即向设备控制器发送各种指令器发送各种指令) )。( (执行程序执行程序) ) (3)(3
22、) 组织和控制数据在内存与外设之间的传送操作。组织和控制数据在内存与外设之间的传送操作。( (传送数据传送数据) ) (4)(4) 读取外设的状态信息，形成整个通道的状态信息，读取外设的状态信息，形成整个通道的状态信息，提供给提供给CPUCPU或保存在主存中。或保存在主存中。( (通道状态通道状态) ) (5)(5) 向向CPUCPU发出输入输出操作中断请求。发出输入输出操作中断请求。( (中断请求中断请求) ) 通道的硬件组成部分通道的硬件组成部分寄存器：寄存器：数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器，主主存存地地址址计计数数，传传输输字字节节数数计计数数器器，通通道道命命令令字字寄寄存存器器，通通道
23、道状状态态字寄存器。字寄存器。控制器控制器分分时时控控制制，地地址址分分配配，数数据据传传送送，数数据据装装配和拆卸。配和拆卸。5 通道的种类 根根据据通通道道数数据据传传送送中中信信息息传传送送方方式式的的不不同同，分分字字节多路、选择和数组多路三类通道。节多路、选择和数组多路三类通道。(1)(1)字节多路通道字节多路通道 选选择择一一次次设设备备，传传送送一一个个字字节节。在在一一个个时时间间段段内内，分时地为多台低速或中速的外围设备服务分时地为多台低速或中速的外围设备服务。(2)(2)数组多路通道数组多路通道 选选择择一一次次设设备备，传传送送定定长长的的多多个个字字节节，适适用用于于高
24、高速速外外围围设设备备服服务务。在在一一个个时时间间段段内内，只只为为一一台台设设备备服服务务。但一台设备的数据传送与多台设备的寻址重叠。但一台设备的数据传送与多台设备的寻址重叠。(3)(3)选择通道选择通道数数据据传传送送以以不不定定长长块块方方式式进进行行，每每次次将将N N字字节节的的数数据据全全部部传传送送完完毕毕，适适合合于于优优先先级级高高的的磁磁盘盘等等高高速速设设备备。它独占通道它独占通道IBM370 IBM 370 的I/O结构 5 通道的种类通道类型通道类型 字节多路字节多路 数组多路数组多路 选择选择 数据宽度数据宽度单字节单字节定长块定长块不定长块不定长块适用范围适用范
25、围大量低速大量低速设备设备大量高速大量高速设备设备优先级高的高优先级高的高速设备速设备工作方式工作方式字节交叉字节交叉成组交叉成组交叉独占通道独占通道共享性共享性数据传输数据传输并行并行控制与传控制与传数并行数并行独占独占选择设备选择设备次数次数多次多次多次多次一次一次通道中的数据传送过程P台设备，每台设备传送台设备，每台设备传送n个字节个字节TS：设备选择时间；：设备选择时间；TD：传送一个字节的时间；：传送一个字节的时间；字节多路通道：每台设备选中一次传送一个字节字节多路通道：每台设备选中一次传送一个字节总共所需要的时间：总共所需要的时间：TBYTE（TSTD）Pn选择通道选择通道:每台设
26、备选中一次都传送每台设备选中一次都传送n个字节个字节总共所需要的时间：总共所需要的时间：TSELETE（TSn TD）Pn数组多路通道数组多路通道连接连接P台设备，每台设备台设备，每台设备都传送都传送n个字节个字节TS：设备选择时间，：设备选择时间，k：一个数据块中：一个数据块中的字节个数；的字节个数；TDi：通道传送第：通道传送第i个数据个数据所用的时间，其中有：所用的时间，其中有：i1,2,nDi：通道正在为第：通道正在为第i台设备服务，其中有：台设备服务，其中有：i1,2,p总共所需要的时间：总共所需要的时间：TBLOCK= (TS /k+TD)Pn6 通道流量分析通通道道流流量量( (
27、通通道道吞吞吐吐率率，通通道道数数据据传传输输速速率率) )指指一一个个通通道道在在数数据据传传送送期期间间，单单位位时时间间内内能能够够传传送送的的最最大大数数据据量量，一一般般用用字字节节个个数来表示。数来表示。通通道道极极限限流流量量( (最最大大流流量量) )：一一个个通通道道在在满满负荷工作状态下的流量称为通道最大流量。负荷工作状态下的流量称为通道最大流量。(1)字节多路通道给给P台设备各传送台设备各传送n个字节所需时间个字节所需时间通道极限流量通道极限流量通道实际流量通道实际流量(2)数组多路通道给给P台设备各传送台设备各传送n个字节所需时间个字节所需时间通道极限流量通道极限流量通
28、道实际流量通道实际流量(3)选择通道给给P台设备各传送台设备各传送n个字节所需时间个字节所需时间通道极限流量通道极限流量通道实际流量通道实际流量=实际最大流量实际最大流量通道极限流量通道极限流量(从通道角度从通道角度)通道实际最大流量通道实际最大流量(从设备角度从设备角度)fi为该通道上连接的第为该通道上连接的第i个设备的数据传个设备的数据传输速率输速率通道正常工作的基本条件通道正常工作的基本条件通道实际流量不大于通道极限流量通道实际流量不大于通道极限流量小练习小练习一个字节多路通道连接一个字节多路通道连接D1，D2，D3，D4，D5 5台设备，这些设备分别以台设备，这些设备分别以10微秒，微
29、秒，30微秒，微秒， 30微秒，微秒，50微秒和微秒和75微秒向通道发出一次数据传微秒向通道发出一次数据传送的服务请求，请回答下列问题：送的服务请求，请回答下列问题：1、计算这个通道的实际流量和工作周期。、计算这个通道的实际流量和工作周期。2、如果设计通道的最大流量正好等于通道实际流、如果设计通道的最大流量正好等于通道实际流量，并假设对数据传输率高的设备优先级高。量，并假设对数据传输率高的设备优先级高。5台设备在台设备在0时刻同时发出第一次传送数据的请求。时刻同时发出第一次传送数据的请求。画出通道分时为设备服务的时间关系图，并计算画出通道分时为设备服务的时间关系图，并计算通道处理完各台设备的第
30、一次请求的时刻。通道处理完各台设备的第一次请求的时刻。3、从时间关系图上发现什么问题？如何解决这个、从时间关系图上发现什么问题？如何解决这个问题？问题？(1)T= Ts+TD =1/f=5s/B(2)D1的第一次数据请求在的第一次数据请求在5 s时处理完时处理完D2的第一次数据请求在的第一次数据请求在10 s时处理完时处理完D3的第一次数据请求在的第一次数据请求在20 s时处理完时处理完D4的第一次数据请求在的第一次数据请求在30 s时处理完时处理完D5的第一次数据请求没有响应的第一次数据请求没有响应(3)增加通道的最大流量或动态改变设备的优先级或增加通道的最大流量或动态改变设备的优先级或增加
31、一定数量的数据缓冲器增加一定数量的数据缓冲器解决方案解决方案增加通道的最大流量增加通道的最大流量动态改变设备的优先级动态改变设备的优先级:只要在只要在30至至70微微秒之间临时提高设备秒之间临时提高设备D5的优先级的优先级增加一定数量的数据缓冲器：特别是对增加一定数量的数据缓冲器：特别是对优先级比较低的设备，对优先级比较低的设备，对D5增加一个数增加一个数据缓冲器，那么，它的第一次数据传送据缓冲器，那么，它的第一次数据传送请求可以在第请求可以在第85微秒处得到响应，第二微秒处得到响应，第二次请求在次请求在145微秒处得到响应。微秒处得到响应。我来设计指令系统一台模型机有7条指令，各指令的使用频度分别为35%(I1)，25%(I2)，20%(I3)，10%(I4)，5%(I5)，4%(I6)，2%(I7)，有8个通用寄存器和2个变址寄存器。要求设计8位长的寄存器-寄存器型指令3条，16位长的寄存器-存储器型变址寻址指令4条，地址范围为-127-+127，请设计指令的格式和一套编码。
