系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總復(fù)習提綱 2015

1、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總復(fù)習CH01一基本概念1. 計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)（0-6級）: p32. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義由程序設(shè)計者所看到的一個計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟件、硬件界面的確定，即哪些功能由硬件或軟件完成。計算機組成：指的是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)計算機實現(xiàn)：指的是計算機組成的物理實現(xiàn)3. 透明性：一種本來是存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看似乎不存在，稱為透明性現(xiàn)象。4. Flynn分類法：SISD ： 單指令單數(shù)據(jù)流SIMD： 單指令多數(shù)據(jù)流MISD： 多指令單數(shù)據(jù)流MIMD：多指令多數(shù)據(jù)流5. 計算機系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務(wù)：（1） 確定用戶對計算機系統(tǒng)的功能、價

2、格和性能的要求（2） 軟硬件的平衡（3） 設(shè)計出符合今后發(fā)展方向的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6. 計算機系統(tǒng)設(shè)計的主要方法：由下往上設(shè)計、由上往下設(shè)計、有中間開始設(shè)計7. 存儲程序原理的基本點是指令驅(qū)動，即程序由指令組成8. 系列機：指在一個廠家生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。9. 模擬與仿真：模擬：用軟件方法在一臺現(xiàn)有的計算機上實現(xiàn)另一臺計算機的指令系統(tǒng)，若A實現(xiàn)B，那么稱A為宿主機，B為虛擬機。仿真：用微程序直接解釋另一種機器指令系統(tǒng)的方法稱為仿真。A為宿主機，B為目標機。二、計算題：1. Amdahl定律2. CPI 計算 3MIPS CH02一基本概念1. 目前常用

3、的編址單位有：字編址、字節(jié)編址、位編址。2 并行存儲器的編址技術(shù)：地址碼高位交叉編址、地址碼低位交叉編址。3. 尋址方式：立即數(shù)尋址、寄存器尋址、主存尋址、堆棧尋址。定位方式：把指令和數(shù)據(jù)中的邏輯地址轉(zhuǎn)換成主存儲器的物理地址。5. 設(shè)計指令系統(tǒng)時，在功能發(fā)面的最基本要求是：指令系統(tǒng)的完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性。6. 基本指令：數(shù)據(jù)傳送指令、運算類指令、程序控制類指令、輸入輸出指令、處理機控制和調(diào)試指令。 7. CISC：復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機。RISC：精簡指令系統(tǒng)計算機。8. RISC特征：簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼大部分指令可以單周期執(zhí)行完成只有LOAD和STORE指令可以訪問存儲器簡單的尋

4、址技術(shù)采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)采用LOAD延遲技術(shù)三地址指令格式較多的寄存器對稱的指令格式9. RISC思想的精華：減少CPI。10. RISC的關(guān)鍵技術(shù)：延時轉(zhuǎn)移技術(shù)、指令取消技術(shù)、重疊寄存器窗口技術(shù)、指令流調(diào)整技術(shù)，硬件為主固件為輔。二、計算題：操作碼優(yōu)化表示（Huffman 編碼及擴展編碼方法）： 書P91-95CH03一、基本概念1. 存儲系統(tǒng)：兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來成為一個系統(tǒng)。速度接近速度最快的那個存儲器，容量與容量最大的那個存儲器相等或相近，單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。2. 兩種存儲系統(tǒng)：一種是由Cache和

5、主存儲器構(gòu)成的Cache存儲系統(tǒng)，為了提高存儲器的速度。一種是由主存儲器和磁盤存儲器構(gòu)成的虛擬存儲系統(tǒng)，為了增加存儲器的存儲容量。3. 三條途徑解決頻帶平衡問題：（1） 多個存儲器并行工作（2） 設(shè)置各種緩沖存儲器（3） 采用存儲系統(tǒng)4. 高位交叉訪問存儲器：擴大存儲器容量。5. 低位交叉訪問存儲器：提高存儲器訪問速度。6. 三種地址空間：虛擬地址空間、主存儲器地址空間、輔存地址空間。地址映像：把虛擬地址空間映像到主存地址空間。地址變換：在程序運行時，把虛地址變換成主存實地址。三種虛擬存儲器：段式虛擬存儲器、頁式虛擬存儲器、段頁式虛擬存儲器。CH04一、基本概念1. 輸入輸出系統(tǒng)的特點：集中反

6、映在異步性、實時性、和與設(shè)備無關(guān)性。針對實時性，采用層次結(jié)構(gòu)的方法，針對與設(shè)備無關(guān)性，采用分類處理的方法。針對異步性，采用自治控制的方法。2. 3種基本的輸入輸出方式：程序控制輸入輸出方式、中斷輸入輸出方式、直接存儲器訪問方式程序控制輸入輸出方式、中斷輸入輸出方式、DMA方式。中斷輸入輸出方式的特點是：（1） CPU能與外圍設(shè)備并行工作（2） 能夠處理例外事件（3） 靈活性好（4） 一般用于連接低速外圍設(shè)備使用DMA方式實際有如下三種：（1） 周期竊取方式（2） 直接存取方式（3） 數(shù)據(jù)塊傳送方式3. 中斷的定義：當出現(xiàn)來自系統(tǒng)外部，機器內(nèi)部，甚至處理機本身的任何例外的，或者雖然是事先安排的，

7、但出現(xiàn)在現(xiàn)行程序的什么地方是事先不知道的事件時，CPU暫停執(zhí)行現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去處理這些事件，等處理完成后再返回來繼續(xù)執(zhí)行原先的程序。4. 引起中斷的各種事件稱為中斷源。5. 中斷系統(tǒng)中軟件與硬件的功能分配主要考慮如下兩個因素：（1）中斷響應(yīng)時間（2）靈活性6. 影響中斷響應(yīng)時間的因素有四個：（1） 最長指令執(zhí)行時間（2） 處理其他更緊急的任務(wù)所用時間（3） 從第一次關(guān)中斷到第一次開中斷所經(jīng)歷的時間（4） 通過軟件找到相關(guān)中斷源的中斷服務(wù)程序入口所經(jīng)歷的時間7. 中斷源的識別方法：（1） 識別中斷源的查詢法（2） 軟件排隊鏈法、硬件排隊鏈法（3） 中斷向量法 (2)&(3)屬串行排隊鏈法（4） 獨

8、立請求法8. 中斷屏蔽的兩種方法：方法一：每級中斷源設(shè)置一個中斷屏蔽位。方法二：改變處理機優(yōu)先級9. 設(shè)置中斷屏蔽的三個用處：（1） 在中斷優(yōu)先級由硬件確定了的情況下，改變中斷源的中斷服務(wù)順序（2） 決定設(shè)備是否采用中斷方式工作（3） 在多處理機系統(tǒng)中，把外圍設(shè)備的服務(wù)工作分配到不同的處理機中10. 通道種類：（1）字節(jié)多路通道（2）選擇通道（3）數(shù)組多路通道通道的種類及其工作方式字節(jié)多路通道 為多臺低中速的外圍設(shè)備服務(wù)，有多個子通道，每個子通道連接一個控制器選擇通道 為高速外圍設(shè)備服務(wù)，只有一個以成組方式工作的子通道 數(shù)組多路通道 字節(jié)多路通道和選擇通道的結(jié)合。 每次為一臺高速設(shè)備傳送一個數(shù)

9、據(jù)，并輪流為多臺外圍設(shè)備服務(wù)。從磁盤存儲器讀出文件的的過程分為三步：定位、找扇區(qū)、讀出數(shù)據(jù)。數(shù)組多路通道的實際工作方式是：在為一臺高速設(shè)備傳送數(shù)據(jù)的同時，有多臺高速設(shè)備可以在定位或者在找扇區(qū)。與選擇通道相比，數(shù)組多路通道的數(shù)據(jù)傳輸率和通道的硬件利用都很高，控制硬件的復(fù)雜度也高。11. 保證字節(jié)多通路通道能不丟失數(shù)據(jù)的方法：（1） 增加通道的最大流量（2） 動態(tài)改變設(shè)備的優(yōu)先級（3） 增加一定數(shù)量的數(shù)據(jù)緩沖器12. 輸入輸出處理機：能夠獨立承擔輸入輸出工作的專用處理機。13. 輸入輸出處理機除了能夠完成通道處理機的全部功能之外，還具有如下功能：（1） 碼制轉(zhuǎn)換。（2） 數(shù)據(jù)校驗和校正。（3） 故

10、障處理。（4） 文件管理。（5） 診斷和顯示系統(tǒng)狀態(tài)。（6） 處理人機對話。（7） 連接網(wǎng)絡(luò)或遠程終端。12.輸入輸出機的種類：（1）根據(jù)是否共享主存儲器分為：共享主存儲器的輸入輸出機和不共享主存儲器的輸入輸出機（2）根據(jù)運算部件和指令控制部件是否共享分為：合用一個運算部件和指令控制部件、獨立運算部件和指令控制部件二、計算題：1. 字節(jié)多路通道實際工作流量 （p244）2. 通道最大流量工作流量設(shè)計 CH05一、基本概念1. 標量處理機：只有標量數(shù)據(jù)表示和標量指令系統(tǒng)的處理機稱為標量處理機。2. 設(shè)計處理機的基本任務(wù)是：縮短解釋指令的時間，即提高處理機指令執(zhí)行的速度。3. 提高指令執(zhí)行的途徑有

11、如下三種：（1） 提高處理機的工作主頻（2） 采用更好的算法和設(shè)計更好的功能部件（3） 多條指令并行，稱為指令級并行技術(shù)4. 先行控制技術(shù)的關(guān)鍵是緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)。5. 采用二次重疊執(zhí)行方式必須解決的兩個問題：（1） 有獨立的去指令部件、指令分析部件、指令執(zhí)行部件解決方法：把一個集中的指令控制器分解為存儲控制器、指令控制器、運算控制器。（2） 解決訪問主存儲器的沖突問題解決方法：采用先行控制技術(shù)。6. 處理機結(jié)構(gòu)：（1） 三個獨立的控制器：存儲控制器、指令控制器、運算控制器。（2） 四個緩沖棧：（統(tǒng)稱為先行控制器）先行指令緩沖棧：用于平滑主存儲器與指令分析器先行讀數(shù)緩沖棧：用于平滑運算器與

12、主存儲器先行操作緩沖棧：使指令分析器和運算器能夠各自獨立工作 后行寫數(shù)棧：只要把寫到主存的數(shù)據(jù)送到后行寫數(shù)棧的數(shù)據(jù)寄存器中即可7. 相關(guān)：指一段程序的相近指令之間有某種關(guān)系，這種關(guān)系可能影響指令的重疊執(zhí)行。 通常分為兩類：數(shù)據(jù)相關(guān)（局部相關(guān)）、控制相關(guān)（全局相關(guān)）。8. 解決數(shù)據(jù)相關(guān)的方法有兩種：推后分析法、設(shè)置專用路徑。9. 數(shù)據(jù)相關(guān)有四種及解決方法：指令相關(guān)：不允許修改指令。主存操作數(shù)相關(guān)：推后處理法。通用寄存器相關(guān)：方法一：把讀操作數(shù)、寫運算結(jié)果與指令執(zhí)行合在一個節(jié)拍。方法二：建立相關(guān)專用通路。變址相關(guān)：由硬件自動插入空操作，直到LOAD操作完成。10. 控制相關(guān)包括：無條件轉(zhuǎn)移、一般條

13、件轉(zhuǎn)移、復(fù)合條件轉(zhuǎn)移、中斷等。11. 對條件轉(zhuǎn)移指令采用多種技術(shù)：延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)、指令取消技術(shù)。在先行控制方式的處理機中經(jīng)常采用如下幾種技術(shù)：（1） 軟件“猜測”法（2） 硬件“猜測”法（3） 兩個先行指令緩沖棧12. 減少條件轉(zhuǎn)移對流水線的影響的方法：（1） 延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)和指令取消技術(shù)（2） 靜態(tài)轉(zhuǎn)移預(yù)測技術(shù)（3） 動態(tài)轉(zhuǎn)移預(yù)測技術(shù)13. 從兩個方面來開發(fā)處理機內(nèi)部的并行性：空間并行性、時間并行性?？臻g并行性：即在一個處理機內(nèi)部設(shè)置多個獨立的操作部件，并讓這些操作部件并行工作，這種處理機稱為多操作部件處理機和超標量處理機。 時間并行性：就是采用超流水線技術(shù)。14. 流水線工作原理：把一個重復(fù)的

14、過程分解稱為若干個子過程，每個子過程可以與其他子過程同時進行。15. 時空圖：橫坐標表示時間，縱坐標表示空間。流水線的一個子過程通常稱為“功能段”。16. 流水線的特點：（1） 在流水線中處理的必須是連續(xù)任務(wù)，只有連續(xù)不斷地提供任務(wù)才能充分發(fā)揮流水線的效率。（2） 把一個任務(wù)分解為幾個有聯(lián)系的子任務(wù)，每個子任務(wù)由一個專門的功能部件實現(xiàn)（3） 在流水線的每一個功能部件的后面有一個緩沖寄存器，或稱為鎖存器、閘門寄存器等，用于保存本段的執(zhí)行結(jié)果（4） 流水線中隔斷的時間應(yīng)盡量相等（5） 流水線需要有“裝入時間”、“排空時間”17. 按照功能段之間是否有反饋信號，流水線可分為：線性流水線和非線性流水線

15、。18. 按照流水線使用的不同級別，可分為功能部件級、處理機級、處理機間級等類型。18.流水線處理機：指令執(zhí)行部件中采用了流水線的處理機。19. 多操作部件處理機或標量處理機：指令執(zhí)行部件中設(shè)置有多個操作部件的處理機。20. 單功能流水線：一條流水線只能完成一種固定的功能。多功能流水線：流水線的各段可以進行不同的連接，在不同時間內(nèi)或在統(tǒng)一時間內(nèi)，通過不同的連接方式實現(xiàn)不同的功能。21. 靜態(tài)流水線：在同一段時間內(nèi)，多功能流水線中的各個功能段只能按照一種 固定的方連接，實現(xiàn)一種固定的功能。動態(tài)流水線：在同一段時間內(nèi)，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時執(zhí)行多種功能。22. 在同一個基

16、本快內(nèi)部的相關(guān)稱為局部相關(guān)；由條件轉(zhuǎn)移或程序中斷引起的相關(guān)稱為全局相關(guān)。23. 處理因為程序性錯誤和機器故障燈產(chǎn)生的中斷的兩種方法：不精確斷點方法、精確斷點方法。24. 三種高性能的指令級并行處理機：超標量處理機、超流水線處理機、超標量超流水線處理機。25. 單發(fā)射處理機：每個周期只取一條指令、只譯碼一條指令，只執(zhí)行一條指令，只寫回一個運算結(jié)果。 26. 多發(fā)射處理機：每個周期同時取多條指令、同時譯碼多條指令，同時執(zhí)行多條指令，同時寫回多個運算結(jié)果。27. 超標量處理機：一個時鐘內(nèi)能夠同時發(fā)射多條指令的處理機。超標量處理機必須有兩條或兩條以上能夠同時工作的指令流水線。超標量處理機采用的三種不同

17、的指令調(diào)度方法：（1） 順序發(fā)射順序完成（2） 順序發(fā)射亂序完成（3） 亂序發(fā)射亂序完成28. 超流水線處理機：一個基本時鐘周期內(nèi)能夠分時發(fā)射多條指令的處理機。或者，指令流水線的級數(shù)為8或大于8即的流水線處理機稱為超流水線處理機。29. 超標量超流水線處理機：一個時鐘周期內(nèi)發(fā)射指令n次，每次發(fā)射指令m條，每個時鐘周期總共發(fā)射mn條。30. 超標量處理機的相對性能最高，其次為超標量超流水線處理機，超流水線處理機的相對性能最低。31. 兩種不同并行性： 超標量處理機采用的是空間并行性；超流水線處理機采用的是時間并行性。二、計算題： 1. 流水線吞吐率 2加速比和效率的計算CH06 向量處理機一、基

18、本概念1. 具有向量數(shù)據(jù)表示和向量指令系統(tǒng)的處理機向量處理機是解決數(shù)值計算問題的一種高性能計算機向量處理機屬大型或巨型機，也可以用微機加一臺向量協(xié)處理器組成向量處理機一般都采用流水線結(jié)構(gòu)，通常有有多條并行工作的流水線必須把要解決的問題轉(zhuǎn)化為向量運算，才能發(fā)揮向量處理機的效率2. 0元素很多，非0元素很少的向量稱為稀疏向量3. 向量處理機的結(jié)構(gòu):主要采用兩種方法：存儲器存儲器結(jié)構(gòu)和寄存器寄存器結(jié)構(gòu)。4. 向量處理方式：橫向處理方式、縱向處理方式、縱橫處理方式。5. 向量處理機的關(guān)鍵技術(shù)：（1） 向量鏈接技術(shù)（2） 向量循環(huán)開采技術(shù)（3） 向量遞歸技術(shù)二、計算題：1. 判斷并行 鏈接的條件 2.

19、列向量操作分成編隊，然后計算每個編隊的開始時間、獲得第一個結(jié)果元素的時間和獲得最后一個結(jié)果元素的時間 CH07一、基本概念1. 互連網(wǎng)絡(luò)：是一種由開關(guān)元件按照一定的拓撲結(jié)構(gòu)和控制方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，用來實現(xiàn)計算機系統(tǒng)內(nèi)部多個處理機或多個功能部件之間的相互連接。2. 互連網(wǎng)絡(luò)的主要性能參數(shù)：(1)頻帶寬度(2)傳輸時間(3)飛行時間(4)傳輸時延(5)發(fā)送方開銷(6)接收方開銷3.總時延發(fā)送方開銷飛行時間 消息長度/頻寬接收方開銷4.互連網(wǎng)絡(luò)的種類：靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò) 循環(huán)互連網(wǎng)絡(luò)多級互連網(wǎng)絡(luò) 全排列互連網(wǎng)絡(luò) 全交叉開關(guān)網(wǎng)絡(luò)二、計算題：基本互連函數(shù)的定義與計算（計算）書P395CH08并行處理機(SIMD

20、)一、基本概念1. 兩種并行性概念：(1)同時性并行Simultaneity：兩個或兩個以上事件在同一時刻發(fā)生。(2)并發(fā)性并行Concurrency：兩個或兩個以上事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。 2. 并行處理機的主要特點如下：（1） 速度快，而且潛力大（2） 模塊性好，生產(chǎn)和維護方便（3） 可靠性高，容易實現(xiàn)容錯和重構(gòu)（4） 效率低3. 三條技術(shù)途徑：(1)資源重復(fù)：重復(fù)設(shè)置多個部件來提高速度。(2)時間重疊：流水線(3)資源共享：分時系統(tǒng)，分布式系統(tǒng)4. 并行處理機的定義：多個處理部件PU按照一定方式互連，在同一個控制部件CU控制下，對各自的數(shù)據(jù)完成同一條指令規(guī)定的操作。從CU看，指令是串行

21、執(zhí)行的，從PU看，數(shù)據(jù)是并行處理的。 4. 并行處理機也稱為陣列處理機，按照按照佛林分類法，它屬于SIMD處理機。5. 并行處理機的主要應(yīng)用領(lǐng)域：用于高速向量或矩陣運算。6.一臺并行處理機由五個部分組成： 多個處理單元PE，多個存儲器模塊M，一個控制器CU，一個互連網(wǎng)絡(luò)ICN，一臺輸入輸出處理機IOP。并行處理機有兩種典型結(jié)構(gòu)：分布存儲器并行處理機，共享存儲器并行處理機。7.目前的大部分并行處理機屬于基于分布式存儲器模型。分布式存儲器并行處理機比較容易構(gòu)成MPP(Massively Parallel Processor)，可以有幾十萬個處理部件PE。CU是控制部件。對于標量指令，在CU中直接執(zhí)

22、行；對于向量指令，CU把它廣播到各個PE中去執(zhí)行。在CU中通常有一個較大容量的存儲器，用來存放程序和共享數(shù)據(jù)。IOP是輸入輸出處理機，或稱為主機。在IOP上安裝操作系統(tǒng)，它除了負擔輸入輸出工作外，還負責程序的編輯、編譯和調(diào)試等工作。 IOP可以是一臺通用計算機。分布式存儲器并行處理機必須依靠并行算法來提高PE的利用率。因此，應(yīng)用領(lǐng)域有限，可以認為是一種專用計算機。數(shù)據(jù)在局部存儲器中的分布是一個很關(guān)鍵的問題。標量指令與向量指令可以并發(fā)執(zhí)行。實例：IlliacIV 陣列處理機8.共享多體并行存儲器SM通過互連網(wǎng)絡(luò)與各處理單元PE相連。存儲模塊的數(shù)目等于或略大于處理單元的數(shù)目。為了實現(xiàn)無沖突訪問，存

23、儲模塊的個數(shù)為質(zhì)數(shù)。在存儲模塊之間合理分配數(shù)據(jù)，通過靈活、高速的互連網(wǎng)絡(luò)，使存儲器與處理單元之間的數(shù)據(jù)傳送在大多數(shù)向量運算中都能以存儲器的最高頻率進行，而最少受存儲器沖突的影響。實例：BSP 計算機9.陣列處理機的并行算法（1）矩陣乘（2）求累加和CH09多處理機1. 多處理機定義：兩個或兩個以上處理機(包括PU和CU)，通過高速互連網(wǎng)絡(luò)連接起來，在統(tǒng)一的操作系統(tǒng)管理下，實現(xiàn)指令以上級（任務(wù)級、作業(yè)級）并行。 按照Flynn分類法，多處理機系統(tǒng)屬于MIMD計算機2. 多處理機分類:多處理機系統(tǒng)由多個獨立的處理機組成，每個處理機都能夠獨立執(zhí)行自己的程序。按照處理機之間的連接程度：緊密偶合和松散偶合多處理機 按照是否共享主存儲器：共享