計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2011年串講及匯總(第一部分)

1、-作者xxxx-日期xxxx計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2011年串講及匯總(第一部分)【精品文檔】第一章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1. 從使用語言的角度可以將系統(tǒng)看成是按功能劃分的多個機器級組成的層次結(jié)構(gòu)。由高到低分別為：(1)應(yīng)用語言機器級 (2)高級語言機器級 (3)匯編語言機器級 (4)操作系統(tǒng)機器級 (5)傳統(tǒng)機器語言機器級 (6)微程序機器級。2. 應(yīng)用程序語言經(jīng)應(yīng)用程序包的翻譯成高級語言程序。3. 高級語言程序經(jīng)編譯程序的翻譯成匯編語言程序。4. 匯編語言程序經(jīng)匯編程序的翻譯成機器語言程序。5. 在操作系統(tǒng)機器級，一般用機器語言程序解釋作業(yè)控制語句。6. 傳統(tǒng)機器語言機器級，是用微指令程序來解

2、釋機器指令。7. 微指令由硬件直接執(zhí)行。8. 在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu)中，機器被定義為能存儲和執(zhí)行相應(yīng)語言程序的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的集合體。9. 透明指的是客觀存在的事物或?qū)傩詮哪硞€角度看不到，它帶來的好處是簡化某級的設(shè)計，帶來的不利是無法控制 10.翻譯：先用轉(zhuǎn)換程序?qū)⒏咭患墮C器級上的程序整個地變換成底一級機器級上行將的程序，然后在低一級機器級上實現(xiàn)的技術(shù)11.解釋： 在低級機器級上用它的一串語句或指令來仿真高級機器級上的一條語句或指令的功能，通過高級機器語言程序中的每條語句或指令逐條解釋來實現(xiàn)的技術(shù)。12硬件取舍原則：（1）應(yīng)考慮在現(xiàn)有硬器件(主要是邏輯器件和存儲器件)條件下，系統(tǒng)要有高的性

3、能價格比。（2）要考慮到準備采用和可能采用的組成技術(shù)，使它盡可能不要過多或不合理地限制各種組成、實現(xiàn)技術(shù)的采用。（3）不能僅從“硬”的角度考慮如何便于應(yīng)用組成技術(shù)的成果和便于發(fā)揮器件技術(shù)的進展，還應(yīng)從“軟”的角度把如何為編譯和操作系統(tǒng)的實現(xiàn)以及為高級語言程序的設(shè)計提供更多更好的硬件支持放在首位。13. 計算機系統(tǒng)的設(shè)計思路：（1）由上往下（2）由下往上（3）由中間開始14. 軟件的可移植性：指的是軟件不修改或只經(jīng)少量修改就可由一臺機器搬到另一臺機器上運行，同一軟件可應(yīng)用于不同的環(huán)境。15. 實現(xiàn)欠件移植的幾個基本技術(shù)：（1）統(tǒng)一高級語言 （2）采用系列機 （3）模擬與仿真16. 為什么沒有對各

4、種應(yīng)用真正通用的語言？（1）不同的用途要求語言的語法、語義結(jié)構(gòu)不同。（2）人們對語言的基本結(jié)構(gòu)看法不一。（3）即使同一種高級語言在不同廠家的機器上也不能完全通用。（4）受習慣勢力阻撓，人們不愿意拋棄慣用的語言。17 模擬：用機器語言程序解釋實現(xiàn)軟件移植的方法稱為模擬。（需經(jīng)二重解釋，速度低，實時性差）（模擬靈活，可實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的軟件移植，系統(tǒng)差異太大時效率速度急劇下降）18 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。（速度上損失小，但不靈活，只在差別不大的機器上使用，兩種機器差別太大時，就很難仿真）19 模擬與仿真的區(qū)別：仿真是用微程序解釋，其解釋程序存入在控制存儲器中；而模擬

5、是用機器語言程序來解釋，其解釋程序存放在主存中。20 并行性：把解題中具有可以同時進行運算或操作的特性。并行性包括(1)同時性和(2)并發(fā)性 同時性：指兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生 并發(fā)性：指兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生21開發(fā)并行性途徑：(1)時間重疊 (2)資源重復(fù) (3)資源共享 時間重疊：讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個部分，加快硬件周圍來贏得速度。 資源重復(fù)：通過得利設(shè)置硬件資源來提高可靠性或性能。 資源共享：用軟件方法讓多個用戶按一定時間順序輪流使用同一套資源來提高其利用率，相應(yīng)也就提高了系統(tǒng)的性能。第二章 數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)1. 數(shù)據(jù)表示：

6、指的是能由機器硬件直接識別昨引用的數(shù)據(jù)類型。2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)反映了應(yīng)用中要用的各種數(shù)據(jù)元素或信息單元之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。 數(shù)據(jù)表示是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組成元素。3. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)表示是軟、硬件的交界面。數(shù)據(jù)表示的確定實質(zhì)是軟、硬件的取舍。4. 高級數(shù)據(jù)表示：（1）自定義數(shù)據(jù)表示 （2）微量數(shù)組數(shù)據(jù)表示 （3）堆棧數(shù)據(jù)表示5. 標志符數(shù)據(jù)表示：將數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)本身直接聯(lián)系到一起。(合存于同一存儲單元中)6. 標志符數(shù)據(jù)表示的優(yōu)點：（1）簡化了指令系統(tǒng)和程序設(shè)計（2）簡化了編譯程序（3）便于實現(xiàn)一至性校驗（4）能由硬件自動變換數(shù)據(jù)類型（5）支持了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)與數(shù)據(jù)類型無關(guān)的要求（6）為軟件調(diào)試和應(yīng)用軟件開

7、發(fā)提供了支持7. 標志符數(shù)據(jù)表示可能帶來的問題：（1）每個數(shù)據(jù)字因增設(shè)標志符，會增加程序所占的主存空間（2）采用標志符會降低指令的執(zhí)行速度8. 規(guī)模機器的特征：（1） 有高速寄存器組成的硬件堆棧，并附加控制電路讓它與主存中的堆棧區(qū)在邏輯上構(gòu)成整體，使堆棧的訪問速度是寄存器，容量是主存的（2） 有豐富的堆棧操作指令且功能很強，直接可對堆棧中的數(shù)據(jù)進行各種去處和處理（3） 有力地支持高級語言程序的編譯（4） 有力地支持子程序的嵌套和遞歸調(diào)用9. 引入數(shù)據(jù)表示的原則：（1） 看系統(tǒng)的效率有否提高，即是否減少了實現(xiàn)時間的存儲空間（2） 看引入這種數(shù)據(jù)表示后，其通用性和利用率是否高10. 浮點數(shù)尾數(shù)的下

8、溢處理方法：(1)截值法 (2)舍入法 (3)恒置1法 (4)查表舍入法11. 尋址方式：指的是指令按什么方式尋長(或訪問)到所需的操作數(shù)或信息。12. 尋址方式在指令中的兩種指明方式：(1) 占有操作碼中的某些位 （2）在地址碼部分專門設(shè)置尋址方式位字段指明13. 邏輯地址是程序員編程用的地址。物理地址是程序在主存中的實際地址。14. 靜態(tài)再定位：在目的程序裝入主存時，由裝入程序用軟件方法把目的程序的邏輯地址變換成物理地址15. 動態(tài)再定位：在執(zhí)行每條指令時才形成訪存物理地址的方法16. 指令由操作碼和地址碼兩部分構(gòu)成；操作碼指明操作種類和所用操作數(shù)的數(shù)據(jù)類型；地址碼包括操作數(shù)的地址、地址的

9、附加信息、尋址方式等。17. 指令格式的優(yōu)化：指的是如何用最短的倍數(shù)來表示指令的操作信息和地址信息，使程序中指令的平均字長最短。18. 操作碼的優(yōu)化表示，主要是為了縮短指令字長，減少程序總位數(shù)及增加指令字能表示的操作信息和地址信息。19. 哈夫曼壓縮概念的基本思想：當各種事件發(fā)生的概率不均等時，采用優(yōu)化技術(shù)對發(fā)生概率最高的事件用最短的位數(shù)(時間)來表示(處理)，而對出現(xiàn)概率較低的，允許用較長的位數(shù)(時間)來表示(處理)，這樣，就會導(dǎo)致表示(處理)的平均(時間)的縮短。20. 操作碼的表示方式通常有下列三種：(1)固定長度編碼法 (2)哈夫曼編碼法 (3)擴展操作碼編碼法21. 指令系統(tǒng)的設(shè)計、

10、發(fā)展和改進上的兩種不同方向：（1）CISC （2）RISC22. CISC：進一步增強原有指令的功能以及設(shè)置更為復(fù)雜的新指令取代原先由軟子程序完成的功能，實現(xiàn)軟件功能的硬化。23. CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機）的優(yōu)化實現(xiàn)：(1) 面各目標程序的優(yōu)化(2) 面向高級語言的優(yōu)化(3) 面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化24. 面向目標程序的優(yōu)化(1) 對存貯器語言程序及其執(zhí)行情況進行統(tǒng)計各種指令和指令串的使用頻度來加以分析和改進。 靜態(tài)使用頻度：對程序中統(tǒng)計出的指令及指令串使用頻度（著眼于減少目標程序所占用的儲存空間） 動態(tài)使用頻度：在目標程序執(zhí)行過程中對指令和指令串統(tǒng)計出的頻度（著眼于減少目標程序的執(zhí)行時間）

11、(2) 增設(shè)強功能復(fù)合指令來取代原先是由常用宏指令或子程序?qū)崿F(xiàn)的功能，用微程序解釋實現(xiàn)。25. 面向高級語言優(yōu)化實現(xiàn)改進(盡可能縮短高級語言和機器語言的語義差距，支持高級語言編譯，縮短編譯程序長度和編譯時間) (1) 通過對源程序中各種高級語言語句的使用頻度進行統(tǒng)計來分析改進。 (2) 如果面向編譯，優(yōu)化代碼生成來改進。 (3) 設(shè)法改進指令系統(tǒng)，使它與各種語言間的語義差距都有同等的縮小。 (4) 讓機器具有分別面向各種高級語言的多種指令系統(tǒng)、各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 (5) 發(fā)展高級語言計算機（或稱高級語言機器）26. 面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化(1) 對常用指令和指令串的使用頻度進行統(tǒng)計分析來改進。（改進指

12、令系統(tǒng)） (2) 考慮如何增設(shè)專用于操作系統(tǒng)的新指令。（改進指令系統(tǒng)） (3) 把操作系統(tǒng)中頻繁使用的對速度影響大的某些軟件子程序硬化或固化，改為直接用硬件或微程序解釋實現(xiàn)。 (4) 發(fā)展讓操作系統(tǒng)由專門的處理機來執(zhí)行的功能分布處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。27. CISC存在的問題： (1) 指令系統(tǒng)龐大，一般在200條指令以上。許多指令功能異常復(fù)雜。 (2) 由于許多指令的繁雜，執(zhí)行速度很低。 (3) 指令系統(tǒng)龐大，故高級語言編譯程序選擇目標指令的范圍大太，難以優(yōu)化生成高效機器語言程序，編譯程序也太長太復(fù)雜。 (4) 由于指令系統(tǒng)龐大，各種指令的使用頻度都不會太高，具差別很大，其中相當一部分指令的利用率很

13、低。28. 設(shè)計RISC的原則： (1) 只選擇那些使用頻度很高的指令，再增加少量其他功能的指令，使之一般不超過100條 (2) 減少指令系統(tǒng)尋址方式各類，一般不超過兩種，并讓全部指令都是相同的長度。 (3) 讓所有指令都在一個機器周期內(nèi)完成 (4) 擴大通用寄存器數(shù)，盡量減少訪存。僅存(store)、取(load)指令訪存，其他指使一律對寄存器操作。(5) 大多數(shù)年指令都用硬聯(lián)控制實現(xiàn)，少數(shù)指令用微程序?qū)崿F(xiàn)。(6) 精簡指令和優(yōu)化設(shè)計編譯程序，簡單有效地支持高級語言的實現(xiàn)。29. 設(shè)計RISC結(jié)構(gòu)用的基本技術(shù)： (1) 按RISC一般原則設(shè)計 (2) 邏輯實現(xiàn)用硬聯(lián)和微程序結(jié)合 (3) 用重

14、疊寄存器窗口 (4) 指令用流水和延遲轉(zhuǎn)移 (5) 優(yōu)化設(shè)計編譯系統(tǒng)30. 采用RISC技術(shù)帶來的好處：(1) 簡化指令系統(tǒng)設(shè)計，適合VLSI實現(xiàn) (2) 提高機器的執(zhí)行速度和效率 (3) 設(shè)計成本，提高了系統(tǒng)的可靠性 (4) 可直接支持高級語言的實現(xiàn)31. RISC的不足：(1) 由于指令少，一條CISC指令能完成的某些功能需要多條RISC指令才能完成，加重了匯編各方程序設(shè)計的負擔，增加了機器語言程序的長度，占用在座空間多，加大了指令的信息流量。 (2) 對浮點去處執(zhí)行的虛擬存儲器的支持雖有很大加強，但仍顯不足。 (3) RISC機器的編譯程序比CISC的難寫。第三章 總線、中斷與輸入輸出系

15、統(tǒng)1. 輸入輸出系統(tǒng)包括輸入輸出設(shè)備、設(shè)備控制器及與輸入輸出操作有關(guān)的軟硬件 2. I/O系統(tǒng)設(shè)計主要考慮解決好CPU、主存和I/O設(shè)備在速度上的巨大差距。3. 輸入輸出系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：（1）程序控制I/O （2）直接存儲器訪問 （3）I/O處理機方式(a.通道 b.外圍處理機方式)4. 總線類型：按信息傳送方向分：(1)單向傳輸 (2)雙向傳輸 按用法分：(1)專用 (2)非專用 (相關(guān)介紹及優(yōu)缺點見P63)5. 非專用總線總線控制方式：集中式控制：總線控制機構(gòu)基本上集中在一起。 分布式控制：總線控制邏輯分散在各個部件中 P646. 集中式總線控制：(1)串行鏈接控制 (2)定時查詢

16、方式 (3)獨立查詢方式 （P64）7. 集中式串行鏈接式的總線分配過程：1).部件發(fā)總線請求。2).總線不忙時，總線控制器返回總線響應(yīng)（總線可用）信號。3).沒發(fā)總線請求信號的部件傳送總線響應(yīng)信號，發(fā)的部件截留響應(yīng)信號。4).截留后，發(fā)總線忙狀態(tài)，撤銷請求，開始占用總線。5).傳送結(jié)束撤銷總線忙。6).總線不忙后，撤銷總線響應(yīng)。8. 優(yōu)點： 1).選擇算法簡單，控制線線數(shù)少。 2).部件增加容易，可擴充性好。 3).容易通過重復(fù)設(shè)置提高可靠性。9. 缺點： 1).對“總線可用”線及其有關(guān)電路的失效敏感。 2).優(yōu)先級是線連固定，不靈活。 3).限制了總線的分配速度。10. 集中定時查詢方式的

17、總線分配過程：1).部件發(fā)總線請求。2).總線不忙時，總線控制器的查詢計數(shù)器開始計數(shù)。3).定時查詢各部件。4).部件接收計數(shù)值，并判斷，若與部件號一致，則發(fā)總線忙，撤銷請求，并占用總線。5).總線控制器收到總線忙，停止計數(shù)，停止查詢。6).傳送結(jié)束撤銷總線忙。11. 優(yōu)點： 1).優(yōu)先次序可用程序控制，靈活性強。 2).可靠性高。12. 缺點： 1).總線線數(shù)較多。 2).部件數(shù)受限于定時查詢線線數(shù)。 3).控制較為復(fù)雜。 4).總線分配的速度不能提高。13. 集中式獨立請求方式的總線分配過程：1).部件發(fā)總線請求。2).總線不忙時，按某種算法，發(fā)一個總線響應(yīng)。3).被響應(yīng)部件發(fā)總線忙狀態(tài)，

18、撤銷請求，開始占用總線。4).傳送結(jié)束，撤銷總線忙。5).總線不忙后，撤銷總線響應(yīng)。14. 優(yōu)點：1).總線分配速度快。 2).可用選定的方式確定響應(yīng)的部件。 3).能方便的隔離失效部件的請求。15. 缺點：1).控制線數(shù)量過大。 2).總線控制器要復(fù)雜的多。16. 總線的傳送方式分為：1)同步通信 2)異步通信17. 同步通信：兩個部件之間的信息傳送是通過定寬定距的系統(tǒng)時標進行同步的（受同步時鐘的控制）18. 同步通信的優(yōu)點：信息傳送速率高，受總線的長度影響小。19. 同步通信的缺點：但會因時鐘在總線上的時滯而造成同步誤差， 且時鐘線上的干擾信號易引起誤同步。20. 異步通信：用于I/O總線

19、，連接不同速度的I/O設(shè)備。(又可分為a.單向控制和b.雙向(請求/回答)控制兩種)(1)單向控制：指的是通信過程只由目的或源部件中的一個單一控制。單向控制又有源控制和目的控制兩種。 優(yōu)點：簡單，高速。 缺點：未能保證下一數(shù)據(jù)傳送之前讓所有數(shù)據(jù)線和控制線的電平信號恢復(fù)成初始狀態(tài)，從而可能造成錯誤。(2) 請求/回答雙向控制：由源和目共同控制。 特點：增加了信號總線來回傳送的次數(shù)，使控制硬件變得復(fù)雜，但它能適應(yīng)各種不同速度的I/O設(shè)備，保證數(shù)據(jù)傳送的正確性，有較高的數(shù)據(jù)傳送率。21. 數(shù)據(jù)寬度：是I/O設(shè)備取得I/O總線使用權(quán)后（在一次I/O總線分配期間內(nèi)），所傳送數(shù)據(jù)的總量。22. 數(shù)據(jù)通路寬

20、度：數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，是數(shù)據(jù)傳送的物理寬度。即一個時鐘周期所傳送的信息量，它直接取決于數(shù)據(jù)總線的線數(shù)。23. 總線的線數(shù)越多，成本越高、干擾越大、可靠性越低、占用的空間也越大，當然傳送速度和流量也越高。為此，越是長的總線，其線數(shù)就應(yīng)盡可能減少。24. 減少線數(shù)的方法：1)同一根線多個功能（復(fù)用）。 2)并/串串/并轉(zhuǎn)換 3)編碼25. 中斷源：引起中斷的各種事件。 中斷請求：中斷源向中斷系統(tǒng)發(fā)出請求中斷的申請。 中斷響應(yīng)：允許中斷請求中斷CPU現(xiàn)行程序的運行，轉(zhuǎn)去對該請求進行預(yù)處理，包括保存好斷點現(xiàn)場，調(diào)出有關(guān)處理該中斷的中斷處理程序，準備運行。26. 中斷分類的目的：中斷源數(shù)量很多，若形成單獨

21、入口，硬件復(fù)雜，代價大，故進行分類，把性質(zhì)相近的中斷源歸為一類。同一類中斷共用一個中斷入口地址，再由軟件形成實際入口地址。27. 中斷的分類：1）機器校驗中斷（第一級）：設(shè)備故障，電源故障，主存出錯。2）管理程序調(diào)用（訪管中斷）（第二級）：訪管指令。3）程序性中斷（第二級）：溢出，除數(shù)為零，數(shù)據(jù)格式錯。4）外部中斷（第三級）：定時器，外部信號。5）輸入/輸出中斷（第四級）：I/O請求。6）重新啟動中斷（第五級）：啟動另一個程序。28. 中斷分級的目的：解決多個中斷請求同時發(fā)生時的響應(yīng)次序問題。29. 分級原則： 1）同一類的優(yōu)先次序由軟件管理(一般情況下，同類同級，不同類不同級) 2）不同類的

22、中斷根據(jù)中斷的輕重緩急分成不同的級別。30. 中斷嵌套原則： 1）禁止同級或低級中斷。 2）允許高級中斷。31. 中斷響應(yīng)次序和處理次序 中斷響應(yīng)次序用排隊器硬件實現(xiàn)，次序是由高到低定死的，但可以根據(jù)需要用軟件改變實際的中斷處理完次序（簡稱中斷處理次序）。中斷級屏蔽位的作用：決定某級中斷請求能否進入排隊器（只要能進入，還是按上面講的優(yōu)先級次序由高到底響應(yīng)中斷）中斷響應(yīng)次序由硬件定死。而處理次序由中斷屏蔽位決定。32. 中斷系統(tǒng)的功能包括：中斷請求的保存與清除，確定優(yōu)先級，保護斷點，保護現(xiàn)場，中斷源分析，中斷處理，中斷返回等。33. 中斷系統(tǒng)的軟、硬件功能分配實質(zhì)是中斷處理程序軟件和中斷響應(yīng)硬件

23、的功能分配。34. 中斷系統(tǒng)的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。35. 通道的功能：(1)接受CPU的輸入輸出操作指令，按指令要求控制外設(shè)(接受指令) (2)從主存讀取通道程序，并執(zhí)行(即向設(shè)備控制器發(fā)送各種指令)(執(zhí)行程序) (3)組織和控制數(shù)據(jù)在內(nèi)存與外設(shè)之間的傳送操作(傳送數(shù)據(jù)) (4)讀取外設(shè)的狀態(tài)信息，形成整個通道的狀態(tài)信息，提供給CPU或保存在主存中(通道狀態(tài)) (5)向CPU發(fā)出輸入輸出操作中斷請求(中斷請求)36. 通道的工作過程：（1）用戶在目態(tài)中安排廣義I/O指令。(包括訪管指令和參數(shù))（2）當目態(tài)程序執(zhí)行到訪管指令后，產(chǎn)生訪管中斷。（3）CPU響應(yīng)中斷，第一次訪管態(tài)，運行管態(tài)程序。（4）管理程序編制通道程序。（根據(jù)參數(shù)：設(shè)備號、主存地址、信息長度等）（通道程序放在主存中，由通道執(zhí)行）（5）執(zhí)行“啟動I/O”指令：選擇通道，校驗第一條通道指令格式，選擇設(shè)備并啟動通道及設(shè)備。（6）通道啟動后，<1>CPU退出管態(tài)，運行目態(tài)程序。&l