02325自考计算机系统结构重点提纲已排版

第一章概论第一节计算机系统的多级层次结构机器：指能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体。

翻译技术：指先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成低一级机器级上等效的程序，然后在低一级机器上实现的技术。

解释技术：指在低级机器上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条指令或指令的功能，是通过对机器语言指令程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。

固件：指一种具有软件功能的硬件。

虚拟机器：指以软件为主实现的机器。

第二节计算机系统结构、计算机组成和计算机实现系统结构：是对计算机系统中的各级界面的定义及其上下的功能分配。

透明：即如果客观存在的事物或属性从某个角度看不到，则称对它是透明的。

计算机系统结构：也称为计算机系统的体系结构（Computer Architecture），是系统结构中的一部分，它指的是层次结构中传统机器级的系统结构，是软件和硬件的交界面。

通用机计算机系统结构的属性包括：（书大纲）确定数据表示、确定寻址方式、设置寄存器组织、指令系统、存储系统组织、中断机构、机器级的管态用户态定义、I/O系统、信息保护机构计算机组成（Computer Organization）：指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

计算机组成设计应包括：数据通路宽度、专用部件的设置、各种操作对部件的共享程度功能部件的并行度、控制机构的组成方式、缓冲和排队技术、预估预判技术、可靠性技术计算机实现：指的是计算机组成的物理实现。

包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分等。

计算机系统结构、组成和实现的相互关系和影响：1.相同系统结构，可以采用不同的组成；2.一种组成可以有多种不同的实现方法；3.采用不同的系统结构会使可以采用的组成技术产生差异；4.组成也会影响结构，例如微程序影响机器指令。

第三节计算机系统的软、硬件取舍及定量设计原理软、硬取舍的基本原则：1.在现有硬、器件的条件下，系统要有高的性能价格比。

2.要考虑到准备采用和可能采用的组成技术，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”的角度把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放在首位。

计算机系统定量设计的基本原理：哈夫曼（Huffman）压缩原理：尽可能加速处理高概率的事件远比加速处理概率低的事件对性能的提高要显著。

Amdahl定律：表明了性能提高量的递减规律，如果只对系统中的一部分进行性能改进，改进得越多，整体性能提高的增量却越小。

程序访问的局部性定律：包含时间上的局限性、空间上的局限性计算机系统设计的主要任务：包括系统结构、组成和实现的设计，包括软硬件功能分配、计算机指令系统设计、功能组织、逻辑设计、集成电路设计等多方面的问题。

系统功能的确定应考虑的因素：1.应用领域是专用还是通用的2.软件兼容层级3.对操作系统的要求4.如何保证有高的标准化程度计算机系统的设计方法自上而下：先考虑如何满足应用要求。

自下而上：根据目前能用的器件来设计。

从中间向两边：这是目前通用机一般采用的方法。

它可以克服前两种设计方法中，软、硬件设计分离和脱节的致命缺点。

计算机设计的步骤：进行需求分析根据需求分析写出需求分析说明书概念设计通过模拟、测试，反复对所设计的系统进行优化和性能评价第四节软件、应用、器件的发展对系统结构的影响软件的可移植性（Portability）：指的是软件不修改或只经少量修改就可由一台机器移到另一台机器上运行，同一软件可应用于不同的环境。

实现软件移植的技术有：1.统一高级语言（但是没有的原因：语言依用途而异、人对基本结构的看法不一、不同机器不通用、人的使用习惯）2.采用系列机；向上（高档机）、后（新出机）兼容3.模拟和仿真。

模拟：用机器语言程序解释实现软件移植的方法仿真：用微程序直接解释另一种机器指令系统，速度快，但依赖类似的机器结构。

模拟和仿真的区别：主要区别在于语言，仿真是用微程序解释，其解释程序存储于控制存储器中；而模拟是用机器语言程序解释，其解释程序存储于主存中；仿真可以提高被移植程序的速度，但微程序级机器结构依赖于机器级结构，但两种机器结构差别较大时很难仿真。

模拟和仿真的选择：不同系列间软件移植一般是通过仿真和模拟并行；频繁使用的易于仿真的机器指令宜用仿真，提高速度；很少使用的难以仿真的指令及I/O操作宜用模拟；即使两种机器系统差别不大，往往也需要用模拟来完成机器间的映像。

对系统结构的影响：软件发展：应在新的系统结构上解决好软件的可移植性问题。

应用的发展：要求研制优化于某类应用的系统结构，在不破坏软件兼容的前提下，将专用研制的系统结构成果转移到通用机上。

器件的发展：加速了结构的“下移”。

大型机的各种数据表示、指令系统、操作系统很快出现在小、微型机上；加速了大规模、高性能并行处理机MPP等新系统结构的发展。

第五节系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类并行性：（parallelism）：是指在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作，并行性包括同时性与并发性。

同时性：（simultaneity）：是指两或多个事件在同一时刻发生。

并发性：（concurrency）：是指两或多个事件在同一时间间隔内发生。

并行的级别：从执行程序的角度：指令内部、指令之间、任务或进程之间、作业或程序之间；从处理数据的并行性：位串字串、位并字串、位片串字并、全并行；从各个步骤和阶段：存储器操作并行、处理器操作步骤并行、处理器操作并行、指令任务作业并行。

实现并行性的途径：时间重叠（time-interleaving）：在并行性概念中引入时间因素，即多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转来赢得速度。

资源重复（resource-replication）：在并行性概念中引入空间因素，通过重复设置硬件资源，可以大幅度提高并行处理能力。

资源共享（Resource Sharing）：它是用软件方法，让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备，这样既降低了成本，又提高了计算机设备的利用率。

指令流（instruction stream）：机器执行的指令序列。

数据流（data stream）：由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。

多倍性（multiplicity）：在系统最受限制的元件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。

最低耦合系统：指各种脱机处理系统，无物理连接松散耦合系统：即间接耦合系统，通过信道或通信线路实现互联，以低频带在文件或数据集级相互作用紧密耦合系统：即直接耦合系统，通过总线或高速开关互联，以较高信息传输速率实现数据集、任务级、作业级并行计算机系统的分类：Flynn分类法：按照指令流和数据流组合分类：库克分类法：按指令流和执行流组合分类冯泽云分类法：按数据处理并行度分类第二章数据表示、寻址方式与指令系统第一节数据表示数据表示：指的是能由机器硬件直接识别和引用的数据类型。

数据结构：指应用中所要用到的各种数据元素或信息单元之间的结构关系，须通过软件映像，变换成计算机中所具有的数据表示来实现。

高级数据表示包括：自定义数据表示（标志符、数据描述符）向量、数组数据表示堆栈数据表示标志符数据表示的优点为：1.简化了指令系统和程序设计。

2.简化了编译程序。

3.便于实现一致性校验。

4.能由硬件自动完成数据类型的变换。

5.支持数据库系统实现与数据类型无关的要求6.为软件调试和应用软件开发提供了支持带来的问题：1.因增设标志符，会增加程序所占主存空间（若设计合理，可能会减少）2.降低指令的执行速度（单条下降，总体加快）数据描述符与标志符的差别：标志符是和每个数据相连的，合存在一个存储单元中，描述单个数据类型特征；数据描述符则是与数据分开存放，用于描述所要访问的数据类型、地址及其他信息。

堆栈计算机的表现：1.由高速寄存器组成的硬件堆栈，并附加控制电路让它与主存中的堆栈区在逻辑上组成一个整体，使堆栈的访问速度是寄存器的，堆栈的容量是主存的。

2.有丰富的堆栈操作类指令且功能很强，直接可对堆栈中的数据进行各种运算和处理。

3.有力地支持高级语言程序的编译。

4.有力地支持子程序的嵌套和递归调用。

引入数据表示的原则：1.系统的效率有否提高，包括实现时间和存储空间是否显著减少，实现时间看在主存和处理机之间传送的信息量是否减少。

2.相对整体数据其通用性和利用率是否提高。

浮点尾数下溢处理方法：截断法；尾数超出计算机字长的部分截去舍入法；增设一位附加位，处理时将附加位加1恒置1法；最低位恒置1查表舍入法；第二节寻址方式寻址方式：指的是指令按什么方式寻找或访问所需的操作数或信息。

多数计算机都将主存、通用寄存器、堆栈分类编址：面向寄存器寻址：操作数可以取自寄存器或主存，结果大多保存在寄存器中，少量的送入主存。

面向堆栈寻址：主要访问堆栈，少量访问主存或寄存器。

面向主存寻址：主要访问主存，少量访问寄存器。

寻址方式在指令中的指明：1.占用操作码来指明；2.不占用操作码、在地址码部分设置专门的寻址方式字段。

逻辑地址：是程序员编程用的地址。

主存物理地址：是程序在主存中的实际地址。

程序的定位：当程序装入主存时进行逻辑地址空间到物理地址空间的变换程序在主存中的定位技术：1.静态再定位：（变址寻址）装入主存时，由装入程序用软件方法将逻辑地址一次性变换成物理地址，不利于故障定位。

2.动态再定位：（基址寻址）装入主存时，指令不能修改，将主存的起始地址存入寄存器，程序执行时，将逻辑地址加上基址即可形成物理地址，相对寻址指令不需修改。

3.虚实地址映像表：程序空间可以超过实际主存空间，通过虚实地址映射来定位。

第三节指令系统的设计和优化指令系统设计的步骤：1.根据应用初拟出指令的分类和具体的指令2.试编出该指令系统设计的各种高级语言的编译程序3.对各种算法编写大量的测试程序并进行测试，看指令系统的操作码和寻址方式效能是否较高4.将程序中高频出现的指令串复合改成一条强功能新指令，即改变硬件；将频度很低的指令的操作改成用基本指令组成的指令串来完成，即软件实现编译程序设计者对指令系统设计的要求：规整性；对相似的操作做相同的规定对称性独立性和全能性；一种且仅一种实现正交性；互相独立、互不相关可组合性；可扩展性；预留一定冗余码系统结构设计者对指令系统设计的要求：指令码密度适中；高密度可减少程序运行时间，但硬件实现不方便兼容性；指令只能增加，不能删、改适应性；考虑以后硬件工艺的发展指令格式的优化：是指如何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。