北京工业大学 计算机系统结构 复习

计算机系统结构概念点,不含计算方法,仅有部分提示,整理内容仅供参考

计算机系统结构：指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构与功能特性。

透明性：一种本来存在，有差异的事物和属性，从某种角度上看又好像不存在的现象，被称为是“透明性”（例如，高级程序员看不到各种不同类型机器的差异性，就是一个明显的例证。）

计算机系统结构：数据表示；寄存器定义；指令系统；中断系统；存储系统；输入输出结构；机器工作状态；信息保护

计算机组成：数据通路的宽度；专用部件的设置；各功能部件；控制机构的组成方式；缓冲技术；可靠性技术的采用和方式的选择

计算机实现：逻辑设计的物理实现

FLYNN分类法：单指令流单数据流( SISD ),传统顺序处理计算机单指令流、多数据流(SIMD )结构,阵列处理机、并行处理机

多指令流、单数据流( MISD )结构,如RISC机、向量机

多指令流、多数据流( MIMD )结构,多处理机系统

计算机系统的设计原则：1.加速那些使用频率高的部件——提高整个计算机性能; 2.Amdahl定律; 3.程序访问局部性原理

Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种改进的执行方式后，整个系统的性能提高了，其衡量指标为加速比。

Amdahl定律可表示为：加速比Sp = T e / T0

改进后时间T0= Te(1 –可改进部分占比fe + f e

性能提高倍数 r e ⁄)

整理得Sp=1

(1−fe)+fe/re

CPU性能指标:T CPU=I N∗CPI∗T c=指令总数*执行每条指令所需平均周期数*时钟周期

CPI=∑CPI i∗I i

I N MIPS=I N

T e∗106

=时钟频率R c

CPI∗106

MFLOPS=程序中的浮点操作次数I FN

执行时间T e∗106

计算机系统的层次结构(会排序,注意23级)

性能评价结果数据的处理方法:算术性能平均法;几何..;调和..;

软件兼容性要求:继承软件资产，保证软件向后兼容和向上兼容

数据类型:基本数据类型(二进制数位及位串、整数及自然数、实数（浮点数）、逻辑数、十进制数、字符等。二进制数位是信息存储的最基本单位，0和1，长度为8时，构成字节。);结构数据类型(一组由相互有关的数据元素复合而成的数据类型，这些数据元素可以是基本数据类型中的元素，也可以是结构化数据类型本身中的元素如向量、数组、字符串、堆栈、队列等。结构化的数据类型除了可由用户定义外，还有一种是系统数据类型，它们通常是在操作系统中被使用的，如堆栈、队列等。);抽象数据类型;访问指针.

数据表示：指在计算机中能由硬件直接辩认,指令系统可以直接调

用的数据类型。(实质上是一个软硬件取舍的问题)

自定义数据表示：由数据本身来表明数据类型，使计算机内的数据具有自定义能力。分类:带标志符的数据表示,数据描述符优点1.简化了指令系统2.容易检出程序编制中的错误3.简化了编译程序4.支持数据库系统5.简化了程序设计6.便于软件测试，支持应用软件开发缺点1.数据字长增加2.降低了指令的微观执行速度3.与其他计算机的兼容性差，硬件复杂

程序定位方式:直接;静态;动态(优点：在程序执行时由硬件形成主存物理地址，主存利用率高，多个用户可以共享同一个程序段，支持虚拟存储器实现。缺点：需要硬件支持，实现的算法比较复杂。)

RISC设计思想的起源1.20%-80%定律2.系统设计中硬件和软件之间折衷3.VLSI工艺技术发展主要技术:1.流水线结构和指令调度2.寄存器窗口3.优化编译技术

复杂指令集计算机CISC特点:1.指令的控制执行是采用微程序控制

技术，有专用的寄存器。2.控制器十分复杂，占用了大量CPU芯片面积，有些复杂指令用的很少，难以用优化编译生成高效目标代码。

3.处理器的执行效率不高。

4.指令系统与软件之间语义差别越来越大，软件设计任务十分繁重，整个设计风格不是十分经济有效的。

RISC特点1.指令格式简单化、规整化（寄存器-寄存器型）2.基本

是单周期操作（指令功能和执行周期权衡选择）3.分开的存取指令数据，引入多级Cache 4.面向寄存器堆的结构5.充分提高流水线效率（用各种技术减少相关阻塞）6.采用硬逻辑控制方式（少数采用微程序设计）7.采用优化编译技术，很好地支持高级语言

存储系统的三个特性:局部性;一致性(在容量大的存储器中，一定能找到上层存储信息的副本);包含性(副本修改，以保持同一信息的一致性);

计算机存储系统三个基本参数:存储容量S(以字节数表示，单位为B、KB、MB、GB、TB等);存储器速度T(存储器访问周期，与命中率有

关);存储器价格C(表示单位容量的平均价值单位为＄C/bit或

＄C/KB)

存储层次结构

解决频带平衡的三种方法:1.多个存储器并行工作，并用并行访问和交叉访问等方法2.设置各种缓冲存储器3.采用Cache存储系统。引入CACHE的目的:提高CPU对存储器的访问速度特点:容量比较小但速度比主存高很多，接近于CPU的速度。

地址映像是指某一数据在主存中的地址与在缓存中的地址两者之间的关系。

CACHE写操作的更新策略全写法:Cache及主存与内容同时更新CACHE命中率的影响因素:CACHE容量,CACHE块大小,地址映像方式

LRU 最近最少使用法:是依据各块使用的情况，总是选择那个最近最少使用的块被替换。这种方法比较好的反映了程序局部性规律。因为最近最少使用的块，很可能在将来的近期也很少使用，所以LRU 法的命中率比较高。缺点：实现起来比较困难，它不但要记录每块使用次数的多少，而且要反映出近期使用的次数。

Cache 系统的加速比 等效的访问周期为T

Tc:Cache 的访问周期Tm:主存储器的访问周期;Hc:Cache 命中率 存储系统的访问效率：指高一级存储器的访问速度(容量小速度高的

一级)与系统等效的访问速度之比。 存储保护:1.加界保护法：在CPU 中设置了多个界限寄存器，由系统

软件经特权指令指定，禁止越界。(当程序运行过程中，每当访问主存时，首先将访问地址与上下界寄存器进行比较，如果在此区域之内，则允许访问；如果不在此区域之内，即小于上界，大于下界，即说明出现了错误，称为越界错。这种保护方式是对存储区的保护、运用于段式管理.) 2. 键保护方式: 每次访问主存，首先进行键号比较，如果键号相等才允许访问。如同一把钥匙开一把锁。存放键与程序键键号的分配，由操作系统完成 3. 环保护方式：将系统程序和各用户程序按其功能的性质和要求分为几个级别，分别授予不同的权限，m c c c T H T H T )1(-+=)1(1)1(c m

c c m c c c m m p H T T H T H T H T T T S -+=-+==

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