名词解释计算机系统结构
2010年_上半年_系统结构试题(A)及答案
一、名词解释(每题5分,共计30分)1、计算机系统结构:机器语言或编译程序设计者所看到的一个计算机系统的属性,即概念性结构和功能特性,是计算机系统的软、硬件的界面。
2、数据表示:指令系统和硬件系统可以识别的数据类型3 、RISC :精简指令系统计算机RISC (Reduced Instruction Set Computer) 只保留功能简单的指令,功能较复杂的指令用子程序来实现,通过尽可能降低指令集结构的复杂性,来达到简化指令集的实现和提高性能的目的。
4、超流水处理机:在一个时钟周期内分时多次发射指令的流水处理机5、并行多处理机:又叫SIMD 计算机。
它是单一控制部件控制下的多个运算部件构成的计算机系统,所以又称为阵列处理机。
6、互连网络:由许多开关元件按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络,用来实现计算机系统内部多个处理机或多个功能部件之间的相互连接及信息交换。
二、填空题(20分,每空2分,写答案时请给出空格编号)1、实现程序移植的主要途径有(1)、系列机、 (2) 和 (3) 。
2、在一台30MHZ 的处理器上执行一段20万条指令的程序,其中45%的指令时钟周期是1,30%的指令时钟周期数是2,25%的指令时钟周期数是4,则平均CPI 是 (4) ,MIPS 速率是 (5) ,程序执行时间是 (6) 。
3、设16个编号为0~15的处理机通过单级互连网络互连,若互连函数为Cube2,9号处理器与 (7) 号处理器相连, 若互连函数为PM2+2,14号处理器与 (8) 号处理器相连, 若互连函数为Shuffle (混洗),2号处理器与 (9) 号处理器相连, 若互连函数为Butterfly (蝶式),6号处理器与 (10) 号处理器相连。
(1)高级语言 (2)模拟 (3)仿真(4)2.05 (5)14.63 (6)0.013667秒(7)13 (8)2 (9)4 (10)6三、简答题(每题5分,共计20分)1、信息熵H 的定义是什么,信息冗余量R 的定义是什么?在优化编码中,它们分别有什么意义?信息熵H (Entropy ):表示用二进制编码表示n 个码点时,理论上的最短平均码长。
计算机系统结构BTB的名词解释
计算机系统结构BTB的名词解释计算机系统结构是指计算机硬件和软件组成以及它们之间的相互作用关系。
BTB(Branch Target Buffer)是计算机系统中的一个重要组成部分,它在处理器中起着至关重要的作用。
在本文中,将对BTB进行详细的名词解释。
一、BTB的概念与作用BTB,即Branch Target Buffer,是计算机处理器中的一个高速缓存结构,用于存储分支指令的目标地址。
分支指令是计算机程序中的一种特殊指令,用于根据条件跳转到程序的其他部分执行。
分支指令的执行会导致指令流的中断和重定向,因此,为了提高处理器执行效率,需要预测分支指令的目标地址。
这时,BTB就派上了用场。
BTB的主要作用是通过存储预测的目标地址,加速处理器对分支指令的执行。
它能够减少分支指令的处理时间并提高程序的执行效率。
BTB能够预测分支指令的目标地址,并将预测结果与指令流中的指令解码器进行比较,以确定是否正确预测分支的目标地址。
如果预测正确,BTB可以直接提供目标地址,从而避免了处理器来回等待分支指令目标地址的计算。
二、BTB的结构和工作原理BTB的结构一般包含两个主要部分:标签和目标地址。
标签可以简单理解为分支指令的地址,而目标地址则是根据分支指令的地址预测得到的目标地址。
BTB 一般使用关联存储器(Associative Memory)来实现对标签和目标地址的存储和检索。
BTB的工作原理可以分为两个阶段:预测和检索。
首先,当处理器遇到分支指令时,BTB会对分支指令的标签进行预测,尝试预测分支指令的目标地址。
这个预测过程可以使用多种算法和策略,如全相联(Fully Associative)和直接映射(Direct Mapped)等。
预测的结果会被存储在BTB中,以便后续的检索和验证。
接下来,在执行指令时,BTB会检索存储在其中的目标地址,并将其提供给指令流中的指令解码器。
指令解码器会将预测的目标地址与当前的指令地址进行比较,以确定是否预测正确。
操作系统名词解释
虚拟存储器是为“扩大”主存容量而采用的一种设计技巧,就是它只装入部分作业信息来执行,好处在于借助于大容量的辅助存储器实现小主存空间容纳大逻辑地址空间的作业。
53.死锁
若系统中存在一组进程(两个或多个进程),它们中的每一个进程都占用了某种资源而又都在等待其中另一个进程所占用的资源,这种等待永远不能结束,则说系统出现了“死锁”。或说这组进程处于“死锁”状态。
8.程序浮动:在多道程序设计系统中,对程序有一些特殊要求,也就是说,程序可以随机地从主存的一个区域移动到另一个区域,程序被移动后仍丝毫不影响它的执行,这种技术称为"程序浮动"。
9.进程:把一个程序在一个数据集上的一次执行称为一个"进程
10.进程控制块:(Process Control Block,简称PCB),是操作系统为进程分配的用于标志进程,记录各进程执行情况的。进程控制块是进程存在的标志,它记录了进程从创建到消亡动态变化的状况,进程队列实际也是进程控制块的链接。操作系统利用进程控制块对进程进行控制和管理。
中断机制包括硬件的中断装置和操作系统的中断处理服务程序。
58.中断响应 (硬件即中断装置操作)
处理器每执行一条指令后,硬件的中断位置立即检查有无中断事件发生,若有中断事件发生,则暂停现行进程的执行,而让操作系统的中断处理程序占用处理器,这一过程称为“中断响应”。
59.中断屏蔽
26.卷:把存储介质的物理单位定义为“卷”。例如,一盘磁带、一张软盘片、一个硬盘盘组可称为一个卷。
27.块:把存储介质上连续信息所组成的一个区域称为“块”。块是存储设备与主存储器之间进行信息交换的物理单位。每次总是把一块或几块信息读入主存储器,或把主存储器中的信息写到一块或几块中。
计算机系统结构(第三版)张晨曦 课后答案
fi Si
−1
式中,fi 为可加速部件 i 在未优化系统中所占的比例;Si 是部件 i 的加速比。
⎧ f ⎫ f f S = ⎨[1 − ( f1 + f 2 + f 3 )] + 1 + 2 + 3 ⎬ S S S 1 2 3⎭ ⎩
0.3 0.3 f 3 ⎫ ⎧ 10 = ⎨[1 − (0.3 + 0.3 + f 3 )] + + + ⎬ 30 20 30 ⎭ ⎩
课
45000 × 1 + 75000 × 2 + 8000 × 4 + 1500 × 2 = 1.776 129500
答
案 网
计算机体系结构 • 第一章 • 第4页
⎡ f ⎤ Te = To ⎢(1 − f e ) + e ⎥ S e⎦ ⎣
S=
1 (1 − f e ) +
fe Se
S=
i
1 (1 − ∑ f i ) + ∑
对于第三级而言,为了完成 IC 条指令的功能,第三级指令的条数为: 执行第三级
IC 。为了 M2
IC IC 条指令,需要执行 N 条第二级的指令对其进行解释。那么对第二级 2 M M2 IC IC + 2N 2 M M
而言,总的指令条数为:
N⎤ ⎡ = ⎢1 + ⎥ K ⎣ M⎦ N⎤ ⎡ T4 = ⎢1 + ⎥ K ⎣ M⎦
1.5 计算机系统有三个部件可以改进,这三个部件的加速比如下: 部件加速比 1=30; 部件加速比 2=20; 部件加速比 3=10; (1) 如果部件 1 和部件 2 的可改进比例为 30%,那么当部件 3 的可改进比例为多少时, 系统的加速比才可以达到 10? (2) 如果三个部件的可改进比例为 30%、30%和 20%,三个部件同时改进,那么系统 中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少? 解:在多个部件可改进情况下 Amdahl 定理的扩展:
计算机体系结构名词解释
层次机构:按照计算机语言从低级到高级的次序,把计算机系统按功能划分成多级层次结构,每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为:微程序机器级,传统机器语言机器级,汇编语言机器级,高级语言机器级,应用语言机器级等。
虚拟机:用软件实现的机器。
翻译:先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序,然后再在这低一级机器上运行,实现程序的功能。
解释:对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令,都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后,再去高一级机器取下一条语句或指令,再进行解释执行,如此反复,直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构:传统机器程序员所看到的计算机属性,即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中,把这种本来存在的事物或属性,但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成:计算机系统结构的逻辑实现,包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现: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,模块、插件、底板的划分与连接,信号传输,电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比:对系统中某部分进行改进时,改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律:当对一个系统中的某个部件进行改进后,所能获得的整个系统性能的提高,受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理:程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的,而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI:每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件:由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序,用来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机:冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中,机器一旦启动,就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序,自动完成由程序所描述的处理工作。
系列机:由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
计算机系统结构复习总结
计算机系统结构复习总结计算机系统结构复习总结一、计算机系统结构概念1.1 计算机系统结构:程序员所看到的计算机的基本属性,即概念性结构与功能特性。
*注意:对不同层次上的程序员来说,由于使用的程序设计语言不同,可能看到的概念性结构和功能特性会有所不同。
1.2 计算机系统的层次结构现代计算机是一种包括机器硬件、指令系统、系统软件、应用程序和用户接口的集成系统。
现代计算机结构图*注意:计算机结构的层次模型依据计算机语言广义的理解,可将计算机系统看成由多级“虚拟”计算机所组成。
从语言层次上画分可得下图:计算机结构的层次模型1.3计算机系统结构组成与实现计算机系统结构:是计算机系统的软件与硬件直接的界面计算机组成:是指计算机系统结构的逻辑实现计算机实现:是指计算机组成的物理实现*计算机系统结构、组成与实现三者间的关系:计算机系统结构不同会影响到可用的计算机组成技术不同,而不同的计算机组成又会反过来影响到系统结构的设计。
因此,计算机系统结构的设计必须结合应用来考虑,要为软件和算法的实现提供更多更好的硬件支持,同时要考虑可能采用和准备采用哪些计算机组成技术,不能过多或不合理地限制各种计算机组成、实现技术的采用与发展。
计算机组成与计算机实现可以折衷,它主要取决于器件的来源、厂家的技术特长和性能价格比能否优化。
应当在当时的器件技术条件下,使价格不增或只增很少的情况下尽可能提高系统的性能。
1.4 计算机系统结构的分类计算机结构分类方式主要有三种:(1)按“流”分类按“流”分类法是Flynn教授在1966年提出的一种分类方法,它是按照计算机中指令流(Instruction Stream)和数据流(Data Stream)的多倍性进行分类。
指令流是指机器执行的指令序列,数据流是指指令流调用的数据序列。
多倍性是指在计算机中最受限制(瓶颈最严重)的部件上,在同一时间单位中,最多可并行执行的指令条数或处理的数据个数。
*注意:按“流”分类法,即Flynn分类法的逻辑结构类型:①SISD计算机②SIMD计算机③MISD计算机④MIMD计算机(2)按“并行性”和“流水线”分类(3)按计算机系统结构的最大并行度进行分类1.5计算机系统的设计与实现随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势,计算机系统软、硬件间界限已经变得模糊了。
计算机系统结构
硬件:尽量别换平台更换顺序:硬盘光驱软驱内存显卡CPU 主板要换先换前面的软件以硬件为主,不要因为软件更换硬件。
不要频繁重装系统。
计算机系统结构研究内容:从外部来研究计算机系统使用者所看到的物理计算机的抽象软硬件功能分配及分界面的确定学习目的:建立计算机系统的完整概念学习计算机系统的分析方法和设计方法掌握新型计算机系统的基本结构及其工作原理与其他学科的交叉主要包括:计算机组成原理,计算机操作系统,汇编语言,数据结构, 微机原理,高级语言等第一章计算机系统结构的基本概念一,计算机系统的组成由硬件和软件组成.1_ 硬件:可视为多种资源:1)处理信息资源—CPU;2)存储信息资源—存储器;3)交换信息资源—I/O设备.1.1 计算机系统结构的概念二,计算机系统的多级层次结构(逐级或越级向下实现)2 软件:即程序1)系统软件:各用户共同使用,如OS,编译/解释程序,汇编程序,诊断程序等;2)应用软件:为解决用户问题编写的程序.微程序级L0实际机器机器语言级L1实际机器操作系统级L2虚拟机汇编语言级L3虚拟机高级语言级L4虚拟机应用语言级L5虚拟机系统软件软,硬交界面硬件固件执行方式应用程序包翻译(用户)编译/解释程序翻译(程序员)汇编程序翻译(汇编语言程序员)机器语言程序解释(操作员)微指令程序解释(机器语言程序员)(逻辑设计员)1 机器语言级:二进制语言是计算机中必不可少的语言.2 汇编语言级:用符号表示的机器语言.3关于操作系统:①OS是管理计算机系统的系统软件;②OS的若干命令又可视为机器语言指令功能的扩充;③OS虽已发展成用高级语言编写,但其属服务于高级语言,汇编语言等的功能,并最终用机器语言或微指令程序解释执行的.4 虚拟机:以软件为主实现的机器.5 实际机器:由硬件或固件实现的机器.6 固件:将微程序固化在器件上的硬件.三,计算机系统结构定义及其属性一个计算机系统可以看成是由若干机器级组成的,从低层的硬件直到高层的应用程序级,在每一级上都可以定义一个系统结构,而传统的讲,计算机系统结构是指处在软件,硬件之间界面的描述,它反映了计算机系统的外特性._定义一:Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出:计算机系统结构是程序员所看到的计算机系统的属性,包括概念结构和功能特性.是对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义,以及对各级界面上,下进行功能分配,各级都有它自己的系统结构.定义二:计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定计算机系统由软件,硬件和固器组成,它们在功能上是同等的.同一种功能可以用硬件实现,也可以用软件或固件实现.不同的组成只是性能和价格不同.本课程定义计算机系统结构或称计算机体系结构(Computer Architecture)是汇编语言程序员所见到的计算机属性,即软,硬件的交界面(是机器语言,汇编语言或编译程序设计者看到的机器物理系统计算机系统结构,计算机组成,计算机实现之间界限越来越模糊.三个层次:计算机实现——器件选择,机械,封装,印板,机箱,电源,冷却设计计算机组成——逻辑设计计算机系统结构——外特性设计系统结构的研究范围外特性——指令系统,数据表示,寻址方式,寄存器集界面设计——确定硬件功能.新型系统结构设计——并行性,数据流,推理机,神经网性能成本评价——运算速度,存储容量,I/O带宽计算机系统结构的外特性1)指令系统:反映了机器指令的类型和形式,指令间排序和控制机构.2)数据表示:反映了能由硬件直接识别和处理的数据类型和指令.3)操作数的寻址方式:反映了系统能寻址的最小单位(寻址单位),寻址方式和表示.4)寄存器的构成定义:反映了通用寄存器和专用寄存器的数量,定义和使用方式.5)中断系统结构:表示中断的类型,分级和中断响应的硬件功能以及例外条件.6)存储体系和管理:包括主存储器,编址方式,最大可编址空间..7)I/O结构:包括I/O设备的连接方式,处理机,存储器与I/O设备间的数据传递方式和格式,传递的数据量及传递操作结束的表示及出错提示等.8)机器工作状态的定义和切换:如系统态和用户态等.9)信息保护:包括保护方式及有关的硬件支持等.3研究计算机系统结构的目的1)重点是软,硬件的界面:计算机系统设计师的主要任务是合理地研究哪些功能应由硬件予以支持,而哪些功能应由软件来完成.2)目的:提高计算机系统的性能/价格比.四,与计算机组成和计算机实现的联系计算机系统结构,计算机组成,计算机实现是3个不同的概念.它们各自包含不同的内容,但又有紧密的关系.计算机系统结构指的是计算机系统的软,硬件的界面,即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性.___ 计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现,包括五大功能部件组成以及逻辑设计等.它着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式,各部件的功能以及各部件的联系.___ 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,模块,插件,底板的划分与连接,信号传输,电源,冷却及整机装配技术等.它着眼于器件技术和微组装技术,其中器件技术在实现技术中占主导作用.【例1】①机器指令集的确定属于计算机系统结构._______ ②指令的实现,如取指令,取操作数,运算,送结果等具体操作及其排序方式属于计算机组成._______ ③实现指令集中所有指令功能的具体电路,器件的设计,装配技术等属于计算机实现.【例2】①确定是否有乘法指令属于._______ ②乘法指令是用专门的乘法器实现,还是经加法器用重复的相加和右移操作来实现,属于._______ ③乘法器,加法器的物理实现,如器件的选定(器件集成度,类型,数量,价格)及所用微组装技术等,属于计算机系统结构计算机组成计算机实现【例3】①主存容量与编址方式(按位,按字节,按字访问等)的确定属于.________ ②为达到所定性能价格比,主存速度应多快,在逻辑结构上需采用什么措施(如多体交叉存储等)属于._______ ③主存系统的物理实现,如存储器器件的选定,逻辑电路的设计,微组装技术的选定属于.计算机系统结构计算机组成计算机实现可以看出,具有相同计算机系统结构(如指令系统相同)的计算机因为速度要求不同等因素可以采用不同的计算机组成.例如,取指令,译码,取操作数,运算,存结果可以在时间上按顺序方式进行,也可以让它们在时间上按重叠方式进行以提高执行速度.____同样,一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现.例如,主存器件可以采用SRAM 芯片,也可以采用DRAM芯片.可以采用大规模集成电路单个芯片,也可以采用中小规模集成电路进行构建.显然,这取决于性能价格比的要求与器件技术的现状.五,计算机系统结构,组成和实现三者的相互影响1.2 计算机系统结构的发展一,从提高CPU的利用率出发对CPU的基本要求1)要有高速度,节省处理时间;2)要一直处于忙状态,充分发挥高速性;3)要忙在数据的处理上.1 任务单一化1)传统计算机的操作:CPU除完成运算,还要进行入,出管理的操作,由于入,出所用的时间较长,所以浪费CPU时间太多——经常处于等待中.2)改进办法:①减少I/O处理时间:(采用中断方式)对高速外设采用DMA方式.②下放I/O管理权限:I/O处理机,通道.3)对系统结构的影响:在计算机结构中,引入I/O处理机,由它来管理入,出,使CPU专注数据处理.2 操作重迭化1)一条指令的几个过程段①取指令②译码分析③执行2)传统机器的执行方式:存在的问题,未能充分发挥对CPU的利用率.取译码执行取译码执行第i条第i+1条t3)重迭执行:把一条指令解释为取指,译码和执行三个阶段,使之在同一时刻,不同的指令在不同的过程上.重迭执行可以提高指令的吞吐率,图示如下:第i条第i+1条第i+1条取译码执行取译码执行取译码执行t4)实现重迭操作需要的支持①必须有先行部件:指令执行时,需要提前取出后继指令,进行相应处理,这就是先行.具体部件主要包括:先行地址站(包括指令地址,操作数地址),先行数站,先行指令译码分析部件,先行操作码译码.②能解决对存储器的频繁访问,源源不断地取指令,存/取操作数(存放结果).最好采用存储器的多体结构.5)对系统结构的影响除要求存储器为多体结构外,对CPU内部的微观结构具有深刻的影响.3吞吐匹配化1)要求:存储器提供数据的速度要与CPU处理数据的速度匹配.2)存在的问题:存储器的速度往往比CPU的处理速度低1~2个数量级.3)解决的方法:①直接提高主存速度当存储器的速度达到一定数量级别时,进一步提高速度所花代价更高,因而不利于性能/价格比的提高.②在CPU与主存之间加入高速缓存(cache)此法有利于提高存储系统的性能/价格比.③借助于辅助硬件(MC:存储控制器件)使cache与主存构成一个整体.4 程序多道化——用户分时化1)单用户系统存在的问题①CPU的实际利用率往往很低——程序运行时间往往比信息入出时间少很多.②因编程不当而出现死循环时,更浪费CPU时间.2)办法:充分利用入出时间,采用程序多道化,让CPU分时轮流为各用户服务.3)需要解决的问题:①存贮容量不足问题:直接增加主存容量,但不会提高计算机的性/价比;采用虚拟存贮器:把高速辅存伪装成主存使用.②多用户复杂现场的保护与恢复问题:为此引入通信控制器(CC)来解决.综上所述,从提高对CPU的利用率出发,计算机应有如下结构:器件发展对组成技术的影响器件速度与处理机工作主频器件发展对提高处理机主频起决定性作用需要研究新的器件来提高主频器件速度与指令执行时间40多年来,器件速度提高小于104;指令执行加快108.系统结构和组成技术的作用器件速度的提高最慢,已经没有太大潜力二,从单机向多机发展1 问题的提出:当对单机系统采用上述四条途径都不能满足要求时,就要求用多机系统完成.如:遥感通信卫星,每秒发回100万个图象要素,要求计算机每秒处理10亿~100亿次数据处理速度.现在的银河机,事实上是多机完成的达到几十亿次2__ 多机系统的分类1)多处理机系统(SIMD)阵列式多处理机系统(处理机相同,但需严格排列)并行式多处理机系统(处理机相同)分布式多处理机系统(处理机不相同)2)多计算机系统(具有多个指令部件,属MIMD)1.3计算机系统的并行性发展并行计算机系统绝大部分为MIMD系统并行向量机(PVP,Parallel V ector Processor);对称多处理机(SMP,Symmetric Multiprocessor);大规模并行处理机(MPP,Massively Parallel Processor);机群(Cluster);分布式共享存储多处理机(DSM,Distributied Shared Memory)■并行计算机系统绝大部分为MIMD系统,包括:HPC:处于什么样的阶段机群高性能计算系统已经成熟,步入量产阶段国内曙光,联想,浪潮,还有大量小公司高性能计算应用的快速扩展阶段从去年开始,机群销量猛增,应用在科学计算和信息服务等所有领域高性能计算教育相对滞后,人才相对稀缺阶段北大,清华,科大等有限几所高校设置相应专业课程并行计算基本概念并行处理定义并行算法的定义与分类数据相关性与可并行化并行计算模型●并行处理用是指同时对多个任务或多条指令,或同时对多个数据项进行处理.●完成此项处理的计算机系统称为并行处理计算机系统.并行处理定义同时性(simultaneity)——两个或多个事件在同一时刻发生.并发性(concurrency)——两个或多个事件在同一时间间隔内发生.流水特性(pipelining)——在一个重叠的时间内所发生的流水事件.为什么要开发并行处理技术对单用户,可以提高加速比(Speedup Oriented);对多用户,可以提高吞吐率(Throughput Oriented).例1.天气预报1990年10次台风登陆,福建,浙江两省损失79亿元,死亡950余人.天气预报模式为非线性偏微分方程,预报台风暴雨过程,计算量为1014—1016次浮点运算,需要10GFlops—100GFlops的巨型机.用途:局部灾害性天气预报.例2.石油工业地震勘探资料处理油藏数值模拟测井资料处理地震勘探由数据采集,数据处理和资料解释三阶段组成.目前采用的三维地震勘探比较精确的反映地下情况,但数据量大,处理周期长.100平方公里的三维勘探面积,道距25米,60次覆盖,6秒长记录,2毫秒采样,一共采集2.88 1010个数据,约为116GB.叠加后数据为4.8 108个数据.用二维叠前深度偏移方法精确的产生地下深度图像,需要进行25 1012FLOP,采用100MFLOPs机器计算250天,1GFLOPs机计算25天,10GFLOPs机器35分.考虑到机器持续速度常常是峰值速度的10-30%,所以需要100GFlops的机器.Cray T932/32约为60GFLOPs.例3.航空航天研究三维翼型对飞机性能的影响.数值模拟用时间相关法解Navier-Stoker方程,网格分点为120 40 50,需内存160MB,6亿计算机上解12小时,如果在数分钟内完成设计,则需要千亿次计算机.例4.重大挑战性课题需求计算空气动力学:千亿次/秒(1011)图像处理: 百亿次/秒(1010)AI: 万亿次/秒(1012)例5.核武器核爆炸数值模拟,推断出不同结构与不同条件下核装置的能量释放效应.压力: 几百万大气压温度: 几千万摄氏度能量在秒级内释放出来.设计一个核武器型号,从模型规律,调整各种参数到优选,需计算成百上千次核试验.Los Alamos实验室要求计算一个模型的上限为8-10小时.千万次机上算椭球程序的计算模型需要40-60CPU小时.二维计算,每方向上网格点数取100,二维计算是一维的200倍,三维是一维的33000倍.若每维设1000网格点,则三维计算是一维的几十万倍之多.此时对主存储器容量要数十,数百亿字单元(64位).另外还有I/O能力的要求,可视化图形输出.解决方案只有开发并行处理技术才能满足要求:3T performance:Teraflops of Computing PowerTerabyte of Main MemoryTerabyte/s of I/O bandwidth并行算法的定义与分类算法是解题的精确描述,是一组有穷的规则,它规定了解决某一特定类型问题的一系列运算.并行计算时可同时求解的诸进程的集合,这些进程相互作用和协调动作,并最终获得问题的求解并行算法的定义与分类并行算法就是对并行计算过程的精确描述并行算法可以从不同的角度分类为数值计算并行算法和非数值计算并行算法同步并行算法和异步并行算法共享存储并行算法和分布存储并行算法问题规模问题规模有可分为输入输出规模,计算规模,内存需求,通信(同步)规模,分别表示问题求解所需要的I/O量,计算量,内存大小和通信量(包括通信次数与通信数据量). 问题规模根据消耗资源程度,又相应分为CPU密集应用,memory密集应用,disk密集应用和网络密集应用.不同类型的问题,性能瓶颈也往往不同.并行算法就是要又针对性的消除相应的瓶颈,从而达到缩短计算时间的目的.数据相关P1: A=B+CP2: D=A×B其中,变量A是导致P1和P2发生数据相关的原因.为了保证程序执行的语义正确性,变量A必须是先在P1中写入后方可从P2中读出,即必须先写后读.显然,P1和P2不能并行执行.数据反相关P1: A=B×CP2: C=E+DP1通过变量C数据相关于P2.为保证语义正确性,必须等P1将变量C读出后,P2方可向变量C进行写入操作,即必须先读后写.也不可并行化数据输出相关P1: A=B+CP2: A=D×E为保证语义正确性,必须保证P1先写入A,然后允许P2再写入A.除了上述3种相关外,还存在一种特殊情况,即两个程序段的输入变量互为输出变量."数据交换",此时,两者必须并行执行,方可保证语义的正确性.这就要求硬件机构能保证两者进行同步读写.但若两个处理机各带有局部存储器,则可降低同步要求.P1: A=BP2: B=A并行计算模型计算模型是对计算机的抽象计算模型为设计,分析和评价算法提供基础冯.偌依曼机就是一个理想的串行计算模型但现在还没有一个通用的并行计算模型PRAM模型LogP模型PRAM模型PRAM(Parallel Random Access Machine)模型,即并行随机存取模型,是一种抽象的并行计算模型.假设存在着一个容量无限大的共享存储器;每台处理器有简单的算术运算和逻辑判断功能;在任何时刻各处理器均可以通过共享存储单元交换数据.PRAM模型SIMD-PRAM计算模型控制单元P1LMP2LMPnLM互连网络全局共享存储器PRAM模型MIMD-PRAM计算模型控制器1P1LMP2LMPnLM互连网络全局共享存储器控制器2控制器nLogP 模型充分说明了互连网络的性能特点,而未涉及网络的结构.模型主要由4个参数描述.L(Latency) 源处理机与目的处理机进行消息(一个或几个字)通信所需要的等待或延迟时间的上限.o(overhead) 处理机准备发送或准备接受每个消息的时间开销(包括操作系统核心开销和网络软件开销),在这段时间里处理机不能执行其他操作.LogP 模型g(gap) 一台处理机连续两次发送或连续两次接受消息时的最小时间间隔,其倒数即为处理机的通信带宽.P(Processor) 处理机的个数.其它并行处理计算机技术1.数据流技术data flow以数据驱动机制代替控制流机制当功能部件输入端的操作数可用时就启动执行;可开发程序中所有的并行性,但费用昂贵,实际性能与功能部件数量,存储器带宽以及挂起和可用部件相匹配的程度有关.2.多线程每台处理机有多个控制线程,同时运行多个现场,是实现时延隐藏的一种有效机制.成本高.3.逻辑推理与规约结构逻辑推理:日本第五代机,面向逻辑语言,执行速度慢,软件与程序设计环境欠丰富.规约结构:Alice,PGR,面向函数语言,执行速度慢,软件与环境欠丰富.多处理机1,多处理机的定义两个或两个以上处理机(包括PU和CU),通过高速互连网络连接起来,在统一的操作系统管理下,实现指令以上级(任务级,作业级)并行.多处理机2,多处理机的一般模型__流水线机器通过若干级流水的时间并行技术来获得高性能.阵列处理机器由多台处理机组成,每台处理机执行相同的程序.这两类机器都是执行单个程序,可对向量或数组进行运算.这种系统结构能高效地执行适合于SIMD的程序,所以这类机器对某些应用问题非常有效.若干台独立的计算机组成,每台计算机能够独立执行自己的程序.Flynn称这种结构为MIMD(多指令流多数据流)结构.在多处理机系统中,处理机与处理机之间通过互连网络进行连接,从而实现程序之间的数据交换和同步.处理机之间的连接频带比较低,一般通过输入输出接口连接.例如,IBM公司的机器,都可以通过通道到通道的连接器CTC(Channel To Channel)把两个不同计算机系统的IOP连接起来.可以通过并行口或串行口把多台计算机连接起来.例如,用串行口加一个MODEL拨号上网,也可以直接连接;多台计算机之间的连接需要有多个接口.Ethernet通过网络接口连接多台计算机.速度达10Mb,100Mb,1Gb.Mynet已经达到1.28Gb和2.56Gb.松散耦合多处理机…CPUCPU1CPUn-1LMLM1IOPIOP1互连网络LMn-1IOPn-1处理机之间共享主存储器,通过高速总线或高速开关连接. 紧密耦合多处理机…M…CPUCPU1CPUn-1MAPMAPIOPIOP1CPU-MM-IOP互连网络MAPIOPd-1MMMM1MMm-1主存储器有多个独立的存储模块.每个CPU能够访问任意一个存储器模块,需要通过映象部件MAP把全局逻辑地址变换成局部物理地址.通过互连网络寻找合适的路径,并分解访问存储器的冲突.多个输入输出处理机IOP也连接载互连网络上,输入输出设备与CPU共享主存储器. MIMD计算机,它和SIMD计算机的阵列处理机相比,有很大的差别.它们的本质差别在于并行性级别的不同: MIMD多处理机要实现任务或作业一级的并行,而SIMD阵列处理机只实现指令一级的并行.多处理机的特点1.4 计算机系统的设计技术一, 软硬件取舍1,软件与硬件实现的特点硬件实现:速度快,成本高;灵活性差,占用内存少软件实现:速度低,复制费用低;灵活性好,占用内存多理论上,有两种极端实现方法:全硬件机器,包括操作系统,高级语言,应用程序等硬件只有1位加法和分支操作,其他都用软件实现关键问题:性能与价格的关系,软硬件实现在功能上等效硬件实现的比例越来越高软件所占的成本越来越高二,从价格因素考虑的软硬件取舍另外,还要从处理机速度和国家需要等方面来考虑.结论1:经常使用的基本功能适宜用硬件实现结论2:生产台数很多时适宜用硬件实现三,从改进性能考虑的软硬件取舍1,系统设计的定量原理1).加快经常性事件的速度这是广泛采用的设计原则,使经常性事件的处理速度加快能明显提高整个系统的性能.2).Amdahl定理系统中某一部件采用某种更快的执行方式后整个系统的性能与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关.没有改进措施前执行任务时间改进措施后执行任务时间加速比=可改进部分占用时间改进前任务的执行时间Fe:总小于1改进前改进部分的执行时间改进后改进部分的执行时间.Se:总大于1(1-Fe)表示不可改进部分.改进后整个任务的执行时间Tn为:FeSeTn=T0(1- Fe+)T0是改进前的整个任务执行时间·改进后整个系统的加速比Sn为:1((1-Fe)+Sn=T0Tn=FeSe))例假设将某个系统的某个部件的处理速度加快10倍,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%,则采用加快措施后使整个系统的性能提高多少解: 由题意可知:Fe=0.4,Se=10,根据Amdahl定律,Sn=1/(0.6+0.4/10)=1/0.64≈1.563).访问的局部性原理实验表明:一个程序用90%的执行时间去执行10%的程序代码.4).CPU的性能CPU时间=(IC*CPI)/频率上式表明,CPU的性能取决于三个要素:①时钟频率;②每条指令所花的时钟周期数;③指令条数IC.时钟频率取决于硬件技术和组织;CPI取决于系统结构组织和指令集;指令数目取决于系统结构的指令集和编译技术.每条指令的平均时钟周期数CPI:CPI=CPU时钟周期数目/IC5),改进性能的主要途径面向目标代码改进:用一条指令代替一串指令方法:统计某条指令,某类指令或某个指令串的使用频度(动态和静态)增加数据传送指令的功能:增加运算型指令的功能:如函数运算指令等面向高级语言和编译程序改进:方法:统计语句使用频度例如:一般程序中赋值语句占30%以上,为此,许多处理机中设置了寄存器与寄存器,寄存器与存储器,存储器与存储器之间的成组传送指令,存储器到存储器之间的运算指令.方法:(1)增强对高级语言和编译程序支持的指令的功能(2)研制高级语言计算机面向操作系统改进:方法:系统结构设计要规整,消除例外情况寄存器定义要统一,操作要均匀,所有存储部件要对称四,计算机系统的设计方法1 从上到下的设计(层次结构中的上下).1)依据:用户的要求(包括性能及功能).方法1:由上向下(Top-Down)设计过程:由上向下面向应用的数学模型面向应用的高级语言。
简述计算机系统结构
简述计算机系统结构
计算机系统结构指的是计算机硬件和软件之间的组织和交互方式,由以下几个部分组成:
1. 中央处理器(CPU):负责执行指令并控制系统的操作,通常包括运算单元、控制单元和寄存器等。
2. 存储器:用于存储和访问数据和指令,主要包括主存储器(RAM)和辅助存储器(硬盘、固态硬盘等)。
3. 输入/输出(I/O)系统:负责与外部设备的通信,包括输入设备(键盘、鼠标等)和输出设备(显示器、打印机等)。
4. 系统总线:用于连接和传输数据和指令的通道,包括数据总线、地址总线和控制总线。
5. 操作系统:管理和控制计算机硬件和软件的程序,包括资源分配、进程管理、文件系统管理等功能。
6. 应用程序:利用计算机系统进行各种任务和操作的软件。
7. 用户界面:允许用户通过输入和输出设备与计算机交互的接口,包括命令行界面和图形用户界面等。
8. 硬件系统:计算机的物理组件,包括主机、显示器、键盘、鼠标等。
计算机系统结构的设计目标是提供高效、可靠、灵活、易于使用的计算环境,使得计算机能够高效地处理各种任务和操作,并为用户提供良好的交互体验。
不同的应用领域和需求常常会有不同的计算机系统结构设计。
计算机系统结构的定义
计算机系统结构的定义计算机系统结构是指计算机硬件和软件结构的组织方式和设计原则。
它定义了计算机系统中各个组成部分的功能、接口、相互关系和交互方式,并决定了它们之间的数据流和控制流。
计算机系统结构包括计算机的层次结构、存储器和输入输出系统、处理器和指令集体系结构、总线和互连网络等部分。
计算机系统结构的设计目标是提高计算机系统的性能、可靠性、可扩展性和可维护性。
计算机系统结构的定义还包括以下方面:1. 组成部分和功能:计算机系统结构定义了计算机系统中的各个组成部分,例如处理器、存储器、输入输出设备等,并规定了它们各自的功能和作用。
2. 接口和相互关系:计算机系统结构定义了各个组成部分之间的接口和相互关系。
它规定了数据和控制在这些组成部分之间的传输方式和流程,确保它们能够协同工作。
3. 交互方式:计算机系统结构定义了用户与计算机系统之间的交互方式。
它规定了用户如何与计算机系统进行通信、发送命令、接收结果等操作。
4. 数据流和控制流:计算机系统结构定义了数据和控制的流动方式。
它决定了数据在计算机系统中如何流动、存储和处理,以及控制信号如何传递和处理。
5. 设计原则:计算机系统结构还涉及到设计原则,即根据特定的目标和需求,采用合适的设计原则来定义和组织计算机系统的结构。
例如,分层设计原则、模块化设计原则等。
总之,计算机系统结构的定义涵盖了计算机系统的各个方面,包括组成部分、功能、接口、相互关系、交互方式、数据流、控制流和设计原则等,旨在建立一个高效、可靠、可扩展和易维护的计算机系统。
确定和定义计算机系统结构需要考虑以下几个关键因素:1. 性能:计算机系统结构的设计应该能够提供高性能的计算和数据处理能力。
这包括确定合适的处理器和存储器设计、优化数据通信和传输速率、并行计算和并发操作等。
2. 可靠性:计算机系统结构应该具备高可靠性,以保障系统的稳定运行和数据的安全性。
这包括冗余设计、错误检测和纠正机制、数据备份和恢复等措施。
计算机体系结构名词解释大全
名词解释:(1)静态流水线——同一时间内,流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。
(2)分段开采——当向量的长度大于向量寄存器的长度时,必须把长向量分成长度固定的段,然后循环分段处理,每一次循环只处理一个向量段。
(3)计算机体系结构——程序员所看到的计算机的属性,即概念性结构与功能特性(4)时间重叠——在并行性中引入时间因素,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,以加快硬件周转而赢得速度。
(5)TLB——个专用高速存储器,用于存放近期经常使用的页表项,其内容是页表部分内容的一个副本(6)结构冲突——指某种指令组合因为资源冲突而不能正常执行(7)程序的局部性原理——程序在执行时所访问的地址不是随机的,而是相对簇聚;这种簇聚包括指令和数据两部分。
(8)2:1Cache经验规则——大小为N的直接映象Cache的失效率约等于大小为N /2的两路组相联Cache的实效率。
(9)组相联映象——主存中的每一块可以放置到Cache中唯一的一组中任何一个地方(10)数据相关——当指令在流水线中重叠执行时,流水线有可能改变指令读/写操作的顺序,使得读/写操作顺序不同于它们非流水实现时的顺序,将导致数据相关。
(1)动态流水线——同一时间内,当某些段正在实现某种运算时,另一些段却在实现另一种运算。
(2)透明性——指在计算机技术中,把本来存在的事物或属性,但从某种角度看又好像不存在的特性。
(3)层次结构——计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构,每一层以不同的语言为特征。
(4)资源共享——是一种软件方法,它使多个任务按一定的时间顺序轮流使用同一套硬件设备。
(5)快表——个专用高速存储器,用于存放近期经常使用的页表项,其内容是页表部分内容的一个副本。
(6)控制相关——指由分支指令引起的相关,它需要根据分支指令的执行结果来确定后续指令是否执行。
(7)存储层次——采用不同的技术实现的存储器,处在离CPU不同距离的层次上,目标是达到离CPU最近的存储器的速度,最远的存储器的容量。
简述计算机系统的结构组成
简述计算机系统的结构组成计算机系统是由多种硬件和软件组成的复杂系统,能够执行各种计算任务。
它包括计算机硬件、操作系统、应用软件以及用户等多个方面。
下面将从计算机硬件、操作系统、应用软件和用户四个方面来详细介绍计算机系统的结构组成。
一、计算机硬件计算机硬件是计算机系统的物理部分,主要包括中央处理器(CPU)、内存、存储器、输入设备、输出设备和通信设备等。
1.中央处理器(CPU)中央处理器是计算机的核心部件,负责执行计算机程序中的指令以及进行数据处理。
它包括运算单元、控制单元和寄存器等组成。
运算单元负责进行各种算术运算和逻辑运算,控制单元负责控制指令的执行顺序,寄存器用于临时存放数据和指令。
2.内存内存是计算机系统中用于存储数据和指令的部件,也是中央处理器能够快速访问数据的地方。
它分为主存储器和辅助存储器两种。
主存储器包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM),用于存储程序和数据;辅助存储器包括硬盘、光盘、闪存等,用于长期存储和备份数据。
3.存储器存储器是指计算机系统中用于存储数据的硬件设备,包括随机存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
随机存储器用于临时存放数据和程序,具有读写功能;只读存储器则用于存放固化的程序和数据,只能读取而不能写入。
4.输入设备输入设备用于将外部信息传输给计算机系统,包括键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等。
键盘用于输入文字和命令,鼠标用于控制光标和选择操作,扫描仪和摄像头用于将实物转化为数字格式。
5.输出设备输出设备用于将计算机系统处理结果显示或输出,包括显示器、打印机、投影仪、耳机等。
显示器用于显示文字、图像和视频等,打印机用于将计算结果打印出来,投影仪用于将计算结果投影到屏幕上,耳机用于音频输出。
6.通信设备通信设备用于计算机之间或计算机与外部设备之间的数据传输,包括网卡、调制解调器、路由器等。
网卡用于计算机和局域网之间的数据传输,调制解调器用于计算机和广域网之间的数据传输,路由器用于数据包的转发和路由选择。
计算机体系结构
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是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和功能特性。
Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。
所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。
计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性,即外特性。
可以包含数据表示,寄存器定义、数量、使用方式,指令系统,中断系统,存存储系统,IO系统等。
计算机组成是计算机结构的逻辑实现。
可以包含数据通路宽度,专用部件设置,缓冲技术,优化处理等。
计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。
包括处理机,主存部件的物理结构,器件的集成度,速度的选择,模块、硬件、插件底板的划分和连接。
从使用语言的角度,可以把计算机系统按功能从高到低分为7级:0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。
3~6级为虚拟机,其语言功能均由软件实现。
硬件功能分配的基本原则:(1)功能要求。
首先是应用领域对应的功能要求,其次是对软件兼容性的要求;(2)性能要求。
如运算速度,存储容量,可靠性,可维护性和人机交互能力等;(3)成本要求。
体系结构设计的方法有三种:由上而下-从考虑如何满足应用要求开始设计;由下而上-基于硬件技术所具有的条件;由中间开始的方法。
体系设计的步骤:需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。
计算机体系结构的分类:(1)弗林FLYNN分类法:按指令流和数据流将计算机分为4类:①单指令流、单数据流-Single Instruction Stream Single Data Stream,SISD。
计算机,即传统的单处理机,通常用的计算机多为此类,如脉动阵列计算机systolic array;②单指令流、多数据流-Multiple,SIMD。
典型代表是并行处理机。
其并行性在于指令一级。
如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等;③MISD计算机;④MIMD计算机。
计算机系统结构名词解释简答
一.名词解释1.计算机体系结构:程序员所看到的计算机的属性,即概念性结构与功能特性。
2.系列机:在一个厂家内生产的具有相同的体系结构,但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
3.透明性现象:在计算机技术中,一种本来存在的事物或属性,但从某种角度看似乎不存在,称之为透明性现象。
因而计算机层次结构各个级上都有它的系统结构。
4.流水线技术:把一个重复的过程分解为若干个子过程,每个子过程由专门的功能部门实现。
将多个处理过程在时间上错开,一次通过各功能段,这样,每个子过程就可以与其它子过程并行进行。
5.指令调度:通过改变指令在程序中的位置,将相关指令之间的距离加大到不小于指令执行延迟,将相关指令转化为无关指令。
指令调度是循环展开的技术基础。
6.请求字优先:调块时,从请求字所在的位置读起。
这样,第一个读出的字便是请求字。
将之立即发送给CPU。
二.简答题1.降低Cache失效率答:强制性失效:增加块大小,预取(本身很少)容量失效:增加容量(抖动现象)冲突失效:提高相联度(理想情况:全相联)2.减少失效开销5.4.1 让读失效优先于写1. Cache中的写缓冲器导致对存储器访问的复杂化2. 解决问题的方法(读失效的处理)◆推迟对读失效的处理(缺点:读失效的开销增加,如50%)◆检查写缓冲器中的内容3. 在写回法Cache中,也可采用写缓冲器5.4.2 子块放置技术1. 为减少标识的位数,可采用增加块大小的方法,但这会增加失效开销,故应采用子块放置技术。
2. 子块放置技术:把Cache块进一步划分为更小的块(子块),并给每个子块赋予一位有效位,用于指明该子块中的数据是否有效。
Cache与下一级存储器之间以子块为单位传送数据。
但标识仍以块为单位。
5.4.3 请求字处理技术1. 请求字从下一级存储器调入Cache的块中,只有一个字是立即需要的。
这个字称为请求字。
2. 应尽早把请求字发送给CPU◆尽早重启动:调块时,从块的起始位置开始读起。
计算机体系结构第一章名词解释
第一章名词解释、简答、计算题答案一、计算机体系结构的基木概念(14个)1.1引论1.2计算机体系结构的概念1、如何理解计算机系统中的层次概念?答:从计算机语言的角度,把计算机系统按功能划分成多级层次结构。
对计算机系统的认识需要在某一个层次上,从不同角度(层次)所看到的计算机属性是不同的。
计算机系统按功能通常从高到低可分成以下几个层次:应用语言虚拟机、高级语言虚拟机、汇编语言级虚拟机、操作系统虚拟机、传统机器级、微程序机器级共六级。
在以上划分中,传统机器级以上的所有机器都称为是虚拟机。
这种划份方法有助于各级语言的实质及实现,分层后,处在某一级虚拟机的程序员只需要知道这一级的语言及虚拟机,至于这一级语言是如何再逐层地经翻译或解释到下面的实际机器级,就无须知道了。
2、划分多级层次结构的作用是什么?答:把计算机系统按功能划分成多级层次结构:首先有利于正确地理解计算机系统的工作,明确软件、硬件和固件在计算机系统中的地位相作用。
其次有利于理解各种语言的实质及其实现。
最后还有利于探索虚拟机新的实现方法,设计新的计算机系统。
3、语言实现的两种技术是什么,有何优缺点?答:翻译和解释是语言实现的两种技术。
它们都是以执行一串N级指令来实现N+1级指令。
翻译技术是先把N+1级程序全部变换成N级程序后,再去执行新产生的N级程序,在执行过程中N+1级程序不再被访问。
解释技术是每当一条N+1级指令被译码后,就直接去执行一串等效的N级指令,然后再去取下一条N+1级的指令,依此重复进行。
在这个过程中不产生翻译出来的程序,因此,解释过程是边变换、边执行的过程一般来说,解释执行比翻译花的时间多,但存储空间占用较少。
4、什么是透明性?如何理解体系结构的概念?答:透明性是指本来存在的事物或属性,从某种角度看,似乎不存在。
计算机体系结构的定义是Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出的:程序员所看到的计算机的属性,即概念性结构与功能特性。
计算机系统结构密训
计算机系统结构密训计算机系统结构是指计算机硬件和软件组件之间的关系和交互方式。
它涉及到计算机内部各个组成部分的功能、连接方式、层次结构等方面。
计算机系统结构主要包括以下几个方面:1.中央处理器(CPU):CPU是计算机的核心部件,负责执行指令和处理数据。
它包括算术逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)和寄存器等部分。
ALU用于执行算术和逻辑运算,CU负责控制指令的执行过程,寄存器用于暂存数据和指令。
2.存储器:存储器用于存储计算机的数据和指令。
主要包括内存(RAM)和外存(硬盘、光盘等)。
内存是计算机中实时存取数据和指令的地方,而外存用于长期存储数据和指令。
3.输入输出设备:输入输出设备用于与计算机进行交互。
常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等,输出设备有屏幕、打印机、音箱等。
输入设备将外界的信息输入到计算机中,输出设备将计算机处理后的数据和结果展示给用户。
4.总线:总线是连接计算机各个组件的通信线路。
它分为数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线负责传输数据,地址总线用于传输存储器地址,控制总线用于传输控制信号。
5.指令集架构:指令集架构是计算机硬件与软件之间的接口规范。
它决定了计算机能够执行的指令和支持的数据类型。
常见的指令集架构有精简指令集(RISC)和复杂指令集(CISC)。
6.并行计算:并行计算是指多个处理器同时执行任务,以提高计算机系统的性能。
它可以通过并行算法和并行硬件来实现。
常见的并行计算模式有并行计算、向量计算和并发计算。
7.系统层次结构:系统层次结构描述了计算机系统的层次组织关系。
常见的系统层次结构有冯·诺依曼结构和哈佛结构。
冯·诺依曼结构将数据和指令存储在同一存储器中,哈佛结构则将其分开存储。
计算机系统结构是计算机科学中的重要概念,对于我们理解计算机工作原理、进行系统设计和优化都起着重要的作用。
通过合理设计计算机系统结构,可以提高计算机系统的性能、可靠性和可扩展性。
计算机系统结构名词解释汇总八
计算机系统结构名词解释汇总八1.计算机体系结构:计算机体系结构包括指令集结构、计算机组成和计算机实现三个方面的内容。
2.透明性:在计算机技术中,对这种本来是存在的事物或属性,但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性(transparency)。
3.程序访问的局部性原理:程序总是倾向于访问最近刚访问过的信息,或和当前所访问的信息相近的信息,程序对信息的这一访问特性就称之为程序访问的局部性原理。
4. RISC精简指令集计算机。
5. CP 指令时钟数(Cycles per Instructiorj)。
6.Amdahl 定律——加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比,受限于该部件在系统中的所占的重要性。
7.系列机:在一个厂家内生产的具有相同的指令集结构,但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
8.软件兼容:同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器,而且它们所获得的结果一样,差别只在于有不同的运行时间。
9.基准程序:选择一组各个方面有代表性的测试程序,组成的一个通用测试程序集合,用以测试计算机系统的性能10.合成测试程序:首先对大量的应用程序中的操作进行统计,得到各种操作的比例,再按照这个比例人为制造出的测试程序。
11. Benchmarks:测试程序包,选择一组各个方面有代表性的测试程序,组成的一个通用测试程序集合。
12.核心程序:从真实程序提取出来的用于评价计算机性能的小的关键部分。
13.通用寄存器型机器:指令集结构中存储操作数的存储单元为通用寄存器的机器,称之为通用寄存器型机器14.Load/Store 型指令集结构:在指令集结构中,除了Load/Store 指令访问存储器之外,其它所有指令的操作均是在寄存器之间进行,这种指令集结构称之为Load/Store 型指令集结构。
15.虚拟机器:(virtual machine),由软件实现的机器16.操作系统虚拟机:直接管理传统机器中软硬件资源的机器抽象,提供了传统机器所没有的某些基本操作和数据结构,如文件系统、虚拟存储系统、多道程序系统和多线程管理等。
计算机体系结构复习,考点
1.计算机系统结构的定义:计算机系统结构概念的实质是确定计算机系统中软、硬件的界面,界面之上是软件实现的功能,界面之下是硬件和固件实现的功能。
2.计算机组成额计算机实现的二者关系:计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现,包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
它着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的关系。
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,模块、插件、底板的划分与连接,信号传输,电源、冷却及整机装配技术等。
它着眼于器件技术和微组装技术,其中器件技术在实现技术中起主导作用。
3.系列机的软件兼容方式4种:向上兼容、向下兼容、向前兼容、向后兼容。
向上(下)兼容指的是按某档计算机编制的程序,不加修改就能运行于比他高(低)档的计算机。
向后(前)兼容指的按某个时期投入市场的某种型号计算机编制的程序,不加修改就能运行于在它之后(前)投入市场的计算机。
向后兼容一定要保证,他是系列机的根本特征。
兼容机:它是指由不同制造商生产的具有相同系统结构的计算机。
4.计算机系统设计的4个常用定量原理:①以经常性事件为重点:这是计算机设计中最重要、使用最广泛的设计原则。
②Amdahl定律:加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比,受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。
Amdahl定律可用来计算当对计算机系统中的某个部分进行改进后,系统总体性能可获得多大的提高。
这是通过加速比这个指标来衡量的。
= =,这个加速比依赖于两个因素:在改进前的系统中,可改进部分的执行时间在总执行时间中的比例:可改进部分改进以后性能提高的倍数。
③CPU性能公式:CPU 时间=执行程序所需的时钟周期数X时钟周期时间,引入新参数CPI(每条指令执行的平均时钟周期数)CPI = 执行程序所需的时钟周期数/IC IC:所执行的指令条数。
程序执行的CPU 时间可以写成CPU时间= IC ×CPI ×时钟周期时间。
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名词解释计算机系统结构
名词解释计算机系统结构
计算机系统是由多个不同层次的硬件与软件组成的复杂系统,在计算机系统中系统结构则是其中最为重要的一个方面。
本文将从五个不同方面来对计算机系统结构进行解释。
一、计算机系统结构的概念
计算机系统结构是指计算机硬件组成与指令集架构的综合,是计算机整体结构的描述和安排布局,描述了计算机硬件和系统软件之间的关系,包括计算机的各个硬件模块之间的互连方式,体现了计算机硬件的层次结构。
二、计算机系统结构的层次结构
计算机系统结构可根据功能和层次分为五层:计算机客户层、操作系统层、编译器与解释器层、核心服务与系统程序层、计算机硬件层。
三、计算机系统结构的硬件构成
计算机系统的硬件构成主要包括:输入输出设备、存储器、中央处理器、总线、控制器等。
其中,中央处理器(CPU)是计算机系统关键的硬件部件,它集成了算术逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)、寄存器等模块。
四、计算机系统结构的指令集分类
指令集打破了不同计算机之间的语言障碍,为计算机添加新指令的同时也为计算机的应用程序提供了更多的选择,指令集的分类主要有以下几种:复杂指令集(CISC)、精简指令集(RISC)、超标量指令集(VLIW)、显式并行指令集(EPIC)等。
五、计算机系统结构的发展趋势
计算机的不断发展带来了计算机系统结构的变革,目前计算机系统结构的发展主要在以下几个方向:并行考虑(多核)、强化数据cache技术、多线程技术、仿真和虚拟化技术、服务器集成、存储系统优化和功能性加强等。
总结:计算机系统结构是硬件和软件之间的紧密结合,它使得不同的硬件可以协同工作,不同软件可以相互兼容。
理解计算机系统结构对于计算机专业人员来说非常重要,只有通过深入的研究与学习,才能在未来的事业道路中有更优秀的表现。