计算机系统结构复习要点

计算机系统结构复习要点

计算机系统结构是研究软件、硬件和固件的功能分配，确定软件和硬件的分界面，即哪些功能用硬件实现，哪些功能用软件实现。

计算机组成（Computer Organization）：也称计算机组织，是在明确计算机系统结构分配给硬件的功能与概念性结构之后，研究硬件系统各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器语言级指令的功能与特性。

计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内部数据流和控制流的组成及其逻辑设计等。

计算机实现（Computer Implementation）:是计算机组成的物理实现。

目前，计算机实现所涉及的主要内容包括：

（1）处理机、主存等部件的物理结构

（2）器件的集成度和速度

（3）器件、模块、插件、底板的划分与连接

（4）专用器件的设计、微组装技术

（5）信号传输、电源、冷却及整机装配技术以及有关的制造工艺和技术等

系列机指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列不同型号的计算机。

系列机的概念就是指先设计好一种系统结构，而后就按这种系统结构设计它的系统软件，按器件状况和硬件技术研究这种结构的各种实现方法。并按照速度、价格等不同要求，分别提供不同速度、不同配置的各档机器。系列机必须保证用户看到的机器属性一致。

冯·诺依曼计算机的主要特点如下：

（1）机器以运算器为中心。

（2）采用存储程序原理。

（3）存储器是按地址访问的、线性编址的空间。

（4）控制流由指令流产生。

（5）指令由操作码和地址码组成。

（6）数据以二进制编码表示，采用二进制运算。

冯·诺依曼结构两个最重要特征：

➢指令驱动计算机内部的信息流动

➢计算机应用主要面向数值计算和数据处理

Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类：

➢单指令流单数据流(SISD)

➢单指令流多数据流(SIMD)

➢多指令流单数据流(MISD)

➢多指令流多数据流(MIMD)

四种定量分析技术的概念，及其相关计算：运用Amdahl定量的计算，CPI的计算

大概率事件优先原则：对于大概率事件（最常见的事件），赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。

Amdahl：优化某部件所获得的系统性能的改善程度，取决于该部件被使用的频率，或所占总执行时间的比例。

T 0为改进前的系统的总执行时间；

Fe 表示可改进部分比例；

Se 表示改进部分的加速比。

【例1.2】若将计算机系统中某一部件的处理速度提高8倍，该部件处理时间占整个系统运行时间的60%。试问该部件的处理速度提高后，整个系统的性能提高了多少？

解：根据题意，S e =8，F e =60%，则

CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC

IC ：所执行的指令条数

CPU 时间 = IC ×CPI ×时钟周期时间

数据表示：能由机器硬件直接识别、可以被指令系统直接调用的数据类型。

通常是最常用，相对比较简单的、用硬件实现相对比较容易数据类型。

数据结构：面向系统软件、应用领域所需要处理的各种数据类型。

研究这些数据类型的逻辑结构和物理结构之间的关系，并给出相应的算法。 数据表示和数据结构都是数据类型的子集。

浮点数：

s m ：是尾数的符号位，占用一位；

s e ：是阶码的符号位，占用一位；

e ：是阶码的值，占用q 位；

m ：是尾数的值，占用p 位。

指令格式优化设计标准：

（1） 节省程序的存储空间。

（2） 指令字格式具有规整性，对相似的操作做相同的规定。

（3） 指令格式的对称性。

（4） 指令的高效性。

指令格式：操作码+地址码

指令分类：零地址指令、一地址指令、二地址指令、三地址指令。

操作码的设计方法：固定操作码、Huffman 编码，扩展编码

RISC 计算机的特点：

（1） 大量使用通用寄存器。

（2） 精简指令书目并简化其结构。

（3） 优化的编译系统。

（4） 芯片大量使用硬布线逻辑。

（5） 为了保证指令可以不间断地传送给cpu ，很多采用RISC 技术的系统都设置有高速缓

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存。

存储器是计算机的核心部件，其性能关系到整个计算机系统性能的高低

存储器层次的三个性能：

S ──容量

T A──访问时间

C ──每位价格

虚拟存储器的工作原理：把程序分割成若干较小的段或页，用映像表指明该程序的某段或页是否已装入主存。程序执行时，查映像表将程序虚地址变换成实际主存地址。

针对页式虚拟存储器判断页面的失效情况，并能够计算出虚-实地址的对应关系

页式虚拟存储器的性能分析

提高虚拟存储器性能关键在于主存的命中率H的提高。对于某道程序来说，影响主存命中率H的主要因素包括：

a．程序在执行过程中的页地址流的分布情况；

b．所采用的页面替换算法；

c．页面的大小：当页大小增加到一定值时，命中率反而降低，这是因为页数减少了。d．主存容量：当主存容量增加到一定时，主存容量对命中率H的提高影响不大了。

e：页面调度算法

调度方式：

（1）分页方式：一次装入运行，命中率为100%，但主存的利用率会降低。

（2）请求页式：当需要时才从硬盘装入主RAM。这种方法RAM的利用率高，但命中率不太高。

（3）预取式＋请求页相结合的调度方法。

页式管理：把主存空间和程序空间都机械的等分成固定大小的页，按页顺序编号。

页式管理的优点：

主存储器的空间利用率比较高。

页表比较简单，大大简化了映像表的硬件，节省了页表的存储量

地址映象与地址转换速度比较快。

页式管理缺点：

页表很长，占用很大的存储空间。

程序的模块化性能不好。

程序和数据的保护不方便。

页面替换算法：随机替换算法，先进先出替换算法、近期最少使用算法、最久没用使用算法。Cache存储系统的工作原理及其与虚拟存储器之间的区别

工作原理：

在高速缓冲存储器中把Cache和主存机械的分成大小相同的块(或行)。每一块由若干个字(或字节)组成。

Cache与虚拟存储器之间的区别：

Cache与主存之间以块为单位进行数据交换，Cache中块的大小通常以一个主存存储周期能对主存访问到的数据量为限，一般是几个到几十个主存存储字之间。虚拟存储系统的页的大小在1K到几十K存储字之间。

两级存储器间的速度比不同。Cache存储系统中，Cache的工作速度是主存工作速度的3~10倍。虚拟存储系统中，主存的工作速度是通常磁盘存储器工作速度的105倍。

根据Cache存储系统的映射关系，计算出主存块号对应的Cache块号

CPU与Cache存储器和主存之间有直接通路，若CPU对Cache存储器中的块访问未命中，