计算机系统结构(必过版)

4、 虚拟存储器的工作原理、地址空间、种类 原理：把主存储器、磁盘存储器和虚拟存储器都划分成固定大小的页，主存储器的页称 为实页，虚拟存储器中的页称为虚页，把虚拟地址空间映射到主存地址空间 三种地址空间：虚拟地址空间、主存储器地址空间、辅存地址空间 三种虚拟存储器：页式虚拟存储器、段式虚拟存储器、段页式虚拟存储器 5、 段式虚拟存储器与页式虚拟存储器的优缺点 地址映象方法：每个程序段都从 0 地址开始编址，长度可长可短，可以在程序执行过程
对于写回法： 大多数操作只需要写 Cache，不需要写主存； 当发生块失效时，可能要写一个块到主存； 即使是读操作，也可能要写一个块到主存。 对于写直达法： 每次写操作，必须写、且只写一个字到主存。 实际上： 写直达法的写次数很多、每次只写一个字； 写回法是的写次数很少、每次要写一个块。 (3) 控制的复杂性, 写直达法比写回法简单。 对于写回法： 要为每块设置一个修改位，而且要对修改位进行管理； 为了保证 Cache 的正确性，通常要采用比较复杂的校验方式或校正方式。 对于写直达法： 不需要设置修改位； 只需要采用简单的奇偶校验即可。由于 Cache 始终是主存的副本，Cache 一 旦有错误可以从主存得到纠正。 (4) 硬件实现的代价, 写回法要比写直达法好。 对于写直达法： 为了缩短写 Cache 流水段的时间，通常要设置一个小容量的高速寄存器堆 （后行写数缓冲站） ， 每个存储单元要有数据、 地址和控制状态等 3 部分组成。 每次写主存时，首先把写主存的数据和地址写到高速寄存器堆中。 每次读主存时，要首先判断所读数据是否在这个高速寄存器堆中。 写回法不需要设置高速缓冲寄存器堆。 13、预取算法有如下几种： (1) 按需取。当出现 Cache 不命中时，才把需要的一个块取到 Cache 中。 (2) 恒预取。无论 Cache 是否命中，都把下一块取到 Cache 中。 (3) 不命中预取。当出现 Cache 不命中，把本块和下一块都取到 Cache 中。 14、解决 Cache 与主存不一致的主要方法： (1) 共享 Cache 法。能根本解决 Cache 不一致，共享 Cache 可能成为访问的瓶颈，硬件 复杂 (2) 作废法。当某一处理机写局部 Cache 时，同时作废其他处理机的局部 Cache。 (3) 播写法。把写 Cache 的内容和地址放到公共总线上，各局部 Cache 随时监听公共总 线 (4) 目录表法。在目录表中存放 Cache 一致性的全部信息。 (5) 禁止共享信息放在局部 Cache 中。Cache 对系统程序员不透明。
页式虚拟存储器的优点是： 1. 主存储器的利用率比较高。 2. 页表相对比较简单。 3. 地址映象和变换的速度比较快。 4. 对辅存（磁盘存储器）的管理比较容易。 页式虚拟存储器的缺点主要有两个： 1. 程序的模块化性能不好。 2. 页表很长，需要占用很大的存储空间。 6、造成虚拟存储器速度降低的主要原因： (1) 要访问主存储器必须先查段表或页表， (2) 可能需要多级页表。 改进办法：目录表、快慢表、散列函数 7、影响主存命中率的主要因素： (1) 程序在执行过程中的页地址流分布情况。 (2) 所采用的页面替换算法。 (3) 页面大小。 (4) 主存储器的容量 (5) 所采用的页面调度算法 8、 Cache 地址变换规则 全相联映象、直接映象、组相联映象、位选择组相联映象、段相联映象方式 9、Cache 替换算法：轮换法、LRU 算法、比较对法、堆栈法 10、造成 Cache 与主存的不一致的原因： (1) 由于 CPU 写 Cache，没有立即写主存 (2) 由于 IO 处理机或 IO 设备写主存 11、 Cache 的更新算法 (1) 写直达法，写通过法，不按写分配法（在写 Cache 不命中时，只把所要写的字写入 主存） CPU 的数据写入 Cache 时，同时也写入主存 (2) 写回法，抵触修改法，按写分配法（在写 Cache 不命中时，还把一个块从主存读入 Cache） CPU 的数据只写入 Cache，不写入主存，仅当替换时，才把修改过的 Cache 块写回主存 12、写回法与写直达法的优缺点比较： (1) 可靠性，写直达法优于写回法。 写直达法能够始终保证 Cache 是主存的副本。如果 Cache 发生错误，可以从主 存得到纠正。 (2) 与主存的通信量，写回法少于写直达法。
9、通道的工作过程 通道完成一次数据输入输出的过程分为三步： 在用户程序中使用访管指令进入管理程序 由 CPU 通过管理程序组织一个通道程序并启动通道。 通道处理机执行通道程序，完成指定的数据输入输出工作。 通道程序结束后再次调用管理程序进行处理。 每完成一次输入输出工作，CPU 只需要两次调用管理程序。 出现数据遗失的情况采用的方法 方法一：增加通道的最大工作流量。 方法二：动态改变设备的优先级。 方法三：增加缓冲存储器。 10、通道种类 字节多路通道（为多台低中速的外围设备服务、有多个子通道，每个子通道连接一个控 制器） 选择通道（为高速外围设备服务，只有一个以成组方式工作的子通道）
两种方法的差别有： (1)两者使用的概念不同。 前者使用中断屏蔽， 后者使用中断优先级。 (2)需要屏蔽码的位数不同。 前者所需要的屏蔽位数比较多， n：log 2 n (3)可屏蔽的中断源数量和种类不同。 前者可以任意屏蔽掉一个或几个中断源， 后者只能屏蔽掉比某一个优先级低的中断源。 7、处理机与外部设备的连接方式 (1) 直接连接 (2) 通道处理机 (3) 输入输出处理机 8、通道的主要功能： 接受 CPU 发来的指令，选择一台指定的外围设备与通道相连接。 执行 CPU 为通道组织的通道程序。 管理外围设备的有关地址。 管理主存缓冲区的地址。 控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数。 指定传送工作结束时要进行的操作。 检查外围设备的工作状态，是正常或故障。 在数据传输过程中完成必要的格式变换。
第四章 1、输入输出系统的特点：实时性、与设备无关性、异步性 2、输入输出系统的组织方式： 针对实时性，采用层次结构的方法，设备控制器——设备接口——（IOP，通道）
针对与设备无关性，采用分类处理的方法，面向字符和面向数据块 针对异步性，采用自治控制的方法， 3、基本的输入输出方式及其优缺点 程序控制输入输出方式 优点： 灵活性很好。可以很容易地改变各台外围设备的优先级。 缺点： 不能实现处理机与外围设备之间并行工作。 中断输入输出方式 优点： (1) CPU 与外围设备能够并行工作。 (2) 能够处理例外事件。 缺点： (3) 数据的输入和输出都要经过 CPU。 (4) 用于连接低速外围设备。 直接存储器访问方式 优点： (1) 外围设备的访问请求直接发往主存储器，数据的传送过程不需要 CPU 的干预。 (2) 全部用硬件实现，不需要做保存现场和恢复现场等工作。 缺点： (3) DMA 控制器复杂，需要设置数据寄存器、设备状态控制寄存器、主存地址寄存器、 设备地址寄存器和数据交换个数计数器及控制逻辑等。 (4) 在 DMA 方式开始和结束时，需要处理机进行管理。 4、 DMA 方式 (1) 周期窃取方式： 优点是硬件结构简单，比较容易实现。 缺点是在数据输入或输出过程种实际上占用了 CPU 的时间。 (2) 直接存取方式： 整个工作流程全部用硬件完成。 优点与缺点正好与周期窃取方式相反。 (3) 数据块传送方式 5、安排中断优先顺序主要由下列因素来决定： 中断源的急迫性。 设备的工作速度。 数据恢复的难易程度。 要求处理机提供的服务量。 6、中断处理过程 现行指令结束，且没有更紧急的服务请求
中动态改变程序段的长度。 地址变换方法：由用户号找到基址寄存器，读出段表起始地址，与虚地址中段号相加得 到段表地址，把段表中的起始地址与段内偏移 D 相加就能得到主存实地址。
多用户虚地 用户号 U 址
0段号 SFra bibliotek段内偏移 D

As
主存实地址
6 N-1
As

段表长 段表基地 度 址 段表基址寄存器
段式虚拟存储器的优点如下： 1. 程序的模块性能好。 2. 便于程序和数据的共享。 3. 程序的动态链接和调试比较容易。 4. 便于实现信息保护。 段式虚拟存储器的缺点： 1. 地址变换所花费的时间比较长。
表 3.4 Cache 与虚拟存储器的主要区别
存储系统 要达到的目标 实现方法 两级存储器速度比 页（块）大小 等效存储容量 透明性 不命中时处理方式
Cache 提高（主存）速度 全部硬件 3～10 倍 16 字 主存储器 对系统和应用程序员 等待主存储器
虚拟存储器 扩大（主存）容量 软件为主，硬件为辅 105 倍 1KB～16KB 虚拟存储器 仅对应用程序员 任务切换
关 CPU 中断 保存断点，主要保存 PC 中的内容 撤消中断源的中断请求 保存硬件现场，主要是 PSW 及 SP 等 识别中断源 改变设备的屏蔽状态 进入中断服务程序入口 保存软件现场，在中断服务程序中使用的通用寄存器等 开 CPU 中断，可以响应更高级别的中断请求 中断服务，执行中断服务程序 关 CPU 中断 恢复软件现场 恢复屏蔽状态 恢复硬件现场 开 CPU 中断 返回到中断点 7、中断响应时间：从中断源向处理机发出中断服务请求开始，到处理机开始执行这个中断 源的中断服务程序时为止，这一段时间称为中断响应时间。 影响中断响应时间的因素主要有 4 个： (前 2 个属于处理机设计，后 2 个属于中断系统) (1) 最长指令执行时间 (2) 处理其它更紧急的任务所用时间 (3) 从第一次关 CPU 中断到第一次开 CPU 中断所经历的时间 (4) 通过软件找到中断服务程序入口所用时间 8、中断源的识别方法 查询法 主要优点：灵活性好。 主要缺点：速度慢。 串行排队链法（软件排队链法、硬件排队链法、中断向量法） 优点： 识别中断源的速度比较快，特别是中断向量法。 实现比较简单，中断源与处理机的连线很少 缺点： 灵活性比较差，中断优先级是由硬件固定。 可靠性比较差，由于排队链串行分布在各个中断源中。 独立请求法 6、中断屏蔽的实现方法主要有两种： 方法一：每级中断源设置一个中断屏蔽位。 方法二：改变处理机优先级
0 1 2 3 1 4 5 段名 起始地址 装入 段长 访问方式 位 一个用户（一道作业）的段表
2. 主存储器的利用率往往比较低。 3. 对辅存（磁盘存储器）的管理比较难。
用户号 U
多用户虚地址 Av
虚页号 P
页内偏移 D
主存实地 址
Pa
实页号 p
页内偏移 d
Pa

1
p
页表基址
装入 修改 主存页号 各种标志 页 表 页式虚拟存储器的地址变换
数组多路通道（字节多路通道和选择通道的结合。每次为一台高速设备传送一个数据 块，并轮流为多台外围设备服务） 与选择通道相比，数组多路通道的数据传输率和通道的硬件利用都很高，控制硬件的复 杂度也高。 通道处理机存在的问题： (1) 每完成一次输入输出操作要两次中断 CPU 的现行程序。 (2) 通道处理机不能处理自身及输入输出设备的故障。 (3) 数据格式转换、码制转换、数据块检验等工作要 CPU 完成。 (4) 文件管理、设备管理等工作，通道处理机本身无能为力。 11、输入输出处理机除了能够完成通道处理机的全部功能之外，还具有如下功能： (1) 码制转换。 (2) 数据校验和校正。 (3) 故障处理。 (4) 文件管理。 (5) 诊断和显示系统状态。 (6) 处理人机对话。 (7) 连接网络或远程终端。 12、输入输出处理机根据是否共享主存储器分为： (1) 共享主存储器的输入输出处理机。 (2) 不共享主存储器的输入输出处理机。 根据运算部件和指令控制部件是否共享分为： (1) 合用同一个运算部件和指令控制部件。 造价低，控制复杂。 (2) 独立运算部件和指令控制部件。 独立运算部件和指令控制部件已经成为主流。
第三章 1、存储系统： 两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结 合的方法连接起来成为一个存储系统。 存储系统的性能指标：速度、容量、价格 2、提高存储系统速度的两条途径： 一是提高命中率 H， 二是两个存储器的速度不要相差太大 3、 并行访问存储器的实现 把地址码分成两个部分，一部分作为存储器的地址，另一部分负责选择数据 主要缺点：访问冲突大 (1)取指令冲突 (2)读操作数冲突 (3)写数据冲突 (4)读写冲突 4、虚拟存储器与 Cache 存储器的区别