计算机系统结构复习笔记.docx

第一章 概论本章重点：计算机系统的层次结构、计算机系统结构的定义、计算机系统的设计思路、系统结构并行性开发的方法和计算机系统的分类。本章难点：透明性分析。复习建议：本章在历年考试中，为必考的章节，但一般考察基本概念和基本知识;从题型来讲主要为单项选择题和填空题。建议学员在复习时注意基本概念的理解和掌握。第一节 计算机系统的多级层次结构一、计算机系统的层次(1)从使用语言的角度，计算机系统可以被看成是按功能划分的多层机器级所组成的层次结构。层次结构由高到低依次为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级和微程序机器级，如图所示。(2)对各级机器级的理解对每一级编程的程序员来说，只要熟悉和遵守该级语言的使用规定，所编写的程序就能在此机器上运行并得到结果，而不用考虑该机器级是如何实现的。机器：能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体。(3)各级机器的实现技术各级机器的实现主要采用翻译或解释技术来实现，或者两者结合。多级机器构成的层次结构推动了计算机系统结构的发展。第二节 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现一、计算机系统结构的定义 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。在多级的层级结构中，每层每级都有自己的系统结构。不同机器级的程序员所看到的计算机属性是不同的，这就是计算机系统不同层次的体现。系统结构就是要研究对于某级，哪些属性应透明，哪些不应透明。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)，它指的是层次结构中传统机器级的系统结构，其界面之上的功能包括操作系统级、汇编语言级、高级语言级和应用语言级中所有软件的功能。 界面之下的功能包括所有硬件和固件的功能。计算机系统结构是软件和硬件的交界面。就目前的通用机来说，计算机系统结构的属性应包括： l 硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等的数据表示;l 最小可寻址单位、寻址种类、地址计算等的寻址方式;l 通用/专用寄存器的设置、数量、字长、使用约定等的寄存器组织;l 二进制或汇编级指令的操作类型、格式、排序方式、控制机构等的指令系统;l 主存的最小编址单位、编址方式、容量、最大可编址空间等的存贮系统组织;l 中断的分类与分级、中断处理程序功能及入口地址等的中断机构;l 系统机器级的管态和用户态的定义和切换;l 输入输出设备的连接、使用方式、流量、操作结束、出错指示等的机器级I/O结构;l 系统各部分的信息保护方式和保护机构;【例题】下列对应用程序员不透明的是( )(2012年单选题)A.标志符数据表示中的标志符B.输入输出系统硬件的功能C.虚拟地址到主存实地址的变换D.“执行”指令【答案】B【解析】对应用程序员来说只需要知道输入输出系统硬件的功能，就能进行应用系统的开发，而标志符、虚地址与实地址如何变换、“执行”指令均属于底层机器级所要确定的问题，对其是透明的。所以B选项正确。二、计算机组成的定义 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。它着眼于机器级内各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能及各部件间的联系。计算机组成设计要解决的问题是在所希望达到的性能和价格下，怎样最佳、最合理地把各种设备和部件组织成计算机，以实现所确定的系统结构。【例题】主存的逻辑结构属于( ) (2012年单选题)A.计算机实现 B.计算机组成C.计算机系统结构 D.计算机应用【答案】B【解析】根据计算机系统结构的属性，主存的容量、编址方式、容量等属于计算机系统结构，为达到性能价格要求，主存速度为多少或者逻辑结构是否采用多体交叉属于计算机组成。所以B选项正确。三、计算机实现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。四、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，可以有不同的组成;(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。第三节 计算机系统的软、硬件取舍及定量设计原理一、软、硬取舍的基本原则软、硬件的功能分配时计算机系统结构的主要任务，而软件和硬件在逻辑功能上又是等效的，只是它们在性能、价格、实现的难易程度上是不同的。原则1：在现有硬、器件的条件下，系统要有高的性能价格比。原则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。原则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。(1)一般来说，提高硬件功能的比例可提高解题速度，减少程序所需的存储空间，但会增加硬件成本，降低硬件利用率和计算机系统的灵活性及适应性。(2)提高软件功能的比例可降低硬件成本，提高系统的灵活性、适应性，但解题速度会下降，软件设计费用和所需的存储量将增加。二、计算机系统的定量设计原理(1)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。(2)Amdahl定律Amdahl定律定义了一台计算机系统采用某种改进措施所取得的加速比。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。也就是说，提高系统的整体性能应是各部分性能均能平衡地得到提高，不能只是其中某个功能部件性能的提高。(3)程序访问的局部性定律时间上的局限性是指现在正使用的信息可能不久还要使用，因为程序存在着循环;空间上的局限性是指最近的将来要用的信息很可能与现在正在使用的信息在程序位置上是邻近的，因为指令通常是顺序存放、顺序执行的。三、计算机系统设计的主要任务和方法(1)计算机系统设计的主要任务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。(2)计算机系统的设计方法 “自上而下”的设计：先考虑如何满足应用要求。“自下而上”的设计：不考虑应用要求，只根据目前能用的器件来设计上层的机器级。“从中间向两边”的设计：这是目前通用机一般采用的方法。它可以克服“自上而下”和“自下而上”两种设计方法中，软、硬件设计分离和脱节的致命缺点。第四节 软件、应用、器件的发展对系统结构的影响一、软件发展对系统结构的影响由于目前已积累了大量成熟的软件，加上软件生产率又很低，软件的排错比编写难，所以除非特殊情况，程序设计者一般不愿意在短时间里按新的系统结构、新的指令系统去重新设计软件。为此，在系统结构设计时，提出应在新的系统结构上解决好软件的可移植性问题。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主要有统一高级语言、采用系列机、模拟和仿真。【例题】实现软件移植的基本技术有_、采用系列机、_。 (2012年填空题)【答案】统一高级语言;模拟和仿真【解析】书本的原文P38-41。二、应用的发展对系统结构的影响计算机工业在处理性能和价格的关系上大致是两种趋势：维持价格，提高性能;维持性能，降低价格。从系统结构的观点看，各型计算机性能随时间的推移，其实就是在低档(型)机上引用甚至照搬高档(型)机的结构和组成。三、器件的发展对系统结构的影响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。器件的发展加速了大规模、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一、并行性的概念与开发(1)并行性的含义 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。实际上，并行性包括同时性与并发性。同时性：(simultaneity)是指两个或多个事件在同一时刻发生。并发性：(concurrency)是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生的并行性。(2)并行的级别从计算机系统中执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可以分为四级。它们分别是：指令内部、指令之间、任务或进程之间、作业或程序之间;从计算机系统中处理数据的并行性来看，并行性等级从低到高可以分为：位串字串、位并字串、位片串字并、全并行;并行性是贯穿于计算机信息加工的各个步骤和阶段的，从这个角度来看，并行性等级又可分为：存贮器操作并行、处理器操作步骤并行、处理器操作并行、指令任务作业并行。(3)并行的途径 实现并行性的途径有时间重叠、资源重复和资源共享等。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，以加快硬件周转而赢得速度。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)：它是指多个任务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。时间重叠是实现并行性中的并发性。资源重复是实现并行性中的同时性。【例题】提高计算机系统并行性的主要技术途径有_、_和资源共享。(2012年填空题)【答案】时间重叠;资源重复【解析】教材的原文P48。二、计算机系统的分类(1)Flynn分类法 从并行性的角度对计算机系统分类的方法有多种，其中经典的分类方法是M.J.Flynn教授于1966年美国的提出的。先给出如下定义：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。按照指令流和数据流两种不同的组合，把计算机系统的结构分为以下四类：单指令流单数据流SISD(Single Instruction Stream Single Datastream)单指令流多数据流SIMD(Single Instruction Stream Multiple Datastream)多指令流单数据流MISD(Multiple Instruction Stream Single Datastream)多指令流多数据流MIMD(Multiple Instruction Stream Multiple Datastream)【例题】按弗林(Flynn)提出的计算机系统分类方法，并行处理机属于_系统。(2012年填空题)【答案】SIMD【解析】并行处理机又叫SIMD计算机。它是单一控制部件控制下的多个处理单元构成的阵列，所以又称为阵列处理机。第二章 数据表示、寻址方式与指令系统本章重点：浮点数尾数基值的选择和下溢处理，自定义数据表示，再定位技术，操作码优化，指令字格式化，RISC思想及基本技术。本章难点：浮点数尾数基值选择，指令字格式的优化设计。第一节 数据表示一、数据表示与数据结构(1)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。例如，当机器设置有定点加、减、乘、除、移位、比较等一系列定点运算指令和相应的运算硬件，可以直接对定点数进行各种处理时，机器就有了定点数据表示。当机器设置有逻辑加、 逻辑乘、按位相加、逻辑移位等一系列逻辑运算指令和相应的逻辑运算硬件，可以直接对逻辑数进行各种处理，机器就有了逻辑数据表示。若机器设置有浮点运算指令(如浮点加、减、乘、除、 比较、存、取等)和相应的运算硬件，可以直接对浮点数进行各种处理，机器就有了浮点数据表示(2)串、队、栈、向量、阵列、链表、树、图等是软件系统所要处理的各种数据结构，它们反映了面向应用所要用到的各种数据元素或信息单元之间的结构关系。因此，数据结构和数据表示是软、硬件的交界面。系统结构设计者在确定软、硬件的功能分配时，应考虑在机器中设置哪些数据表示，以便对应用中所遇到的数据结构能有高的实现效率。当然， 这是以花费适当的硬件为代价的。所以，数据表示的确定实质上是软、硬件的取舍问题。机器的运算类指令和运算器结构主要是按机器有什么样的数据表示来确定的。二、高级数据表示1、自定义数据表示自定义(Self-defining)数据表示包括标志符数据表示和数据描述符两类。高级语言用类型说明语句指明数据的类型，让数据类型直接与数据本身联系在一起，运算符不反映数据类型，是通用的。例如FORTRAN程序中，实数(浮点数) I和J的相加是采用如下的语句组指明的：REAL I, JI=I+J在说明I、J的数据为实型后，用通用的“+”运算符就可实现实数加法。可是，传统的机器语言程序却正好相反，它用操作码指明操作数的类型。如浮点加法指令标志符数据表示的主要优点为：简化了指令系统和程序设计。 简化了编译程序。便于实现一致性校验。 能由硬件自动完成数据类型的变换。(2)数据描述符为进一步减少标志符所占的存贮空间，对于向量、数组、记录等数据，由于每个元素具有相同的属性，为此发展出数据描述符。图 2.2 数据描述符【例题】自定义数据表示包括_和_两类。(2012年填空题)【答案】标志符、数据描述符【解析】教材原文P55-56。2、向量、数组数据表示(1)含义：有序排列的数据元素称为向量(向量数据)(2)向量数据的三要素：基地址：存放第一个向量数据的地址;向量长度：向量数据个数;位移量：与基地址的距离。2. 浮点数尾数的下溢处理方法 为了减少运算中的精度损失，关键是要处理好运算中尾数超出字长的部分。四种常用的下溢处理方法：(1)截断法。(2)舍入法。(3)恒置“1”法。(4)查表舍入法。图 2-6 rm=2, m=2 时，各种下溢处理方法的误差曲线【例题】四种浮点数尾数下溢处理方法中，实现最简单的方法是() (2012单项选择题)A.截断法 B.舍入法C.恒置“1”法 D.查表舍入法【答案】A【解析】根据教材P68面，截断法实现最简单，不增加硬件，不需要处理时间，故A选项正确。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。1、寻址方式的三种面向大多数计算机都将主存、通用寄存器、堆栈分类编址，因此就有分别面向寄存器、堆栈和主存的寻址方式。l 面向寄存器的寻址方式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。l 面向堆栈的寻址方式主要访问堆栈，少量访问主存或寄存器。l 面向主存的寻址方式主要访问主存，少量访问寄存器。【例题】寻址方式指的是指令按什么方式寻找(或访问)到所需的操作数或信息的，具有分别面向_、_和堆栈的寻址方式。(2012填空题)【答案】寄存器、主存【解析】根据教材P69面的原文。2、寻址方式在指令中的指明两种：占用操作码来指明;不占用操作码、在地址码部分设置专门的寻址方式字段。3、程序在主存中的定位技术 逻辑地址是程序员编程时使用的地址。主存物理地址是程序在主存中的实际地址。【例题】程序员编写程序时使用的地址是()A.主存物理地址 B.有效地址C.逻辑地址 D.基址【答案】C【解析】根据教材P70的原文。当程序装入主存时，就需要进行逻辑地址空间到物理地址空间的变换，即进行程序的定位。目前使用的定位技术有三种：(1)静态再定位：装入主存时，将逻辑地址变换并修改成物理地址。(2)动态再定位：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。(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。4、物理主存中信息的存储分布通常一台计算机同时存放具有不同宽度的多种信息，如果允许它们任意存储，就会出现一个信息跨主存字边界存储的情况。为了使任何时候都只用一个存储周期访问到，信息在存储器中应按整数边界存储。信息按整数边界存储对于保证访问速度是必要的，但它会造成存储空间的浪费。图 2-8 各种宽度信息的存储【例题】信息在存储器中按整数边界存储的目的是提高_，但是它会造成存储空间的浪费。(2012填空题)【答案】访问速度【解析】根据教材P73面的原文。第三节 指令系统的设计和优化1、指令系统的设计原则指令系统是程序设计者看计算机的主要属性，是软、硬件的主要界面，它在很大程度上决定了计算机具有的基本功能。设计基本原则：(1)是否有利于满足系统的基本功能;(2)是否有利于优化计算机的性能价格比;(3)是否有利于指令系统今后的发展和改进;2、指令操作码的优化 指令是操作码和地址码两部分组成的。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。(1)哈夫曼编码：在操作码的优化上，要用到哈夫曼压缩概念。其基本思想是，对发生概率最高的事件采用最短的位数(时间)来表示(处理)，而对出现概率较低的事件允许用较长的位数(时间)来表示(处理)，使得表示平均位数(时间)缩短。(2)扩展操作码编码是界于定长二进制编码和完全的哈夫曼编码之间的一种编码形式，操作码不是定长的，但只有有限几种码长，仍利用短码表示高概率的信息，长码表示低概率的信息。但必须遵守短码不能是长码的前缀的原则。【例题】课本例题P75【例2-5】3、指令字格式的优化只有操作码的优化，没有在地址码和寻址方式上采取措施，程序总位数还是难以减少的。指令字格式优化的措施如下：(1)采用扩展操作码，根据指令的使用频率选择合适的编码方式，缩短平均码长;(2)采用多种寻址方式，以缩短地址码的长度;(3)采用0、1、2、3等多地址制，以增强指令的功能，从宏观上缩短程序的长度;(4)在维持指令字在存储器中按整数边界存储的前提下，使用多种不同的指令字长度。第四节 指令系统的发展和改进1、两种途径和方向(CISC和RISC)一种是如何进一步增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令来取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化。按此方向设计的计算机称为CISC。另一种是如何通过减少指令种数和简化指令功能来降低硬件设计的复杂度，提高指令的执行速度，按此方向设计的计算机称为RISC。2、按CISC方向发展和改进指令系统从三个方面来改进：面向目标程序的优化、面向高级语言的优化、面向操作系统的优化。3、按RISC方向发展和改进指令系统(1)CISC的问题：指令系统庞大;操作繁杂、执行速度很低;高级语言编译程序选择目标指令的效率降低;各指令的使用频度都不会太高。(2)RISC的基本原则：确定指令系统时，只选择使用频度很高的那些指令，在此基础上增加少量能有效支持操作系统和高级语言实现及其他功能的最有用的指令，让指令的条数大大减少，一般不超过 100 条。大大减少指令系统可采用的寻址方式的种类，一般不超过两种。简化指令的格式，使之也限制在两种之内，并让全部指令都具有相同的长度。让所有指令都在一个机器周期内完成。扩大通用寄存器的个数，一般不少于 32 个寄存器， 以尽可能减少访存操作，所有指令中只有存(STORE)、取(LOAD)指令才可访存，其他指令的操作一律都在寄存器间进行。为提高指令执行速度，大多数指令都采用硬联控制实现， 少数指令采用微程序实现。通过精简指令和优化设计编译程序，以简单有效的方式来支持高级语言的实现。(3)RISC的基本技术(4)RISC的技术特点表2-2 代表性的RISC处理机的特征【例题】RISC采用重叠寄存器窗口技术，可以减少( )A.绝大多数指令的执行时间 B.目标程序的指令条数C.程序调用引起的访存次数 D.CPU访存的访问周期【答案】C【解析】在CPU中设置大量工作寄存器并采用重叠寄存器窗口，可以减少访存，尽量让指令的操作在寄存器之间进行，以提高执行速度，缩短指令周期，所以答案应该为C。第三章 存储、中断、总线与I/O系统本章重点：中断响应次序和中断处理次序的实现，总线控制方式，通道流量计算。本章难点：绘制中断处理过程的示意图，通道的流量设计，绘制通道响应和处理各设备请求的时空图。第一节 存储系统的基本要求和并行主存系统一、存储系统的基本要求对存储系统的基本要求是大容量、高速度和低价格。(1)存储器的容量SM = Wlm ，其中，W为存储体的字长，l为存储体的字数，m为并行工作的存储体数。(2)速度可以用访问时间TA、存储周期TM和带宽BM描述;对于单体的存储器 BM = W/TM，m个存储体的最大带宽BM = Wm /TM(3)可用总价格C和每位价格c来表示， c = C/SM;注：单一工艺的存储器无法同时满足容量、速度和价格的要求。为了弥补CPU与存储器在速度上的差异，一条途径是在组成上引入并行和重叠技术，构成并行主存系统，但单靠这一种方式效果是有限。二、并行主存系统一个字长为W位的单体主存，一次可访问一个存储器字，要提高主存带宽Bm，在同样的器件条件下，设法提高存储器的字长W。“第二节 中断系统CPU中止正在执行的程序，转去处理随机提出的请求，待处理完后，再回到原先被打断的程序继续恢复执行的过程称为中断。中断分为内部中断、外部中断和软件中断三类。一、中断的分类和分级引起中断的各种事件称为中断源。中断源向中断系统发出请求中断的申请，称为中断请求。所谓中断响应就是允许其中断CPU现行程序的运行，转去对该请求进行预处理，包括保存好断点现场，调出有关处理该中断的中断处理程序，准备运行。1、中断的分类 对中、 大型多用途机器， 中断源一般可多达数十至数百个。 如果为每个中断源单独形成入口，不仅硬件难以实现， 代价也很大，就是在中断处理上也没有这种必要。因为不少中断源的性质比较接近，可以将它们分别归成几类。对每一类给定一个中断处理程序入口，再由软件转入对相应的中断源进行处理， 这样可以大大简化中断处理程序入口形成硬件。以IBM 370为例，它把中断分成机器校验(1级)、管理程序调用(2级)、程序性(2级)、外部、输入/输出和重新启动6 类。【例题】除数为0引起的中断属于()A.程序性中断 B.外部中断C.机器校验中断 D.输入/输出中断【答案】A【解析】程序除以0为软中断或程序中断，非CPU内的异常或外部的中断信号引起，所以答案应该为A。【例题】以IBM370系统为例，中断一般可以分成机器校验中断、管理程序调用中断、程序性中断、输入输出中断、_、_几类。【答案】外部中断、重新启动中断【解析】教材P103原文。2、中断分级当同时发生多个中断请求时，同一类的中断请求由其软件或通道来管理，而不同类的中断就要根据中断的性质、紧迫性、重要性以及软件处理的方便性把它们分成不同的级别。优先级从高到低为第0级，第1级，第2级，二、中断的响应次序与处理次序 (1)基本规则：一般在处理某级的某个中断请求时，是不能被与它同级的或比它低一级的中断请求所中断的。只有比它高一级的中断请求才能中断其处理，等响应和处理完后再继续处理原先的那个中断请求。三、中断系统的软、硬件功能分配中断系统的功能包括中断请求的保存和清除、优先级的确定、中断断点及现场的保存、对中断请求的分析和处理以及中断返回等，这些全是由中断响应硬件和中断处理程序共同完成的。因此，中断系统的软、硬件功能分配实质上就是中断处理程序软件和中断响应硬件的功能分配。【例题】中断系统的软、硬件功能分配实质是_程序软件和_硬件的功能分配。【答案】中断处理、中断响应【解析】教材P107原文。第三节 总线系统一、总线的分类1、总线的定义：用于互连计算机、CPU、存储器、I/O接口及外围设备间的信息传送通路。2、总线的分类 (1)就允许信息传送的方向来说，总线可以有单向传输和双向传输两种。 双向传输又有半双向和全双向的不同。(2)总线按其用法可以分成专用的和非专用的。只连接一对物理部件的总线称为专用总线。如果N个部件用双向专用总线在所有可能路径都互连，则需N(N -1)/2组总线。【例题】总线按用法可分为_和_两类。【答案】专用、非专用【解析】教材P109原文。【例题】若有8个部件之间采用双向专用总线互连，则需要的专用总线组数是( )A.8 B.16C.28 D.256【答案】C【解析】根据双向专用总线互连组数计算公式N(N -1)/2，当N=8时，共28组。所以答案应该为C。二、总线的控制方式 (1)集中控制与分布式控制当采用非专用总线时，由于可能发生多个设备或部件同时申请使用总线，就得有总线控制机构来按照某种优先次序裁决，保证在同一时间内只能有一个高优先级的申请者取得对总线的使用权。如果总线控制逻辑基本上集中放在一起，不论是放在连接到总线的一个部件中，还是放在单独的硬件中，都称为集中式控制。 而当总线控制逻辑分散于连到总线的各个部件中时，就称为分布式总线控制。(2)集中控制的方式集中控制方式可分为集中式串行链接、集中式定时查询和集中式独立请求3种。三、总线的通信技术同步通信和异步通信四、数据宽度与总线线数数据宽度指的是I/O设备取得I/O总线使用权后所传送数据的总量。传送完后就释放总线，重新开始分配总线。所以，它不同于前面讲过的数据通路宽度。数据通路宽度指的是数据传送的物理宽度，即一个时钟周期所传送的信息量， 它直接取决于数据总线的线数。第四章 存储体系本章重点：页式虚拟存储器的地址映像，LRU、FIFO、OPT算法进行页面替换的过程模拟，Cache存储器的组相联映像及LRU替换算法的替换过程，虚拟存储器。本章难点：组相联映像和替换算法的模拟。一、基本概念1、存储体系以及分支(1)主存-辅存层次存储体系是让构成存储系统的几种不同的存储器之间，配上辅助软、硬件或辅助硬件，使之从应用程序员角度来看，它们在逻辑上是一个整体。第五章 标量处理机本章重点：重叠和流水的性能分析，时空图的画法本章难点：针对所要求的微操作重叠关系，计算全部指令完成的时间;根据题意画出流水时空图，计算吞吐率、效率和加速比。第一节 重叠方式加快标量处理机的方法有两种：一是通过选用高速的器件，采用更好的运算方法，从而加快每条机器指令的解释。二是通过重叠和流水的方式来加快解释的速度。一、重叠方式1、重叠原理与一次重叠 顺序解释：控制简单，但速度有限;重叠解释：不同指令在时间上重叠解释，不能加快一条指令的解释，但加快相邻多条指令的解释。(1)实现重叠解释必须要在计算机组成上满足以下要求：1)要解决访主存的冲突;2)要解决“分析”与“执行”操作的并行;3)要解决“分析”与“执行”操作控制上的同步;“一次重叠”是指指令分析部件和指令执行部件任何时候都只有相邻两条指令在重叠解释的方式;4)要解决指令间各种相关的处理。【例题】指令解释方式中，_和_任何时候都只有相邻两条指令在重叠解释的方式称为一次重叠。【答案】指令分析部件、指令执行部件【解析】教材P170原文二、各种相关的处理第二节 流水方式一、基本概念1、工作原理(1)一次重叠，每条指令的解释需要2t1的时间，但多条指令重叠解释时，计算机每隔t1的时间就能完成一条指令。如图5-2所示：2、流水的分类 (1)依据向下扩展和向上扩展的思路，可分为计算机功能子过程的流水线和处理机间的流水线。(2)从流水具有功能的多少，可分为单功能流水线和多功能流水线。单功能流水：只能实现单一功能的流水，要完成多功能的流水将多个单功能流水组合。多功能流水：同一流水线的各个段之间可以多种不同的连接方式，以实现不同的功能。(3)从计算机所具有的数据表示，分为标量流水和向量流水。(4)从流水线中各功能段之间是否有反馈回路，分为线形流水和非线性流水。【例题】静态流水线是指( )A.功能不能改变的流水线B.各段之间的连接是固定不变的流水线C.可同时执行多种功能的流水线D.同时只能完成一种功能的多功能流水线【答案】D【解析】静态流水线属于多功能流水线的一种，但是在某一段时间内各段只能按一种功能连接流水。教材P179原文，故正确答案为D。二、标量流水线的主要性能1、吞吐率Tp吞吐率是流水线单位时间里能流出的任务数或结果数。吞吐率受限于流水线中最慢子过程所需要的时间。称流水线中经过时间最长的子过程为瓶颈子过程。第三节 指令级高度并行的超级处理机一、超标量处理机1、标量流水机与超标量流水机常规的标量流水线单处理机是在每个t期间解释完一条指令，称这种流水机的度m=1。超标量处理机采用多指令流水线，每个t同时流出m条指令，称度为m。【例题】超标量处理机采用多指令流水线，每个t同时流出m条指令，称m为_。【答案】超标量处理机的度【解析】超标量处理机采用多指令流水线，每个t同时流出m条指令，称度为m2、超长指令字处理机超长指令字结构是将水平型微码和超标量处理两者相结合。在编译时，编译程序找出指令间潜在的并行性，将多个功能并行执行的不相关或无关的操作先压缩组合在一起，形成一条有多个操作段的超长指令。3、超流水线处理机超流水线处理机不同于超标量处理机和VLIW处理机，每个t仍只流出一条指令，但它的t值小，一台度为m的超流水线处理机的t只是基本机器周期t的1/m。4、超标量超流水线处理机超标量超流水线处理机是超标量流水线与超流水线处理机的结合。第六章 向量处理机本章重点：向量流水处理机中向量指令间的并行、链接，阵列处理机互连网络、互连函数、多级互连网络。本章难点：向量流水处理机中向量指令间的并行，阵列处理机的并行算法和多级互连网络。第一节 向量的流水处理与向量流水处理机向量处理机是由向量数据表示的处理机，分向量流水线处理机和阵列处理机两类。向量流水处理机是以时间重叠途径开发的，而阵列处理机是以资源重复途径开发。一、向量的流水处理与向量流水处理机(1)虽然向量运算比标量运算更容易发挥流水线的效能，但如果处理方式选择不当也不行。选择使向量运算最能充分发挥出流水效能的处理方式，就是向量的流水处理要研究的问题。(2)若向量的长度N太长，超出了向量寄存器组中寄存器的个数，可将向量分割成若干个组，使每组都能装得进向量寄存器组中。组内采用纵向方式处理，组间采用依次横向处理。(3)一般可采取让多个流水线功能部件并行，流水线链接，加快条件语句和稀疏矩阵处理，加快向量的归约操作等方法来提高向量流水线处理的性能。【例题】向量处理机是由向量数据表示的处理机，分_和_两类。【答案】向量流水线处理机、阵列处理机【解析】教材P204原文第二节 阵列处理机的原理一、阵列处理机的构形和特点(1)阵列处理机的构形阵列处理机有两种构形，差别主要在于存储器的组成方式和互连网络的作用不同。构形1：采用分布式存储器阵列处理机的构形。【例题】阵列处理机有两种构形，差别主要在于_和_不同。【答案】存储器的组成方式、互连网络的作用【解析】教材P208原文二、阵列处理机的特点1)阵列处理机的单指令流多数据流处理方式和由它产生的特殊结构是以诸如有限差分、矩阵、信号处理、线性规划等一系列计算问题为背景发展起来的。2)阵列处理机利用的是资源重复，而不是时间重叠;利用并行性中的同时性，而不是并发性。它的每个处理单元要同等地担负起各种运算功能，但其设备利用率却可能没有多个单功能流水线部件那样高。3)阵列处理机主要是靠增大处理单元个数来提高运算速度，比起向量流水线处理机主要依靠缩短时钟周期来说， 速度提高的潜力要大得多。第三节 SIMD计算机的互连网络一、互连网络的设计目标及互连函数SIMD的互连网络的设计目标是：(1)结构不要过分复杂，以降低成本;(2)互连要灵活，以满足算法和应用的需要;(3)处理单元间信息交换所需的传送步数要尽可能少，以提高速度性能;(4)能用规整单一的基本构建组合而成，或经多次通过或者经多级连接来实现复杂的互连，使模块性好，以便用VLSI实现，并满足可扩充性。二、互连网络应抉择的几个问题(1)操作方式(2)控制策略(3)交换方法(4)网络的拓扑结构三、基本的单级互连网络(1)立方体单级网络【例题】编号为0、1、2、15的16个处理器，用单级互连网络互连，用Cube0互连函数时，与第10号处理器相连的处理器的编号是( )A.9 B.10C.11 D.12【答案】C【解析】该题考查考生对于立方体单级网络互连函数的掌握，用Cube0互连函数时，Cube0(1010)=1011，所以与第10号处理器相连的处理器编号是11，故正确选项为C。(2)PM2I单级网络PM2I单级网络是“加减2i”(Plus-Minus 2i)单级网络的简称。能实现与j号处理单元直接相连的是号为j2i的处理单元， 即【例题】编号为0、1、2、15的16个处理器，用单级互连网络互连，用PM2+1互连函数时，与第7号处理器相连的处理器的编号是( )A.8 B.9C.10 D.11【答案】B【解析】该题考查考生对于PM2I单级网络互连函数的掌握，用PM2+1互连函数时，PM2+1(7)= (7+21) mod 16，所以与第7号处理器相连的处理器编号是9，故正确选项为B。多级互连网络就是由上述3种单级互连网络相对应组成的多级立方体互连网络、多级混洗交换网络和多级PM2I网络。l 交换开关是具有两个入端和两个出端的交换单元，用作各种多级互连网络的基本构件。1)直连i入连i出， j入连j出;2)交换i入连j出， j入连i出;3)上播i入连i出和j出，j入悬空;4)下播j入连i出和j出， i入悬空。l 控制方式是对各个交换开关进行控制的方式， 以多级立方体网络为例，它可以有 3 种：1)级控制同一级的所有开关只用一个控制信号控制， 同时只能处于同一种状态;2)单元控制每一个开关都有自己独立的控制信号控制， 可各自处于不同的状态;3)部分级控制第i级的所有开关分别用i+1个信号控制， 0in-1, n为级数。(1)多级立方体网络第四节 共享主存构形的阵列处理机中并行存储器的无冲突访问第五节 脉动阵列流水处理机一、脉动阵列结构的原理脉动阵列结构是由一组处理单元(PE)构成的阵列。每个PE的内部结构相同，一般由一个加法/逻辑运算部件或加法/乘法运算部件再加上若干个锁存器构成，可完成少数基本的算术逻辑运算操作。第七章 多处理机本章重点：多处理机的特点，程序并行性，并行任务的派生与汇合。本章难点：并行算法的研究，程序中并行任务的派生和汇合。第一节 多处理机的概念、问题和硬件结构一、多处理机的基本概念和要解决的技术问题1、多处理机的基本概念 多处理机是指有两台以上的处理机，共享I/O系统，机间经共享主存或高速通信网络通信，在统一操作系统控制下，协同求解大而复杂问题的计算机系统。2、多处理机的目标(1)对多个作业、多个任务并行执行来提高解题速度，从而提高整体性能;(2)使用冗余的多个处理机通过重新组织来提高系统的可靠性、适应性和可用性。3、多处理机的特点(1)结构灵活性(2)程序并行性(3)并行任务派生(4)进程同步(5)资源分配和任务调度4、需要解决的主要问题(1)硬件结构上如何解决好处理机、 存贮器模块及I/O子系统之间的互连。(2)如何最大限度地开发系统的并行性， 以实现多处理机各级的全面并行。(3)如何选择分割任务和子任务的大小， 即任务的粒度大小， 使并行度高， 而辅助开销小。(4)如何协调好多处理机中各并行执行的任务和进程间的同步问题。(5)如何将各个任务分配到一个或多个处理机上， 解决好处理机调度、任务调度和资源分配问题， 防止死锁。(6)一旦某个处理机发生故障，如何对系统进行重新组织而不使其瘫痪。【例题】 _是指有两台以上的处理机，共享I/O系统，机间经共享主存或高速通信网络通信，在统一操作系统控制下，协同求解大而复杂问题的计算机系统。【答案】多处理机【解析】该题考查多处理机的概念。二、多处理机的硬件结构1、紧耦合和松耦合(1)紧耦合多处理机紧耦合多处理机是通过共享主存来实现处理机间通信的，其通信速率受限于主存的频宽。但是，由于各处理机与主存经互连网络连接，系统中处理机数就受限于互连网络带宽及多台处理机同时访问主存发生冲突的概率。(2)松耦合多处理机松耦合多处理机中，每台处理机都有一个容量较大的局部存储器，用于存储经常用的指令和数据，以减少紧耦合系统中存在的访主存冲突。不同处理机间或者通过通道互连实现通信，以共享某些外围设备;或者通过消息传送系统来交换信息。第二节 紧耦合多处理机多Cache的一致性一、多Cache的一致性问题的产生在多处理机中，由于每个处理机都有自己的专用Cache，当主存中同一个信息块在多个Cache中都有时，会出现多个Cache之间的相应信息块的内容不一致的问题。二、多Cache的一致性问题的解决方法：为解决多个Cache之间的不一致。主要有三类做法。一类是解决进程迁移引起的多Cache不一致性;二类是以硬件为基础的做法;另一类则主要是以软件为基础的做法。(1)以硬件为基础实现Cache一致性的办法有多个。 最普遍采用的办法叫监视Cache协议(Snoopy Protocal)法，各个处理机中的Cache控制器随时都在监视着其他Cache的行动。对于采用总线互连共享主存的多处理机， 可利用总线的播送来实现。(2)以软件为基础解决Cache一致性的作法，主要优点是可以减少硬件的复杂性，降低对互连网络通信量的要求， 因而性能价格比可以较高，比较适用于处理机数多的多处理机。第三节 多处理机的并行性和性能一、并行算法1、并行算法的定义和分类并行算法是指可同时执行的多个进程的集合，各进程可相互作用、协调和并发操作。2、并行算法的分类(1)按运算对象：数值型和非数值型;(2)按并行进程的操作顺序：同步、异步和独立型;(3)按处理计算机任务大小：细粒度、中粒度和粗粒度;3、多处理机并行算法的研究思路(1)研究并行算法的一种思路是将大的程序分解成由足够多的并行处理的过程。(2)每个过程被看成是一个结点，将过程之间的关联关系用结点组成的树来描述。这样，程序内各过程的关系就可以被当成是一种算术表达式中各项之间的运算，表达式中的每一项都可看成是一个程序段的运行结果。(3)研究程序段之间的并行问题就可设想成是对算术表达式如何并行运算的问难。例如，E1=a+bx+cx2+dx3 利用霍纳(Horner)法可得到E1=a+x(b+x(c+x(d)二、程序并行性的分析(1)数据相关：如果Pi的左部变量在Pj的右部变量集内，且Pj必须取出Pi运算的结果来作为操作数，就称Pj“数据相关”于Pi。Pi A=B+DPj C=A*E(2)数据反相关如果Pj的左部变量在Pi的右部变量集内，且当Pi未取用其变量的值之前，是不允许被Pj所改变的，就称Pi“数据反相关”于Pj。 例如：Pi C=A+EPj A=B+D(3)数据输出相关如果Pi的左部变量也是Pj的左部变量，且Pj存入其算得的值必须在Pi存入之后，则称Pj“数据输出相关”于Pi。例如：Pi A=B+DPj A=C+E三、并行语言与并行编译第四节 多处理机的操作系统多处理机操作系统的类型：主从型、各自独立型及浮动型一、主从型操作系统主从型管理程序只在一个指定