计算机系统结构整理

第一章 计算机系统结构基本概念 名词解释 兼容性 向后兼容 向后兼容 在某一时间生产的机器上运行的目标软件能够直接运行于更晚生产的机器上 向上兼容 向上兼容 在低档机器上运行的目标软件能够直接运行于高档机器上 系列机 具有相同的系统结构 但组成和实现技术不同的一系列计算机系统具有相同的系统结构 但组成和实现技术不同的一系列计算机系统 可移植性 模拟和仿真 在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统 在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统 全部用软件实现的叫模拟 模拟 用软件 硬件 固件混合实现的叫仿真仿真 并行性 最大并行度 最大并行度 单位时间内能处理的最大二进制位数 计算机系统的多级层次结构 书书 P3 图图 系统结构 组成和实现的关系 系统结构定义 系统结构定义 程序员程序员所所看到的看到的计算机系统的属性计算机系统的属性 即即概念性结构概念性结构和和功能特性功能特性 研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定 组成 计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现组成 计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现 实现 计算机实现是指计算机组成的物理实现实现 计算机实现是指计算机组成的物理实现 计算机系统的设计原则 思路 系统结构设计系统结构设计 包括指令集 存储系统 总线结构 处理器设计等 是软硬件的分界面 硬件实现技术硬件实现技术 相当重要 不同指令集对系统性能的影响在缩小 应用或市场需求应用或市场需求 性能优化 性能优化 可靠性 容错性 价格与性能 实现的复杂性实现的复杂性 硬件实现方案 软件复杂性 投放市场时间 性能价格比 性能价格比 必须考虑实现的成本 包括软件成本 计算机系统的分类 Flynn 1966 年由 Michael J Flynn 提出 按照指令流和数据流的多倍性特征指令流和数据流的多倍性特征进行分类 指令流指令流 机器执行的指令序列 数据流数据流 由指令流调用的数据序列 多倍性多倍性 multiplicity 在系统性能瓶颈部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 四种类型四种类型 1 单指令流单数据流单指令流单数据流 SISD Single Instruction Single Datastream 2 单指令流多数据流单指令流多数据流 SIMD Single Instruction Multiple Datastream 3 多指令流单数据流多指令流单数据流 MISD Multiple Instruction Single Datastream 4 多指令流多数据流多指令流多数据流 MIMD Multiple Instruction Multiple Datastream 第二章 指令系统 名词解释 数据表示 数据表示是指计算机硬件能够直接识别 可以被指令系统直接调用的那些数据数据表示是指计算机硬件能够直接识别 可以被指令系统直接调用的那些数据 类型类型 RISC 精简指令系统 CISC 复杂指令系统 数据表示的含义及与数据结构的关系 数据表示是指计算机硬件能够直接识别 可以被指令系统直接调用的那些数据类型数据表示是指计算机硬件能够直接识别 可以被指令系统直接调用的那些数据类型 定义数据表示 标识符 描述符 两者的区别 数据描述符与标志符的区别 标志符只作用于一个数据 而数据描述符要作用于一组数据标志符只作用于一个数据 而数据描述符要作用于一组数据 引入数据表示的原则 确定数据表示的原则确定数据表示的原则 一是缩短程序的运行时间一是缩短程序的运行时间 二是减少二是减少 CPU 与主存储器之间的通信量与主存储器之间的通信量 三是这种数据表示的通用性和利用率三是这种数据表示的通用性和利用率 Huffmann 编码与扩展编码 书书 P91 94 RISC 的设计原则 基本技术及存在的问题 减少 CPI 是 RISC 思想的精华 CPI Cycles Per Instruction 是每条指令执行的平均周期数 1 延时转移技术延时转移技术 为了使指令流水线不断流 在转移指令之后插入一条没有数据相关和控制相关的有效指令 为了使指令流水线不断流 在转移指令之后插入一条没有数据相关和控制相关的有效指令 而转移指令被延迟执行 这种技术称为延迟转移技术 而转移指令被延迟执行 这种技术称为延迟转移技术 2 指令取消技术指令取消技术 采用指令延时技术 经常找不到可以用来调整的指令 可考虑采用另一种方法 指令取消采用指令延时技术 经常找不到可以用来调整的指令 可考虑采用另一种方法 指令取消 技术分为两种情况 技术分为两种情况 1 向后转移 适用于循环程序 向后转移 适用于循环程序 实现方法 实现方法 循环体的第一条指令安放在两个位置 分别在循环体的前面和后面 如果 移成功 则执行循环体后面的指令 然后返回到循环体开始 否则取消循环体后面的 指令 2 向前转移向前转移 IF THEN 实现方法 实现方法 如果转移不成功 执行转移指令之后的下条指令 否则取消下条指令 3 重叠寄存器窗口技术重叠寄存器窗口技术 实现方法 实现方法 设置一个数量比较大的寄存器堆 并把它划分成很多个窗口 在每个过程使用 的几个窗口中 有一个窗口是与前一个过程共用 有个窗口是与下一个过程共用有一个窗口是与前一个过程共用 有个窗口是与下一个过程共用 4 指令流调整技术指令流调整技术 P123 5 以硬件为主固件为辅以硬件为主固件为辅 存在的问题在哪里 存在的问题在哪里 ORZ 难道是这个 难道是这个 RISC 对编译器造成的困难主要有 对编译器造成的困难主要有 1 必须精心安排每一个寄存器的用法 以便充分发挥每一个通用寄存器的效率 尽量减必须精心安排每一个寄存器的用法 以便充分发挥每一个通用寄存器的效率 尽量减 少访问主存储器的次数 少访问主存储器的次数 2 做数据和控制相关性分析 要调整指令的执行序列 并与硬件相配合实现指令延迟技做数据和控制相关性分析 要调整指令的执行序列 并与硬件相配合实现指令延迟技 术和指令取消技术等 术和指令取消技术等 3 要设计复杂的子程序库 要设计复杂的子程序库 RISC 的子程序库通常要比的子程序库通常要比 CISC 的子程序库大得多 的子程序库大得多 第三章 存储系统 存储系统与存储体系 存储系统的定义存储系统的定义 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 这个存储系统对应用程序员是透明的 并且 从 应用程序员看 它是一个存储器 这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器 存储容 量与容量最大的那个存储器相等 单位容量的价格接近最便宜的那个存储器 以下大概要么就是存储体系 虚拟存储器系统 对应用程序员透明虚拟存储器系统 对应用程序员透明 Cache 存储系统 对系统程序员以上均透明存储系统 对系统程序员以上均透明 虚拟存储系统 由主存储器和硬盘构成虚拟存储系统 由主存储器和硬盘构成 主要目的 扩大存储器容量主要目的 扩大存储器容量 Cache 存储系统 由存储系统 由 Cache 和主存储器构成和主存储器构成 主要目的 提高存储器速度主要目的 提高存储器速度 存储体系的性能参数 1 存储系统的容量存储系统的容量 要求 提供尽可能大的地址空间 能够随机访问要求 提供尽可能大的地址空间 能够随机访问 2 存储系统的价格存储系统的价格 3 存储系统的速度存储系统的速度 表示方法 表示方法 访问周期 存取周期 存储周期 存取时间等 虚拟存储器的管理方式 1 段式虚拟存储器段式虚拟存储器 地址映象方法 每个程序段都从地址映象方法 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中地址开始编址 长度可长可短 可以在程序执行过程中 动态改变程序段的长度 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 相加就能得到主存实地址 2 页式虚拟存储器页式虚拟存储器 地址映象方法 地址映象方法 P152 图图 地址变换方法 地址变换方法 P152 图图 3 段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器 用户按段写程序用户按段写程序 每段分成几个固定大小的页每段分成几个固定大小的页 地址映象方法 地址映象方法 每个程序段在段表中占一行 在段表中给出页表长度和页表的起始地址 页表中给出每一页在主存储器中的实页号 地址变换方法 地址变换方法 先查段表 得到页表起始地址和页表长度 再查页表找到要访问的主存实页号 把实页号 p 与页内偏移 d 拼接得到主存实地址页表法 目录表法地址映像与变换的含义与区别 4 外部地址变换外部地址变换 每个程序有一张外页表 每一页或每个程序段 在外页表中都有对应的一个存储字 Cache 的工作原理 P173 图图 第四章 输入输出系统 了解三种基本输入输出方式的原理及特点 1 程序控制输入输出方式程序控制输入输出方式 状态驱动输入输出方式 应答输入输出方式 查询输入输出方式 条件驱动输入输出方 式 程序控制输入输出方式的 4 个特点 1 何时对何设备进行输入输出操作受 CPU 控制 2 CPU 要通过指令对设备进行测试才能知道设备的工作状态 空闲 准备就绪 忙碌等 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 如终端 打印机等 2 中断输入输出方式中断输入输出方式 定义 当出现来自系统外部 机器内部 甚至处理机本身的任何例外的 或者虽然是事先 安排的 但出现在现行程序的什么地方是事先不知道的事件时 CPU 暂停执行现行程序 转去处理这些事件 等处理完成后再返回来继续执行原先的程序 特点 1 CPU 与外围设备能够并行工作 2 能够处理例外事件 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 3 直接存储器访问方式直接存储器访问方式 直接存储器访问方式 DMA Direct Memory Access 主要用来连接高速外围设备 如磁盘 存储器 磁带存储器 光盘辅助存储器 行式打印机等 DMA 方式具有如下特点 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 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 中断系统中的软硬件功能分配 有些功能必须用硬件实现 有的功能必须用软件实现 而大部分功能既可以用硬件实现 也可以用软件实现 恰当分配中断系统的软硬件功能 是中断系统最关键问题恰当分配中断系统的软硬件功能 是中断系统最关键问题 1 主要考虑的两个因素 主要考虑的两个因素 中断响应时间 中断响应时间 中断响应时间是一个非常重要的指标 灵活性 灵活性 硬件实现速度快 灵活性差 软件实现正好相反 表示一般用硬件实现表示一般用硬件实现 表示一般用软件实现表示一般用软件实现 表示可以用硬件实现 也可以用软件实现 现行指令结束 且没有更紧急的服务请求现行指令结束 且没有更紧急的服务请求 关关 CPU 中断中断 保存断点 主要保存保存断点 主要保存 PC 中的内容中的内容 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 开开 CPU 中断 可以响应更高级别的中断请求中断 可以响应更高级别的中断请求 中断服务 执行中断服务程序中断服务 执行中断服务程序 关关 CPU 中断中断 恢复软件现场 恢复屏蔽状态 恢复硬件现场 开 CPU 中断 返回到中断点返回到中断点 必须用硬件实现的有 必须用硬件实现的有 保存中断点和进入中断服务程序入口 保存中断点和进入中断服务程序入口 这两个功能相当于执行一条转子程序指令 因为中断发生在现行程序的什么地方是不 确定的 不能由程序员来安排 必须用软件实现的有 必须用软件实现的有 中断服务和返回到中断点 中断服务和返回到中断点 返回到中断点 通过执行一条中断返回指令来实现 中断服务必须用软件实现 因为是 程序中断方式 中断优先级和中断屏蔽的原理及方法 第四章作业和课堂习题 通道中的数据传送过程与流量分析 字节多路通道的数据传送过程字节多路通道的数据传送过程 一一个个字字节节多多路路通通道道连连接接 P 台台设设备备 每每台台设设备备都都传传送送 n 个个字字节节 TS TD TS TD TS TD TS TD D1 1 D2 1 Di j Dp n T TS 设设备备选选择择时时间间 TD 传传送送一一个个字字节节的的时时间间 Di j 第第 i 台台设设备备的的第第 j 个个数数据据 其其中中有有 i 1 2 p j 1 2 n 总总共共所所需需要要的的时时间间 TBYTE TS TD P n 选择通道的数据传送过程选择通道的数据传送过程 数组多路通道的数据传送过程数组多路通道的数据传送过程 通道流量通道流量 单位时间内能够传送的最大数据量 又称通道吞吐率通道吞吐率 通道数据传输率通道数据传输率等 通道最大流量 通道最大流量 通道在满负荷工作状态下的流量 输入输出处理机的作用及种类 通道的主要功能 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 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 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 选选择择通通道道连连接接 P 台台设设备备 每每台台设设备备都都传传送送 n 个个字字节节 TSTD1TD2 TDn TSTD1TD2 TDn TSTD1 TD2 TDn D1 D2 DP T TS 设设备备选选择择时时间间 TDi 通通道道传传送送第第 i 个个数数据据所所用用的的时时间间 其其中中有有 i 1 2 n Di 通通道道正正在在为为第第 i 台台设设备备服服务务 其其中中有有 i 1 2 p 总总共共所所需需要要的的时时间间 TSELETE TS n TD P n 数数组组多多路路通通道道连连接接 P 台台设设备备 每每台台设设备备都都传传送送 n 个个字字节节 TSTD1TD2 TDk TSTD1TD2 TDk TSTDk 1 TD2k TSTDn k TDn D1 D2 D1 DP T TS 设设备备选选择择时时间间 k 一一个个数数据据块块中中的的字字节节个个数数 TDi 通通道道传传送送第第 i 个个数数据据所所用用的的时时间间 其其中中有有 i 1 2 n Di 通通道道正正在在为为第第 i 台台设设备备服服务务 其其中中有有 i 1 2 p 总总共共所所需需要要的的时时间间 TBLOCK TS k TD P n 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 根据是否共享主存储器分为 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 CDC 公司的 CYBER Texas 公司的 ASC 2 不共享主存储器的输入输出处理机 STAT 100 巨型机 根据运算部件和指令控制部件是否共享分为 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 如 CDC CYBER 和 ASC 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 如 B 6700 大型机和 STAT 100 巨型机等 输入输出处理机的多种组织方式 输入输出处理机的多种组织方式 1 多个输入输出处理机从功能上分工 2 以输入输出处理机作为主处理机 3 采用与主处理机相同型号的处理机作为输入输出处理机 4 采用廉价的微处理机来专门承担输入输出任务 第五章 标量处理机 流水线方式 流水寄存器流水寄存器 流水线的每一个阶段称为流水步流水步 流水步骤 流水段流水段 流水线阶段 流水功能段 功能段功能段 流水级流水级 流水节拍等 在每一个流水段的末尾或开头必须设置一个寄存器 称为流水寄存器 流水锁存器 流水流水寄存器 流水锁存器 流水 闸门寄存器等闸门寄存器等 加入流水寄存器 会增加指令的执行时间 在一般流水线时空图中不画出流水寄存器 相关问题 转移 数据 控制 指令 数据相关 数据相关 在执行本条指令的过程中 如果用到的指令 操作数 变址量等是前面指令的 执行结果 这种相关称为数据相关 解决数据相关的方法有两种 解决数据相关的方法有两种 推后处理 设置专用路径 控制相关 控制相关 由条件分支指令 转子程序指令 中断等引起的相关 因程序的执行方向可能 被改变而引起的相关 也称为全局相关 全局相关 主要包括 无条件转移 一般条件转移 复合条件转移 中断无条件转移 一般条件转移 复合条件转移 中断等 解决指令相关的根本办法是 解决指令