计算机系统结构串讲及汇总

1、第一章 计算机系统结构的基本概念1. 从使用语言的角度可以将系统看成是按功能划分的多个机器级组成的层次结构。由高到低分别为：(1)应用语言机器级 (2)高级语言机器级 (3)汇编语言机器级 (4)操作系统机器级 (5)传统机器语言机器级 (6)微程序机器级。2. 应用程序语言经应用程序包的翻译成高级语言程序。3. 高级语言程序经编译程序的翻译成汇编语言程序。4. 汇编语言程序经汇编程序的翻译成机器语言程序。5. 在操作系统机器级，一般用机器语言程序解释作业控制语句。6. 传统机器语言机器级，是用微指令程序来解释机器指令。7. 微指令由硬件直接执行。8. 在计算机系统结构的层次结构中，机器被定义

2、为能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体。9. 透明指的是客观存在的事物或属性从某个角度看不到，它带来的好处是简化某级的设计，带来的不利是无法控制 10.翻译：先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成底一级机器级上行将的程序，然后在低一级机器级上实现的技术11.解释： 在低级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能，通过高级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。12硬件取舍原则：（1）应考虑在现有硬器件(主要是逻辑器件和存储器件)条件下，系统要有高的性能价格比。（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

3、各种组成、实现技术的采用。（3）不能仅从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技术的成果和便于发挥器件技术的进展，还应从“软”的角度把如何为编译和操作系统的实现以及为高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持放在首位。13. 计算机系统的设计思路：（1）由上往下（2）由下往上（3）由中间开始14. 软件的可移植性：指的是软件不修改或只经少量修改就可由一台机器搬到另一台机器上运行，同一软件可应用于不同的环境。15. 实现欠件移植的几个基本技术：（1）统一高级语言 （2）采用系列机 （3）模拟与仿真16. 为什么没有对各种应用真正通用的语言？（1）不同的用途要求语言的语法、语义结构不同。（2）人们对语言的

4、基本结构看法不一。（3）即使同一种高级语言在不同厂家的机器上也不能完全通用。（4）受习惯势力阻挠，人们不愿意抛弃惯用的语言。17 模拟：用机器语言程序解释实现软件移植的方法称为模拟。（需经二重解释，速度低，实时性差）（模拟灵活，可实现不同系统间的软件移植，系统差异太大时效率速度急剧下降）18 仿真：用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法称为仿真。（速度上损失小，但不灵活，只在差别不大的机器上使用，两种机器差别太大时，就很难仿真）19 模拟与仿真的区别：仿真是用微程序解释，其解释程序存入在控制存储器中；而模拟是用机器语言程序来解释，其解释程序存放在主存中。20 并行性：把解题中具有可以同时进行

5、运算或操作的特性。并行性包括(1)同时性和(2)并发性 同时性：指两个或多个事件在同一时刻发生 并发性：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生21开发并行性途径：(1)时间重叠 (2)资源重复 (3)资源共享 时间重叠：让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，加快硬件周围来赢得速度。 资源重复：通过得利设置硬件资源来提高可靠性或性能。 资源共享：用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源来提高其利用率，相应也就提高了系统的性能。第二章 数据表示与指令系统1. 数据表示：指的是能由机器硬件直接识别昨引用的数据类型。2. 数据结构反映了应用中要用的各种数据元

6、素或信息单元之间的结构关系。 数据表示是数据结构的组成元素。3. 数据结构和数据表示是软、硬件的交界面。数据表示的确定实质是软、硬件的取舍。4. 高级数据表示：（1）自定义数据表示 （2）微量数组数据表示 （3）堆栈数据表示5. 标志符数据表示：将数据类型和数据本身直接联系到一起。(合存于同一存储单元中)6. 标志符数据表示的优点：（1）简化了指令系统和程序设计（2）简化了编译程序（3）便于实现一至性校验（4）能由硬件自动变换数据类型（5）支持了数据库系统的实现与数据类型无关的要求（6）为软件调试和应用软件开发提供了支持7. 标志符数据表示可能带来的问题：（1）每个数据字因增设标志符，会增加程

7、序所占的主存空间（2）采用标志符会降低指令的执行速度8. 规模机器的特征：（1） 有高速寄存器组成的硬件堆栈，并附加控制电路让它与主存中的堆栈区在逻辑上构成整体，使堆栈的访问速度是寄存器，容量是主存的（2） 有丰富的堆栈操作指令且功能很强，直接可对堆栈中的数据进行各种去处和处理（3） 有力地支持高级语言程序的编译（4） 有力地支持子程序的嵌套和递归调用9. 引入数据表示的原则：（1） 看系统的效率有否提高，即是否减少了实现时间的存储空间（2） 看引入这种数据表示后，其通用性和利用率是否高10. 浮点数尾数的下溢处理方法：(1)截值法 (2)舍入法 (3)恒置1法 (4)查表舍入法11. 寻址方

8、式：指的是指令按什么方式寻长(或访问)到所需的操作数或信息。12. 寻址方式在指令中的两种指明方式：(1) 占有操作码中的某些位 （2）在地址码部分专门设置寻址方式位字段指明13. 逻辑地址是程序员编程用的地址。物理地址是程序在主存中的实际地址。14. 静态再定位：在目的程序装入主存时，由装入程序用软件方法把目的程序的逻辑地址变换成物理地址15. 动态再定位：在执行每条指令时才形成访存物理地址的方法16. 指令由操作码和地址码两部分构成；操作码指明操作种类和所用操作数的数据类型；地址码包括操作数的地址、地址的附加信息、寻址方式等。17. 指令格式的优化：指的是如何用最短的倍数来表示指令的操作信

9、息和地址信息，使程序中指令的平均字长最短。18. 操作码的优化表示，主要是为了缩短指令字长，减少程序总位数及增加指令字能表示的操作信息和地址信息。19. 哈夫曼压缩概念的基本思想：当各种事件发生的概率不均等时，采用优化技术对发生概率最高的事件用最短的位数(时间)来表示(处理)，而对出现概率较低的，允许用较长的位数(时间)来表示(处理)，这样，就会导致表示(处理)的平均(时间)的缩短。20. 操作码的表示方式通常有下列三种：(1)固定长度编码法 (2)哈夫曼编码法 (3)扩展操作码编码法21. 指令系统的设计、发展和改进上的两种不同方向：（1）CISC （2）RISC22. CISC：进一步增强

10、原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原先由软子程序完成的功能，实现软件功能的硬化。23. CISC（复杂指令系统计算机）的优化实现：(1) 面各目标程序的优化(2) 面向高级语言的优化(3) 面向操作系统的优化24. 面向目标程序的优化(1) 对存贮器语言程序及其执行情况进行统计各种指令和指令串的使用频度来加以分析和改进。 静态使用频度：对程序中统计出的指令及指令串使用频度（着眼于减少目标程序所占用的储存空间） 动态使用频度：在目标程序执行过程中对指令和指令串统计出的频度（着眼于减少目标程序的执行时间）(2) 增设强功能复合指令来取代原先是由常用宏指令或子程序实现的功能，用微程序解释实现

11、。25. 面向高级语言优化实现改进(尽可能缩短高级语言和机器语言的语义差距，支持高级语言编译，缩短编译程序长度和编译时间) (1) 通过对源程序中各种高级语言语句的使用频度进行统计来分析改进。 (2) 如果面向编译，优化代码生成来改进。 (3) 设法改进指令系统，使它与各种语言间的语义差距都有同等的缩小。 (4) 让机器具有分别面向各种高级语言的多种指令系统、各种系统结构。 (5) 发展高级语言计算机（或称高级语言机器）26. 面向操作系统的优化(1) 对常用指令和指令串的使用频度进行统计分析来改进。（改进指令系统） (2) 考虑如何增设专用于操作系统的新指令。（改进指令系统） (3) 把操作

12、系统中频繁使用的对速度影响大的某些软件子程序硬化或固化，改为直接用硬件或微程序解释实现。 (4) 发展让操作系统由专门的处理机来执行的功能分布处理系统结构。27. CISC存在的问题： (1) 指令系统庞大，一般在200条指令以上。许多指令功能异常复杂。 (2) 由于许多指令的繁杂，执行速度很低。 (3) 指令系统庞大，故高级语言编译程序选择目标指令的范围大太，难以优化生成高效机器语言程序，编译程序也太长太复杂。 (4) 由于指令系统庞大，各种指令的使用频度都不会太高，具差别很大，其中相当一部分指令的利用率很低。28. 设计RISC的原则： (1) 只选择那些使用频度很高的指令，再增加少量其他

13、功能的指令，使之一般不超过100条 (2) 减少指令系统寻址方式各类，一般不超过两种，并让全部指令都是相同的长度。 (3) 让所有指令都在一个机器周期内完成 (4) 扩大通用寄存器数，尽量减少访存。仅存(store)、取(load)指令访存，其他指使一律对寄存器操作。(5) 大多数年指令都用硬联控制实现，少数指令用微程序实现。(6) 精简指令和优化设计编译程序，简单有效地支持高级语言的实现。29. 设计RISC结构用的基本技术： (1) 按RISC一般原则设计 (2) 逻辑实现用硬联和微程序结合 (3) 用重叠寄存器窗口 (4) 指令用流水和延迟转移 (5) 优化设计编译系统30. 采用RIS

14、C技术带来的好处：(1) 简化指令系统设计，适合VLSI实现 (2) 提高机器的执行速度和效率 (3) 设计成本，提高了系统的可靠性 (4) 可直接支持高级语言的实现31. RISC的不足：(1) 由于指令少，一条CISC指令能完成的某些功能需要多条RISC指令才能完成，加重了汇编各方程序设计的负担，增加了机器语言程序的长度，占用在座空间多，加大了指令的信息流量。 (2) 对浮点去处执行的虚拟存储器的支持虽有很大加强，但仍显不足。 (3) RISC机器的编译程序比CISC的难写。第三章 总线、中断与输入输出系统1. 输入输出系统包括输入输出设备、设备控制器及与输入输出操作有关的软硬件 2. I

15、/O系统设计主要考虑解决好CPU、主存和I/O设备在速度上的巨大差距。3. 输入输出系统发展经历了三个阶段：（1）程序控制I/O （2）直接存储器访问 （3）I/O处理机方式(a.通道 b.外围处理机方式)4. 总线类型：按信息传送方向分：(1)单向传输 (2)双向传输 按用法分：(1)专用 (2)非专用 (相关介绍及优缺点见P63)5. 非专用总线总线控制方式：集中式控制：总线控制机构基本上集中在一起。 分布式控制：总线控制逻辑分散在各个部件中 P646. 集中式总线控制：(1)串行链接控制 (2)定时查询方式 (3)独立查询方式 （P64）7. 集中式串行链接式的总线分配过程：1).部件发

16、总线请求。2).总线不忙时，总线控制器返回总线响应（总线可用）信号。3).没发总线请求信号的部件传送总线响应信号，发的部件截留响应信号。4).截留后，发总线忙状态，撤销请求，开始占用总线。5).传送结束撤销总线忙。6).总线不忙后，撤销总线响应。8. 优点： 1).选择算法简单，控制线线数少。 2).部件增加容易，可扩充性好。 3).容易通过重复设置提高可靠性。9. 缺点： 1).对“总线可用”线及其有关电路的失效敏感。 2).优先级是线连固定，不灵活。 3).限制了总线的分配速度。10. 集中定时查询方式的总线分配过程：1).部件发总线请求。2).总线不忙时，总线控制器的查询计数器开始计数。

17、3).定时查询各部件。4).部件接收计数值，并判断，若与部件号一致，则发总线忙，撤销请求，并占用总线。5).总线控制器收到总线忙，停止计数，停止查询。6).传送结束撤销总线忙。11. 优点： 1).优先次序可用程序控制，灵活性强。 2).可靠性高。12. 缺点： 1).总线线数较多。 2).部件数受限于定时查询线线数。 3).控制较为复杂。 4).总线分配的速度不能提高。13. 集中式独立请求方式的总线分配过程：1).部件发总线请求。2).总线不忙时，按某种算法，发一个总线响应。3).被响应部件发总线忙状态，撤销请求，开始占用总线。4).传送结束，撤销总线忙。5).总线不忙后，撤销总线响应。1

18、4. 优点：1).总线分配速度快。 2).可用选定的方式确定响应的部件。 3).能方便的隔离失效部件的请求。15. 缺点：1).控制线数量过大。 2).总线控制器要复杂的多。16. 总线的传送方式分为：1)同步通信 2)异步通信17. 同步通信：两个部件之间的信息传送是通过定宽定距的系统时标进行同步的（受同步时钟的控制）18. 同步通信的优点：信息传送速率高，受总线的长度影响小。19. 同步通信的缺点：但会因时钟在总线上的时滞而造成同步误差， 且时钟线上的干扰信号易引起误同步。20. 异步通信：用于I/O总线，连接不同速度的I/O设备。(又可分为a.单向控制和b.双向(请求/回答)控制两种)(

19、1)单向控制：指的是通信过程只由目的或源部件中的一个单一控制。单向控制又有源控制和目的控制两种。 优点：简单，高速。 缺点：未能保证下一数据传送之前让所有数据线和控制线的电平信号恢复成初始状态，从而可能造成错误。(2) 请求/回答双向控制：由源和目共同控制。 特点：增加了信号总线来回传送的次数，使控制硬件变得复杂，但它能适应各种不同速度的I/O设备，保证数据传送的正确性，有较高的数据传送率。21. 数据宽度：是I/O设备取得I/O总线使用权后（在一次I/O总线分配期间内），所传送数据的总量。22. 数据通路宽度：数据总线的位数，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

20、据总线的线数。23. 总线的线数越多，成本越高、干扰越大、可靠性越低、占用的空间也越大，当然传送速度和流量也越高。为此，越是长的总线，其线数就应尽可能减少。24. 减少线数的方法：1)同一根线多个功能（复用）。 2)并/串串/并转换 3)编码25. 中断源：引起中断的各种事件。 中断请求：中断源向中断系统发出请求中断的申请。 中断响应：允许中断请求中断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。26. 中断分类的目的：中断源数量很多，若形成单独入口，硬件复杂，代价大，故进行分类，把性质相近的中断源归为一类。同一类中断共用一个中断

21、入口地址，再由软件形成实际入口地址。27. 中断的分类：1）机器校验中断（第一级）：设备故障，电源故障，主存出错。2）管理程序调用（访管中断）（第二级）：访管指令。3）程序性中断（第二级）：溢出，除数为零，数据格式错。4）外部中断（第三级）：定时器，外部信号。5）输入/输出中断（第四级）：I/O请求。6）重新启动中断（第五级）：启动另一个程序。28. 中断分级的目的：解决多个中断请求同时发生时的响应次序问题。29. 分级原则： 1）同一类的优先次序由软件管理(一般情况下，同类同级，不同类不同级) 2）不同类的中断根据中断的轻重缓急分成不同的级别。30. 中断嵌套原则： 1）禁止同级或低级中断。

22、 2）允许高级中断。31. 中断响应次序和处理次序 中断响应次序用排队器硬件实现，次序是由高到低定死的，但可以根据需要用软件改变实际的中断处理完次序（简称中断处理次序）。中断级屏蔽位的作用：决定某级中断请求能否进入排队器（只要能进入，还是按上面讲的优先级次序由高到底响应中断）中断响应次序由硬件定死。而处理次序由中断屏蔽位决定。32. 中断系统的功能包括：中断请求的保存与清除，确定优先级，保护断点，保护现场，中断源分析，中断处理，中断返回等。33. 中断系统的软、硬件功能分配实质是中断处理程序软件和中断响应硬件的功能分配。34. 中断系统的软件与硬件的功能分配主要考虑如下两个因素：1)中断响应时

23、间 2)灵活性。35. 通道的功能：(1)接受CPU的输入输出操作指令，按指令要求控制外设(接受指令) (2)从主存读取通道程序，并执行(即向设备控制器发送各种指令)(执行程序) (3)组织和控制数据在内存与外设之间的传送操作(传送数据) (4)读取外设的状态信息，形成整个通道的状态信息，提供给CPU或保存在主存中(通道状态) (5)向CPU发出输入输出操作中断请求(中断请求)36. 通道的工作过程：（1）用户在目态中安排广义I/O指令。(包括访管指令和参数)（2）当目态程序执行到访管指令后，产生访管中断。（3）CPU响应中断，第一次访管态，运行管态程序。（4）管理程序编制通道程序。（根据参数：设备号、主存地址、信息长度等）（通道程序放在主存中，由通道执行）（5）执行“启动I/O”指令：选择通道，校验第一条通道指令格式，选择设备并启动通道及设备。（6）通道启动后，<1>CPU退出管态，运行目态程序。