计算机体系结构.ppt

1、1,计算机系统知识,任课：林立 手机电邮： QQ:1056289032,2,主要内容,2.计算机体系结构,3. 安全性、可靠性,存储系统,体系结构的分类,CISC/RISC,输入输出技术,指令流水线技术,1.计算机基础知识,数据表示,3,带符号位的数据表示1,数据原码表示,其中n为机器字长，以下例子假定n为8,4,带符号位的数据表示2,数据的反码表示,其中n为机器字长，以下例子假定n为8,5,带符号位的数据表示3,数据的补码表示,其中n为机器字长，以下例子假定n为8,6,体系结构的分类,Flynn分类法 SISD(Single instruction stream S

2、ingle data stream):单指令流单数据流 SIMD(Single instruction stream Multiple data stream):单指令流多数据流 MISD(Multiple instruction stream Single data stream):多指令流单数据流 MIMD(Multiple instruction stream Multiple data stream):多指令流多数据流,7,SISD,图1-1 SISD概念性框图,8,SIMD,图1-2 SIMD概念性框图,9,MISD,图1-3 MISD概念性框图,10,MIMD,图1-4 MIMD概

3、念性框图,11,试题1,单指令流多数据流计算机由。 A.单一控制器、单运算器和单一存储器组成 B.单一控制器、多个执行部件和多个存储器模块组成 C.多个控制部件同时执行不同的指令，对同一数据进行处理 D.多个控制部件、多个执行部件和多个存储器模块组成 答案：B,12,试题2,利用高速通信网络将多台高性能工作站或微型机互连构成机群系统，其系统结构形式属于(1) 。 (1)A.单指令流单数据流(SISD) B.多指令流单数据流(MISD) C.单指令流多数据流(SIMD) D.多指令流多数据流(MIMD) 答案:D,13,CISC/RISC,CISC:复杂指令集计算机。进一步增强原有指令的功能，用

4、更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能，导致机器的指令系统越来越庞大而复杂。(目前大多数CPU属于该类) 20%与80%定律：在大量的实际程序运行中进行统计的结果表明，一个指令系统大约有20%的指令是经常使用的，所占的比例约为全部程序的80%；而剩下的80%指令很少被使用到，只占全部程序的20%。 RISC：精简指令集计算机。执行较少类型计算机指令，从而设计一种硬件结构简单，执行速度很高的CPU。(MIPS结构，龙芯),14,CISC/RISC,15,试题3,不是RISC的特点。 A.指令的操作种类比较少 B.指令长度固定且指令格式较少 C.寻找方式比较少 D.访问内存需要的机器周期比

5、较少 答案：D,16,指令流水线技术,流水线技术是将一个重复的时序分解成若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。指令流水线技术是重叠执行思想在处理机结构上的具体体现。 指令流水线就是将一条指令分解成一连串执行的子过程，在CPU种变一条指令的串行执行子过程位若干条指令的子过程在CPU重叠执行。,17,指令流水线技术,图1-5 5级指令流水线时空图,18,流水线处理机的主要指标,吞吐率：指单位时间里流水线处理机流出的结果数。对指令而言就是单位时间里执行的指令数。 p=1/maxt1, t2, , tm 建立时间：流水线开始工作，须经过一定时间才能达到最大吞吐率，

6、这就是建立时间。若m个子过程所用时间一样，均为t0，则建立时间T0 T0=m t0,19,习题4,现采用四级流水线结构分别完成一条指令的取值、指令译码和取数、运算，以及送回运算结果4个基本操作，每步操作时间依次为60ns、100ns、50ns和70ns。该流水线的操作周期应为（1） ns。若有一小段程序需要用20条基本指令完成（这些指令完全适合于流水线上执行），则得到第一条指令结果需（2）ns，完成该段程序需（3）ns。 (1)A.50 B.70 C.100 D.250 (2)A.100 B.200 C.250 D.400 (3)A.1400 B.2000 C.2300 D.2600 答案：(

7、1)C(2)D (3)C,20,存储系统,存储器的层次结构 存储器的分类 高速缓存Cache 磁盘存储器参数计算,21,存储器的层次,图1-6 存储器的层次结构,22,试题5,可随机读写，且只要不断电则基本存储信息就可一直保存的，称为（1） 。可随机读写，但即便在不断电的情况下，其存储的信息也要定时刷新才不致丢失，称为（2） 。所存信息由生产厂家用掩膜技术写好后就无法再改变的称为（3） 。通过紫外线照射后可擦除所有信息，然后重新写入新的信息并可以多次进行的，称为（4） 。通过电信号可在数秒钟内快速删除全部信息，但不能进行字节级别删除操作的，称为（5） (1),(2)A.RAM B.VRAM C

8、.DRAM D.SRAM (3),(4)A.EPROM B.PROM C.ROM D.CDROM (5)A.E2PROM B.Flash Memory C. EPROM D.Virtual Memory 答案:(1)D (2)C (3)C (4)A (5)B,23,高速缓存Cache,高速缓存Cache 是位于主存储器与CPU的通用寄存器之间。用来存放当前最活跃的程序和数据，作为主存某些局部区域的副本。,图1-7 高速缓存的构成框图,24,高速缓存的地址映像,CPU工作时，送出的是主存的地址，当匹配Cache内容和读写时需要主存地址转换成Cache存储器的地址，这种地址的转换叫地址映像。 Ca

9、che地址的转换有3种方法： 直接映像 全相联映像 组相联映像 地址映像将主存与Cache的存储空间划分为若干大小相同的页（或称块），我们以主存容量为1MB，划分为2048页，每页512B，Cache容量为8KB，划分为16页，每页512B为例说明3种方法。,25,直接映像,图1-8 直接映像的Cache组织,26,全相联映像,图1-9 全相联映像的Cache组织,27,组相联映像,图1-10 组相联映像的Cache组织,28,组相联映像的访问示例,假设Cache容量为4页，主存容量为16页，每页为4字节。Cache分为2组，每组2页。主存同样分组，每组2页，同时主存将每2组分为一个区。,图1

10、-11 组相联映像的Cache访问示例,29,组相联访问示意图1,图1-12 组相联映像的Cache访问示意图1,30,组相联访问示意图2,图1-13 组相联映像的Cache访问示意图2,31,组相联访问示意图3,图1-14 组相联映像的Cache访问示意图3,32,组相联访问示意图4,图1-15 组相联映像的Cache访问示意图4,33,组相联访问示意图5,图1-16 组相联映像的Cache访问示意图5,34,组相联访问示意图6,图1-17 组相联映像的Cache访问示意图6,35,习题6,容量为64块的Cache采用组相联的方式映像，字块大小位128个字节，每4块为一组。若主存容量为409

11、6块，且以字编址，那么主存地址应为（1）位，主存区号应为（2）位。 (1)A.16B.17C.18D.19 (2)A.5B.6C.7D.8 答案：(1)D(2)B,36,习题7,一般来说，Cache的功能（1）。某32位计算机的Cache容量为16KB，Cache块的大小为16B，主存与Cache的地址映射采用直接映射方式，则主存地址为1234E8F8(十六进制)的单元装入的Cache。地址为（2）。在下列Cache替换算法中，平均命中率最高的是（3）。 (1)A.全部由软件实现B.全部由硬件实现 C.硬件和软件实现 D.有的计算机由硬件实现，有的计算机由软件实现 (2)A.000100010

12、01101B.01001000110100 C.10100011111000D.11010011101000 (3)A.先入后出(FILO)算法 B.随机替换(RAND)算法 C.先入先出(FIFO)算法 D.近期最少使用(LRU)算法 答案：(1)B(2)C(3)D,37,磁盘参数的计算,几个概念： 磁盘的数据放在磁道上。磁道就是磁盘上的一组同心圆，其宽度与磁头的宽度相同。 磁道密度：沿磁盘半径方向，单位长度内磁道的数目称为磁道密度。最外层为0道。 位密度：沿磁道方向，单位长度内存储二进制信息的个数叫位密度。 磁盘的数据传输是以块为单位，所以磁道上的数据也以块的形式进行存放。这些块称为扇区。

13、 柱面：柱面是若干个磁盘组成的磁盘组，所有盘面上相同位置的磁道组称为一个柱面。,38,硬盘结构示意图,图1-18 硬盘的磁头、柱面、扇区,39,硬盘结构示意图,图1-19 硬盘盘片的启停区和数据区,40,硬盘实物参考图,图1-20 硬盘的实物参考图,41,磁盘参数的计算,几个公式的应用： 总磁道数=记录面数磁道密度(外直径-内直径)/2 非格式化容量=位密度3.14 最内圈直径总磁道数 格式化容量=每道扇区数扇区容量总磁道数 平均数据传输速率=每道扇区数扇区容量盘片转速,42,习题8,假设一个有3个盘片的硬盘，共有4个记录面，转速为7200转/分，盘面有效记录区域的外直径为30cm，内直径为1

14、0cm，记录位密度为250位/mm，磁道密度为8道/mm，每磁道分16个扇区，每扇区512字节，则该硬盘的非格式化容量和格式化容量约为（1） ，数据传输速率约为（2）。若一个文件超出一个磁道容量，剩下的部分（3） (1)A.120MB和100MB B.30MB和25MB C. 60MB和50MB D.22.5MB和25MB (2)A.2356KB/s B.3534KB/s C.7069KB/s D.960KB/s (3)A.存于同一盘面的其他编号的磁道 B.存于其他盘面的同一编号的磁道上 C.存于其他盘面的其他编号的磁道上 D.存放位置随机 答案:(1) B(2) D(3) B,43,输入输出

15、技术,内存与接口的编址方式 内存与接口地址独立的编址方法 内存与接口地址统一的编址方法 CPU与外设数据传送方式 直接程序控制 中断方式 直接存储器存取（DMA）方式 输入 /输出处理机（IOP）,44,中断方式,中断的工作方式：在计算机运行过程中，如果发生某种随机事态，CPU将暂停执行现行程序，转去执行中断处理程序，为该事态服务，并在服务完毕后自动恢复原程序的执行。 将中断机制引入到I/O传输过程后，CPU从繁杂I/O状态查询中解放出来。当I/O系统完成了数据传输后则以中断信号通知CPU，CPU收到中断信号后完成相应的工作。,45,中断方式,图1-21 中断方式输入/输出,46,DMA方式,

16、直接内存存取（DMA）方式，指数据在内存和I/O设备间的直接成块传送，即在内存与I/O设备间传送一个数据块的过程中，不需要CPU的干预，由DMA控制器控制完成数据的传输。CPU只进行DMA传输的初始化和结束处理工作。,图1-22 DMA过程示意图,47,习题9,中断响应时间是指_。 A从中断处理开始到中断处理结束所用的时间B从发出中断请求到中断处理结束所用的时间C从发出中断请求到进入中断处理所用的时间D从中断处理结束到再次中断请求的时间 答案：C,48,计算机的可靠性,计算机可靠性概述 计算机可靠性模型 串联系统 并联系统 N模冗余系统,49,计算机可靠性概述,可靠性：系统从开始运行( t=0

17、)到某时刻t这段时间内都能正常运行的概率。R(t)表示 失效率：指单位时间内失效的元件数与元件总数的比例，以 表示。 可靠性和失效率的关系： 平均无故障时间MTBF：两次故障之间系统能正常工作的时间的平均值。 平均修复时间MTTR：表示计算机的可维修性，指从故障发生到机器修复平均所需要的时间。 计算机的可用性A，指计算机的使用效率。,50,可靠性参数计算示例,同型号的1000台计算机，在规定的条件下工作1000小时，其中有10台出现故障。则： 计算机的失效率=10/(1000*1000)=10-5 千小时的可靠性R(t)= e-t= 平均无故障时间MTBF=1/ =105小时,51,计算机可靠

18、性模型,计算机可靠性模型 串联系统 并联系统 N模冗余系统,52,串联模型,串联系统的可靠性模型： 系统可靠性 系统的失效率,图1-23 串联系统的可靠性模型,53,串联模式计算举例,假设一个磁盘子系统有以下组件组成 10个磁盘，每个MTBF为1,000 ,000小时 1个SCSI控制器，MTBF为500,000小时 1个电源供应器，MTBF为200,000小时 1个风扇，MTBF为200,000小时 1个SCSI连接线，MTBF为1,000,000小时 求系统失效率和平均无故障时间,54,并联系统,并联系统的可靠性模型： 系统可靠性 系统失效率,图1-24 并联系统的可靠性模型,55,N模冗余系统,N模冗余系统模型： 系统的可靠性,图1-25 N模冗余系统,56,习题10,设在图1-26和图1-27所示的系统中，R1、R2、R3为3个加工部件，每个加工部件的失效率均为，可靠性均为R。则图1-26的失效率为（1），可靠性为（2）。图1-27中系统的失效率为（