體系結(jié)構(gòu)總結(jié)new

1、一:虛擬計(jì)算機(jī)指通過(guò)軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的，運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。虛擬計(jì)算機(jī);從不同角度所看到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性是不同的。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，按功能劃分成多級(jí)層次，如圖所示。透明性：一種本來(lái)存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看似乎不存在，這種現(xiàn)象稱為透明性。通常，在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，低層機(jī)器級(jí)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，對(duì)高級(jí)語(yǔ)言程序員來(lái)說(shuō)是透明的。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：這實(shí)際上是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外特性。按照計(jì)算機(jī)層次結(jié)構(gòu)，不同程序設(shè)計(jì)者所看到的計(jì)算機(jī)有不同的屬性。使用高級(jí)語(yǔ)言的程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性主要是軟件子系統(tǒng)和固件子系統(tǒng)的屬性，包括程序語(yǔ)言以及操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管

2、理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件等用戶界面。 計(jì)算機(jī)的組成; 計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類：一、按處理機(jī)的性能分類：（1） 按大小劃分；（2） 按用途來(lái)劃分；（3） 按數(shù)據(jù)類型劃分：定點(diǎn)計(jì)算機(jī)、浮點(diǎn)計(jì)算機(jī)、向量計(jì)算機(jī)、堆棧計(jì)算機(jī)等。（4） 按處理機(jī)個(gè)數(shù)和種類來(lái)劃分：?jiǎn)翁幚頇C(jī)、并行處理機(jī)、多處理機(jī)、分布處理機(jī)、關(guān)聯(lián)處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水線處理機(jī)等等。（5） 按所使用的器件來(lái)劃分；二、佛林分類法按照指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為以下四類： (1) 單指令流單數(shù)據(jù)流SISD (2) 單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD (3) 多指令流單數(shù)據(jù)流M

3、ISD (4) 多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD三、庫(kù)克分類法 1978年由D.J.Kuck首先提出。他按照控制流和執(zhí)行流進(jìn)行分類。把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為以下四類： (1) 單指令流單執(zhí)行流SISE (2) 單指令流多執(zhí)行流SIME (3) 多指令流單執(zhí)行流MISE (4) 多指令流多執(zhí)行流MIME 主要缺點(diǎn)： 有些系統(tǒng)沒(méi)有總控制器，如分布處理機(jī)； 分類級(jí)別太低，沒(méi)有處理機(jī)級(jí)和機(jī)器級(jí)； 分類太粗。 四、馮氏分類法 五、漢德勒分類法(1)程序級(jí)k：程序控制部件(PCU)的個(gè)數(shù)；(2)操作級(jí)d：算術(shù)邏輯部件(ALU)或處理部件（PU）的個(gè)數(shù)；(3)邏輯級(jí)w：每個(gè)算術(shù)邏輯部件包含的邏輯線路(ELC)的套數(shù)。馮諾依

4、曼：一、特點(diǎn)：存儲(chǔ)程序、運(yùn)算器為核心、集中控制；馮諾依曼計(jì)算機(jī)的特征可概括為：存儲(chǔ)器是字長(zhǎng)固定的、順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)器提供可按地址訪問(wèn)的一級(jí)地址空間，每個(gè)地址是唯一定義的。由指令形式的低級(jí)機(jī)器語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)。指令是執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲(chǔ)器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實(shí)現(xiàn)。以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送都途經(jīng)運(yùn)算器。運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。二: 指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟件與硬件分界面的一個(gè)主要標(biāo)志。無(wú)論多么復(fù)雜、功能多么強(qiáng)大的各種軟件，凡是能夠在機(jī)器上直接運(yùn)行的目標(biāo)程序都是由一條條機(jī)器指令組成的。指令系統(tǒng)

5、是軟件設(shè)計(jì)人員與硬件設(shè)計(jì)人員之間的一個(gè)主要分界面，也是他們之間互相溝通的一座橋梁。數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是數(shù)據(jù)類型的子集。數(shù)據(jù)表示：數(shù)據(jù)表示研究的是計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別，可以被指令系統(tǒng)直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究的是面向系統(tǒng)軟件，面向應(yīng)用領(lǐng)域所需要處理的各種數(shù)據(jù)類型，研究這些數(shù)據(jù)類型的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，并給出相應(yīng)的算法。計(jì)算機(jī)只有定點(diǎn)數(shù)據(jù)表示，這種計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但有3個(gè)明顯的缺點(diǎn)： 編程困難。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的利用率很低。 表示數(shù)的范圍小。-32768到32767 1、浮點(diǎn)數(shù)的表示方法一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)N可以表示為： 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，一種浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示方式需

6、要有如下6個(gè)參數(shù)來(lái)定義。兩個(gè)數(shù)值：m：尾數(shù)的值。除了數(shù)值大小之外，還要表示尾數(shù)所采用的碼制（原碼或補(bǔ)碼）和數(shù)制（小數(shù)或整數(shù)）。e：階碼的值。一般采用移碼（又稱偏碼、增碼、余碼等）或補(bǔ)碼，整數(shù)來(lái)表示。兩個(gè)基：rm：尾數(shù)的基。通常有2進(jìn)制、4進(jìn)制、8進(jìn)制、16進(jìn)制和10進(jìn)制等；re：階碼的基。在目前見(jiàn)到的所有浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示方式中，re均為2。兩個(gè)字長(zhǎng)（不包括符號(hào)位）：p：尾數(shù)長(zhǎng)度。要特別注意：這里的p不是指尾數(shù)的二進(jìn)制位數(shù)，當(dāng)rm16時(shí)，每4個(gè)二進(jìn)制位表示一位尾數(shù)；q：階碼長(zhǎng)度。由于階碼的基通常為2，因此，在一般情況下，q就是階碼部分的二進(jìn)制位數(shù)。 一種浮點(diǎn)數(shù)表示方式如圖所示，這也是浮點(diǎn)數(shù)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

7、單元中的存放方式。把尾數(shù)符號(hào)放在最高位的原因是為了判別正、負(fù)數(shù)方便。 警戒位：為了保證浮點(diǎn)數(shù)在運(yùn)算和轉(zhuǎn)換過(guò)程中的精度，在規(guī)定的尾數(shù)字長(zhǎng)之外，運(yùn)算器中的累加器需要另外增加的長(zhǎng)度稱為警戒位五種舍入方法：1 恒舍法：恒舍法又稱截?cái)喾?、必舍法等，這是一種最容易實(shí)現(xiàn)的舍入方法。 2 恒置法：恒置法又稱恒置法（r是尾數(shù)的基值），或恒置1法（當(dāng)尾數(shù)基值取2時(shí)），或馮諾依曼法（Von Neumann Rounding）。恒置法的實(shí)現(xiàn)難度僅次于恒舍法。 3 下舍上入法在日常使用的十進(jìn)制中稱為4舍5入法，在二進(jìn)制中稱為0舍1入法，在16進(jìn)制中稱為7舍8入法。 4 R*舍入法在大型、巨型計(jì)算機(jī)中，或在一些很大的科學(xué)

8、計(jì)算問(wèn)題中，需要一種積累誤差能夠完全平衡，精度又很高的舍入方法。 5.查表法查表法又稱ROM舍入法，它繼承了下舍上入法精度高、積累誤差小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了它實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難的缺點(diǎn)，是一種比較理想的舍入方法。 帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示法 ：采用標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示方法主要優(yōu)點(diǎn)有如下幾個(gè)方面：(1) 簡(jiǎn)化了指令系統(tǒng)。 (2) 由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)一致性檢查和數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。 (3) 簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。 (4) 簡(jiǎn)化編譯器。 (5) 支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。 (6) 方便軟件調(diào)試。 采用標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示方法的主要缺點(diǎn)是： (1) 數(shù)據(jù)和指令的長(zhǎng)度可能不一致。 (2) 指令的執(zhí)行速度降低。 (3) 硬件復(fù)雜度增加。 數(shù)據(jù)描述符與標(biāo)

9、志符的主要區(qū)別是：標(biāo)志符通常只作用于一個(gè)數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)描述符要作用于一組數(shù)據(jù)。編址方式是指對(duì)各種存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行編碼的方法。主要內(nèi)容包括編址的單位、零地址空間的個(gè)數(shù)等，另外還包括并行存儲(chǔ)器的編址技術(shù)和輸入輸出設(shè)備的非線性編址技術(shù)等。尋址方式：尋找操作數(shù)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的方法稱為尋址方式。尋址技術(shù)研究的內(nèi)容主要包括編址方式、尋址方式等，研究的對(duì)象主要有寄存器、主存儲(chǔ)器、堆棧和輸入輸出設(shè)備等，其中以面向主存儲(chǔ)器的尋址技術(shù)為主要研究對(duì)象。 間接尋址與變址尋址區(qū)別：間址尋址方式：間接地址在主存儲(chǔ)器中，沒(méi)有偏移量。變址尋址方式：基地址在變址寄存器中，帶有偏移量。 優(yōu)缺點(diǎn)：(1)實(shí)現(xiàn)的難易程度，間址尋址方式實(shí)現(xiàn)起

10、來(lái)很容易，只需要增加一條從主存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寄存器到地址寄存器的數(shù)據(jù)通路即可。實(shí)現(xiàn)變址尋址方式需要增加較多的硬件，需要一個(gè)硬件的加法器，一個(gè)或多個(gè)變址寄存器（也可以與通用寄存器合用）。 (2)指令的執(zhí)行速度，采用間址尋址方式編寫的程序，執(zhí)行速度比較慢。 (3)對(duì)數(shù)組運(yùn)算的支持，變址尋址方式比較好，間址尋址方式較差，這是因?yàn)樽冎穼ぶ贩绞娇梢詭в衅屏??；刂芳悠屏磕軌蚝苡行У乇硎鞠蛄?、矩陣等?shù)據(jù)。 指令的組成;操作碼和地址碼組成。編碼（固定長(zhǎng)操作碼，huffman編碼法，擴(kuò)展編碼法）固定長(zhǎng)操作碼的主要缺點(diǎn)是：浪費(fèi)了許多信息量，即操作碼的總長(zhǎng)度增加了。精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）是80年代提出的一

11、種新的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。目前運(yùn)行中的許多處理機(jī)都采用了RISC體系結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)系統(tǒng)：兩個(gè)或兩個(gè)以上速度、容量和價(jià)格各不相同的存儲(chǔ)器用硬件、軟件、或軟件與硬件相結(jié)合的方法連接起來(lái)的系統(tǒng)稱為存儲(chǔ)系統(tǒng)。Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)：由Cache和存儲(chǔ)器組成的系統(tǒng)，速度接近Cache，容量接近存儲(chǔ)器，每單位的價(jià)格跟存儲(chǔ)器相近，這個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)全部用硬件來(lái)調(diào)度，因此，它不僅對(duì)應(yīng)用程序員是透明的，而且對(duì)系統(tǒng)程序員也是透明的。虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)：虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)由主存儲(chǔ)器與聯(lián)機(jī)的外部存儲(chǔ)器（目前一般為磁盤存儲(chǔ)器）構(gòu)成，采用硬件與軟件相結(jié)合的方法來(lái)調(diào)度存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能有三個(gè)主要參數(shù)：容量S，速度T和價(jià)格C，并行存儲(chǔ)器的種類;并行訪

12、問(wèn)存儲(chǔ)器、交叉訪問(wèn)存儲(chǔ)器和無(wú)訪問(wèn)沖突并行存儲(chǔ)器等三種并行存儲(chǔ)器。 虛擬存儲(chǔ)器由主存儲(chǔ)器和聯(lián)機(jī)工作的外部存儲(chǔ)器共同組成頁(yè)面替換算法：1、 隨機(jī)算法，即RAND算法（Random algorithm）。 2、 先進(jìn)先出算法，即FIFO算法（First-In First-Out algorithm）。 3、 近期最少使用算法，即LFU算法（Least Frequently Used algorithm）。 4、 最久沒(méi)有使用算法，即LRU算法（Least Recently Used algorithm）。 5、 最優(yōu)替換算法，即OPT算法（OPTimal replacemant algorithm）

13、。 地址的映象與變換 ：頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器、段式虛擬存儲(chǔ)器和段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器等三種。 Cache替換算法種類：（輪換法（先進(jìn)先出），lru算法，比較算法，堆棧法）輸入輸出系統(tǒng)的特點(diǎn)集中反映在異步性、實(shí)時(shí)性和與設(shè)備無(wú)關(guān)性三個(gè)基本項(xiàng)上，這些特點(diǎn)對(duì)輸入輸出系統(tǒng)的組織將產(chǎn)生決定性的影響。輸入輸出方式：程序控制輸入輸出方式 。中斷輸入輸出方式 。直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（DMA）方式 。中斷處理：DMA方式的工作流程 對(duì)于輸入設(shè)備：從輸入介質(zhì)上讀一個(gè)字節(jié)或字到DMA控制器中的數(shù)據(jù)緩沖寄存器BD中，如果輸入設(shè)備是面向字符的，則要把讀入的字符裝配成字。若一個(gè)字還沒(méi)有裝配滿，則返回到上面；若校驗(yàn)出錯(cuò)，則發(fā)中斷申請(qǐng)；若一個(gè)字

14、已經(jīng)裝配滿，則將BD中的數(shù)據(jù)送入主存數(shù)據(jù)寄存器。把主存地址寄存器BA（在DMA控制器中）中的地址送入主存地址寄存器，并且將BA中的地址增值至下一個(gè)字地址。把DMA控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)交換個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器BC中的內(nèi)容減1。若BC中的內(nèi)容為0，則整個(gè)DMA數(shù)據(jù)傳送過(guò)程全部結(jié)束，否則返回到最上面繼續(xù)進(jìn)行。 DMA方式的工作流程 對(duì)于輸出設(shè)備：把主存地址寄存器BA（在DMA控制器中）中的地址送入主存地址寄存器，并啟動(dòng)主存儲(chǔ)器，同時(shí)將BA中的地址增值至下一個(gè)字地址。將主存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)送入DMA控制器的數(shù)據(jù)緩沖寄存器BD中。如果輸出設(shè)備是面向字符的，則要把BD中的數(shù)據(jù)拆卸字符。把BD中數(shù)據(jù)逐個(gè)字符（對(duì)于面向

15、字符的設(shè)備）或整個(gè)字寫到輸出介質(zhì)上。把DMA控制器內(nèi)的數(shù)據(jù)交換個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器BC中的內(nèi)容減1。若BC中的內(nèi)容為0，則整個(gè)DMA數(shù)據(jù)傳送過(guò)程全部結(jié)束，否則返回到最上面繼續(xù)進(jìn)行。 目前使用的DMA方式實(shí)際上有如下三種： 1、周期竊取方式 2、直接存取方式 3、數(shù)據(jù)塊傳送方式 4.3.1 通道的作用和功能 在大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，如果僅僅采用前面介紹過(guò)的程序控制、中斷和DMA這三種基本的輸入輸出方式來(lái)管理外圍設(shè)備，會(huì)引起如下兩個(gè)問(wèn)題：1、所有外圍設(shè)備的輸入輸出工作全部都要由CPU來(lái)承擔(dān)，CPU的輸入輸出負(fù)擔(dān)很重，不能專心于用戶程序的計(jì)算。 2、大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備臺(tái)數(shù)雖然很多，但是一般并不同時(shí)工作。如

16、果為每一臺(tái)設(shè)備都配置一個(gè)接口，必然是一種浪費(fèi)。特別是DMA接口，它的硬件代價(jià)很高。連接DMA接口的磁盤或磁帶存儲(chǔ)器等一般并不同時(shí)工作。 4.3.1 通道的作用和功能 一般說(shuō)來(lái)，通道的功能應(yīng)該包括如下幾個(gè)方面：1、接受CPU發(fā)來(lái)的輸入輸出指令，根據(jù)指令要求選擇一臺(tái)指定的外圍設(shè)備與通道相連接。2、執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序，從主存中取出通道指令，對(duì)通道指令進(jìn)行譯碼，并根據(jù)需要向被選中的設(shè)備控制器發(fā)出各種操作命令。3、給出外圍設(shè)備的有關(guān)地址，即進(jìn)行讀/寫操作的數(shù)據(jù)所在的位置。如，磁盤存儲(chǔ)器的拄面號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)等。4、給出主存緩沖區(qū)的首地址，這個(gè)緩沖區(qū)用來(lái)暫時(shí)存放從外圍設(shè)備上輸入的數(shù)據(jù)，或者暫

17、時(shí)存放將要輸出到外圍設(shè)備中去的數(shù)據(jù)。5、控制外圍設(shè)備與主存緩沖區(qū)之間數(shù)據(jù)交換的個(gè)數(shù)，對(duì)交換的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并判斷數(shù)據(jù)傳送工作是否結(jié)束。6、指定傳送工作結(jié)束時(shí)要進(jìn)行的操作。例如，將外圍設(shè)備的中斷請(qǐng)求及通道的中斷請(qǐng)求送往CPU等。7、檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，是正?；蚬收稀８鶕?jù)需要將設(shè)備的狀態(tài)信息送往主存指定單元保存。 8、在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中完成必要的格式的變換，例如，把字拆卸為字節(jié)，或者把字節(jié)裝配成字等。 4.3.2 通道的工作過(guò)程1、在用戶程序中使用訪管指令進(jìn)入管理程序，由CPU通過(guò)管理程序組織一個(gè)通道程序，并啟動(dòng)通道。 2、通道處理機(jī)執(zhí)行CPU為它組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)輸入輸出工作。 3、通道程序結(jié)束后向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求。CPU響應(yīng)這個(gè)中斷請(qǐng)求后，第二次進(jìn)入操作系統(tǒng)，調(diào)用管理程序?qū)斎胼敵鲋袛嗾?qǐng)求進(jìn)行處理。 4.3.3 通道種類 根據(jù)多臺(tái)外圍設(shè)備共享通道的不同情況，可將通道分為三種類型：字