計算機系統(tǒng)結構期末知識點總結

1、單元11.系統(tǒng)結構：由程序員設計者所看到的一個計算機系統(tǒng)的屬性，及概念性結構和功能特性。2.層次結構：第0級和第1級具體實現機器指定功能的中央控制部分；第二級是傳統(tǒng)機器語言機器；第三級是操作系統(tǒng)機器；第四級是匯編語言機器；第五級是高級語言機器；第六級是應用語言機器；電子線路-微程序機器級-傳統(tǒng)機器級-操作系統(tǒng)級-匯編語言級-高級語言級-應用語言級4.Amdahl定律：系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占用總執(zhí)行時間的比例有關。5. 9. CPU時間：一個程序所花的CPU時間（CPU的執(zhí)行時間，不包括I/O等待時間）。CPU時間=CPU時鐘周期

2、數*時鐘周期長度=CPU時鐘周期數/頻率CPU時間 （CPIIC（指令條數）/ 頻率 時鐘周期：由于計算機的時鐘速度是固定的，它的運行周期稱為時鐘周期。10.CPI（Cycle Per instruction）：每條指令執(zhí)行時所花費的平均時鐘周期數。 IC：每個時鐘周期平均執(zhí)行的指令條數 CPI CPU時鐘周期數 / IC 則 CPU時間 （CPIIC）/ 頻率11.Te：一個標準測速程序的全部執(zhí)行時間 Ti:其中所有第i種指令的累計時間13.MIPS(每秒百萬條指令數 ):衡量機器性能的唯一可靠的標準就是真正的執(zhí)行程序的時間，可以用MIPS來作為衡量程序執(zhí)行時間的一個指標。優(yōu)點：直觀、方便。

3、主要缺點: (1) 不同指令的執(zhí)行速度差別很大(2) 指令使用頻度差別很大（3）有相當多的非功能性指令 單元22.數據表示是指計算機硬件能夠直接識別，可以被指令系統(tǒng)直接調用的那些數據類型。例如：定點、邏輯、浮點、十進制、字符、字符串、堆棧和向量等3.數據表示原則：1）縮短程序的運行時間。2）減少CPU與主存儲器之間的通信量。3）這種數據表示的通用性和利用率4.零地址空間個數：三個零地址空間，兩個零地址空間，一個零地址空間，隱含編址方式。并行存儲器的編址技術：高位交叉編址，低位交叉編址。7.高位交叉編址：擴大存儲器容量。低位交叉編址：提高存儲器速度。者一個存儲器操作數。對于存儲器操作數來說，由尋

4、址方式確定的存儲器地址為有效地址。9.多種尋址方式：顯著地減少程序的指令條數，可能增加計算機的實現復雜度和指令的CPI。10.尋址方式：立即數尋址方式，寄存器尋址方式，主存尋址方式（直接尋址、間接尋址、變址尋址），堆棧尋址方式。11.指令格式的設計：確定指令字的編碼方式，包括操作碼字段和地址碼字段的編碼和表示方式。指令格式的優(yōu)化：如何用最短的位數來表示指令的操作信息和地址信息。12.操作碼的三種編碼方法：固定長度、Huffman編碼、擴展編碼操作碼優(yōu)化的程度可以用信息熵來衡量。 表示用二進制編碼表示n個碼點時，理論上的最短平均編碼長度 。信息冗余量為：R=1-（H/平均碼長）13.碼長表示法：

5、哈弗曼樹、2-4等長擴展編碼，1-2-3-5（3-4）擴展編碼、2-8擴展編碼法、3-7擴展編碼法：長碼的前綴不能是短碼的操作碼14.碼點表示法：15/15/15，8/64/512，計算擴展碼點：1.若(16-x):(2的6次方-1)x=1:9 x=2，則擴展碼點為2則雙地址的范圍為：0000-1101（14條） 單地址為：1110 * *0 ，1111 * *0 126條零地址為：1110 111 111 * * ，1111 111 111 * * 128條2.單地址范圍：2的6次方-1=63 1111 000 000 -1111 111 110雙地址范圍：2的（62）次方-1=15 000

6、0-1110零地址范圍：1111 1111 1100 0000-1111 1111 1111 1111 15.單地址指令范圍為：2的n次方-1 （留一個擴展碼點） 雙地址：2的n-2次方-1 零地址：2的n次方 縮短地址碼長度的方法：用一個短地址碼表示一個大地址空間 用間址尋址方式、變址尋址方式、寄存器間接尋址方式縮短地址碼長度17.CISC（Complex Instruction Set Computer）：復雜指令系統(tǒng)增強指令功能，把越來越多的功能交由硬件來實現，且指令的數量也是越來越多。18.RISC（Reduced Instruction Set Computer）：精簡指令系統(tǒng) 減少

7、CPI是RISC思想的精華: CPI 是執(zhí)行這個程序所使用的總的時間；是這個程序所需執(zhí)行的總的指令條數；盡可能地把指令系統(tǒng)簡化，不僅指令的條數少，而且指令的功能也比較簡單。RISC的設計是力爭一個最小化的指令集，每條指令只執(zhí)行一個基本的計算，復雜的運算由基本指令構成的子程序來完成。為了達到最高速度，RISC設計限定指令為固定長度，并使得能在一個時鐘周期內執(zhí)行一條指令。19.設計RISC機器遵循的原則：1）采用簡單而又統(tǒng)一的指令格式，并減少尋址方式；指令字長都為32位或64位。2）指令的執(zhí)行在單個機器周期內完成；(采用流水線機制)。3）只有l(wèi)oad和store指令才能訪問存儲器，其它指令的操作都

8、是在寄存器之間進行；4）大多數指令都采用硬連邏輯來實現；5）強調優(yōu)化編譯器的作用，為高級語言程序生成優(yōu)化的代碼；6）充分利用流水技術來提高性能 單元三2.存儲器的主要性能：速度、容量、價格3.Cache存儲系統(tǒng)：由Cache和主存儲器構成。主要目的：提高存儲器速度4.虛擬存儲系統(tǒng)：由主存儲器和硬盤構成。主要目的：擴大存儲器容量5.虛擬存儲系統(tǒng)：磁盤的地址空間而并不能被一般的指令訪問，而主存儲器的地址空間對于使用者來說又太小。所以虛擬存儲器系統(tǒng)為使用者另外設計一個虛擬地址空間，比主存儲器的實際空間大很多，采用與主存儲器同樣的隨機訪問方式。6.命中率定義：CPU訪問存儲系統(tǒng)時，在M1中找到所需信息

9、的概率。H=N1/(N1+N2)其中：N1是對M1存儲器的訪問次數,N2是對M2存儲器的訪問次數整個存儲系統(tǒng)的訪問時間可以采用M1和M2的訪問周期T1、T2及命中率H來表示H=H*T1+(1-H)*T2 訪問效率e=T1/T=T1/(H乘T1)+(1-H)T2=1/H+(1-H)T2/T1=f(H,T2/T1)提高存儲系統(tǒng)速度的兩條途徑:一是提高命中率H;二是兩個存儲器的速度不要相差太大。并行訪問存儲器的沖突：取指沖突，讀操作數沖突，寫操作數沖突，讀寫沖突。7.三種虛擬存儲器：段式虛擬存儲器、頁式虛擬存儲器、段頁式虛擬存儲器。 虛擬存儲器的工作原理：1）多用戶虛擬地址。2）主存地址。3）程序執(zhí)

10、行時要根據虛擬地址找到主存地址。4）虛擬地址和主存地址之間的關系由地址映像體現出，而在程序執(zhí)行時通過地址變換將用戶程序中的虛擬地址變成主存的實地址虛擬存儲器的頁面替換算法：隨機算法，先進先出算法，最久沒有使用算法，最優(yōu)替換算法cache替換算法:隨機法,先進先出法FIFO,最近最少使用法LRU(堆棧法)8.影響命中率的因素：（1）程序在執(zhí)行過程中的頁地址流況；（2）所采用的頁面替換算法；（3）頁面大??；（4）主存儲器的容量（5）所采用的頁面調度算法。9.（1）Cache命中率隨著他的容量的增大而提高；（2）（組相連映射）當cache的容量一定時，命中率隨著cache塊的增大而提高。（3）在組相

11、連映射中命中率隨著組數的增加而減小10.兩種cache更新算法：寫直達法和寫回法。Cache預取算法：按需預取，恒預取，不命中預取。11.Cache的地址映象與變換：1.全相聯映象：主存中的任一塊可以被放置到Cache中的任意一個位置。特點：空間利用率最高，沖突概率最低，實現最復雜。 2. 直接映象：主存中的每一塊只能被放置到Cache中唯一的一個位置。 特點：空間利用率最低，沖突概率最高，實現最簡單。3.組相聯映象：主存中的每一塊可以被放置到Cache中唯一的一個組中的任何一個位置。 組相聯是直接映象和全相聯的一種折衷。第四章：輸入輸出系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)的特點：異步性、實時性、與設備無關性基本

12、輸出輸出方式：程序控制方式、中斷方式、DMA方式（直接存儲器訪問方式）程序控制特點：優(yōu)點：靈活性很好。可以很容易地改變各臺外圍設備的優(yōu)先級 缺點：實現處理機與外圍設備并行工作困難。中斷方式特點：(1)CPU與外圍設備能夠并行工作。(2)能夠處理異常事件。 (3)數據的輸入和輸出都要經過CPU。(4)用于連接低速外圍設備。DMA方式特點：(1)外圍設備的訪問請求直接發(fā)往主存儲器，數據的傳送過程不需要CPU的干預。(2)全部用硬件實現，不需要做保存現場和恢復現場等工作。(3)DMA控制器復雜，需要設置數據寄存器、設備狀態(tài)控制寄存器、主存地址寄存器、設備地址寄存器和數據交換個數計數器及控制邏輯等。(

13、4)在DMA方式開始和結束時，需要處理機進行管理。DMA操作過程包括三個階段：DMA請求、DMA響應和數據傳送、傳送結束DMA方式的特點：(1)外圍設備的訪問請求直接發(fā)往主存儲器，數據的傳送過程不需要CPU的干預。(2)全部用硬件實現，不需要做保存現場和恢復現場等工作。(3)DMA控制器復雜，需要設置數據寄存器、設備狀態(tài)控制寄存器、主存地址寄存器、設備地址寄存器和數據交換個數計數器及控制邏輯等。(4)在DMA方式開始和結束時，需要處理機進行管理。中斷屏蔽：設置中斷屏蔽有三個用處：(1)在中斷優(yōu)先級由硬件確定了的情況下，改變中斷源的中斷服務順序。(2)決定設備是否采用中斷方式工作。(3)在多處理

14、機系統(tǒng)中，把外圍設備的服務工作分配到不同的處理機中。中斷屏蔽的實現方法：1）每級中斷源設置一個中斷屏蔽位。2）改變處理機優(yōu)先級中斷屏蔽以后，中斷源的優(yōu)先級不會發(fā)生改變，動態(tài)的改變服務的順序，響應的順序由硬件決定，無法改變。兩種方法的不同：(1)兩者使用的概念不同。 前者使用中斷屏蔽； 后者使用中斷優(yōu)先級(2)需要屏蔽碼的位數不同。 前者所需要的屏蔽位數比較多； n：log2（n+1）(3)可屏蔽的中斷源數量和種類不同。 前者可以任意屏蔽掉一個或幾個中斷源， 后者只能屏蔽掉比某一個優(yōu)先級低的中斷源通道的種類：字節(jié)多路通道(為多臺低速或中速的外設服務,打印機)、選擇通道(為多臺高速外圍設備服務)、

15、數組多路通道(適用于高速設備；磁盤等設備)；字節(jié)多路通道能夠正常的工作，即不丟失數據，可以采用以下幾種方式：（1） ：增加通道的最大流量；（2）：動態(tài)改變設備的優(yōu)先級；（3）：增加緩沖存儲器；第5章 ：標量處理機流水線技術：把一個重復的過程分解為若干個子過程，每個子過程由專門的功能部件來實現。把多個處理過程在時間上錯開，依次通過各功能段，這樣，每個子過程就可以與其它的子過程并行進行。線性流水線：流水線的各段串行連接，沒有反饋回路。數據通過流水線中的各段時，每一個段最多只流過一次。非線性流水線：流水線中除了有串行的連接外，還有反饋回路流水線中的每個子過程及其功能部件稱為流水線的級或段，段與段相互

16、連接形成流水線。流水線的段數稱為流水線的深度。 吞吐率：在單位時間內流水線所完成的任務數量或輸出結果的數量 Tp=n/Tkn：任務數 Tk：處理完成n個任務所用的時間流水線的瓶頸段：流水線中這種時間最長的段。解決流水線瓶頸問題的常用方法：細分瓶頸段，重復設置瓶頸段加速比：完成同樣一批任務，不使用流水線所用的時間與使用流水線所用的時間之比。假設：不使用流水線（即順序執(zhí)行）所用的時間為Ts，使用流水線后所用的時間為Tk，則該流水線的加速比為：S=Ts/Tk 流水線沖突是指對于具體的流水線來說，由于相關的存在，使得指令流中的下一條指令不能在指定的時鐘周期執(zhí)行。流水線沖突有3種類型：結構沖突：因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。數據沖突：當指令在流水線中重疊執(zhí)行時，因需要用到前面指令的執(zhí)行結果而發(fā)生的沖突?？刂茮_突：流水線遇到分支指令和其它會改變PC值的指令所引起的沖突1：流水線：流水線需要有通過時間和排空時間通過時間：第一個任務從進入流水線到流出結果所需的時間。排空時間：最后一個任務從進入流水線到流出結果所需的時間時間最長的段將成為流水線的瓶頸按照流水線中是否有反饋回路可以分為線性流水