計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電子教案清華版省公開課一等獎全國示范課微課金獎

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2第一章基本概念（P1）本章介紹計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一些基本知識。包含定性知識和定量知識兩大組內(nèi)容。為了便于學(xué)習(xí)，本章各節(jié)重新編號，與教材編號不一樣。

定性知識：本課程經(jīng)常使用一些名詞概念，以及對計算機定性認識、分析方法。

定量知識：對計算機性能進行定量評價幾個主要公式。第2頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)31.1.1什么是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)？（P4）別名：計算機體系結(jié)構(gòu)，英文名：ComputerArchitecture（其中Architecture原義是“建筑學(xué)”）學(xué)科定義：提升計算機性能系統(tǒng)理論特點：①綜合性：將硬、軟件統(tǒng)一考慮，整體優(yōu)化，強調(diào)功效效果（因為計算機是一個工具），偏重于硬件；②結(jié)構(gòu)性：與微電子學(xué)飾演角色不一樣，它不研究器件性能，而研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尤其是并行處理結(jié)構(gòu)，即經(jīng)過時間重合分配來縮短程序執(zhí)行時間；③定量性：用數(shù)學(xué)建模方法，盡可能準確地計算各種技術(shù)性能高低。1.1定性知識───幾個基本概念第3頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4實體定義：①廣義定義：使用者必須了解機器外部特征知識②狹義定義：低級語言程序員必須了解機器外部特征知識。（這里“外部特征”特指整個硬件外部特征）（注：速度/運行時間不屬于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因為只看最終運算結(jié)果）透明性概念：使用者能夠不了解知識。（意義：讓一部分技術(shù)透明，可使同一個功效容納各種實現(xiàn)方法）附：“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”學(xué)科定義3個版本①版本1：合理分配硬軟件分工方法；②版本2：程序員必須了解硬件知識；③版本3：提升計算機性能理論。（意義：當前流行主要技術(shù)，都屬于并行處理類型，即經(jīng)過時間重合分布來縮短總執(zhí)行時間。課文各章都表達了這一點）計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)廣義、狹義定義第4頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”狹義定義包含內(nèi)容（P4）1.數(shù)據(jù)表示（硬件能夠直接識別和處理數(shù)據(jù)類型和格式等）；2.尋址方式（包含最小尋址單位、尋址方式種類、表示和地址計算等）；3.存放器組織（包含各種存放器配置數(shù)目和功效定義）；4.指令系統(tǒng)（包含機器指令操作類型和格式、指令間排序方式和控制機構(gòu)等）；5.存放系統(tǒng)（包含編址方式、存放容量、最大編址空間等）；6.中止機構(gòu)（中止源分類管理和中止服務(wù)功效設(shè)計）；7.機器工作狀態(tài)（如管態(tài)、目態(tài)等）定義和切換；8.輸入/輸出子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與管理；9.信息保護伎倆及其實現(xiàn)。第5頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)6第5級專用應(yīng)用語言機器特定應(yīng)用用戶（使用特定應(yīng)用語言）（經(jīng)應(yīng)用程序翻譯成高級語言）第4級通用高級語言機器高級語言程序員（使用通用高級語言）（經(jīng)編譯程序翻譯成匯編語言）第3級匯編語言機器匯編語言程序員（使用匯編語言）（經(jīng)匯編程序翻譯成機器語言、操作系統(tǒng)原語）第2級操作系統(tǒng)語言機器操作系統(tǒng)用戶（使用操作系統(tǒng)原語）（經(jīng)原語解釋子程序翻譯成機器語言）第1級傳統(tǒng)機器語言機器傳統(tǒng)機器程序員（使用二進制機器語言）（由微程序解釋成微指令序列）第0級微指令語言機器微指令程序員（使用微指令語言）（由硬件譯碼器解釋成控制信號序列）圖1.1計算機系統(tǒng)多級層次模型1.1.2計算機系統(tǒng)多級層次模型（P3）第6頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)71.1.3其它主要名詞概念（自學(xué)）[計算機組成]計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯實現(xiàn)。（P5）[計算機實現(xiàn)]計算機組成物理實現(xiàn)。（P5）[計算機系統(tǒng)設(shè)計3種主要方法]：“由下往上”、“由上往下”、“由中間開始”。（P14）[系列機]（P23）[兼容性]（P24）[模擬]（P24）[仿真]（P24）[虛擬機]（P24）[宿主機]（P24）[并行性]求解一個問題若干操作在時間安排上可重合性。第7頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)81.1.4馮.諾依曼（VonNeumann）型機器特點（P22）傳統(tǒng)計算機又稱為馮.諾依曼型機器，它由運算器、控制器、存放器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5部分組成，并含有以下特點：1.以運算器為數(shù)據(jù)流動中樞，以控制器為控制命令中樞；2.存放程序而且執(zhí)行，程序象數(shù)據(jù)一樣能夠修改；3.存放器按地址訪問，線性次序編址；4.程序次序執(zhí)行；5.指令由操作碼與操作數(shù)兩部分組成；6.數(shù)據(jù)用二進制編碼；7.機器由硬件與軟件組成，硬件功效不能改變。第8頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)91.1.5當代計算機系統(tǒng)分類（Flynn分類法，P6）按照指令流和數(shù)據(jù)流多倍性情況把計算機分為：1.單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD---SingleInstructionStreamSingleDataStream）2.單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD---SingleInstructionStreamMultipleDataStream）3.多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD---MultipleInstructionStreamSingleDataStream）4.多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD---MultipleInstructionStreamMultipleDataStream）思索題（不交）：P32，題7，題8，題9。第9頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)101.2定量知識───3個性能公式1.2.1Amdahl定律（加緊經(jīng)常性事件原理，P9）其中：Sn──全局加速比；

To──原執(zhí)行時間（old）；Tn──新執(zhí)行時間（new）；Se──被改進部分局部加速比；

Fe──被改進部分原執(zhí)行時間占原來總時間百分比。第10頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)11Amdahl定律推導(dǎo)第11頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)12Amdahl定律圖形從圖1.2能夠看出，增大Se和Fe對Sn都有提升作用；但當Fe固定時，一味增大Se對Sn作用會越來越不顯著。第12頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)13Amdahl定律意義

Amdahl定律指出，在局部改進力度Se相同情況下，選擇原來最費時間（即Fe最大）工作內(nèi)容作為改進對象，能夠取得最大全局改進效果Sn。

所以能夠認為，Amdahl定律（加緊最費時間事件）是經(jīng)濟學(xué)“爛桶板原理”（木桶最大盛水量由最短桶板決定，要增加木桶盛水量，必須將短木板加長）一個定量化詮釋。第13頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)141.2.2CPI與程序執(zhí)行時間Te（P11）CPI是衡量CPU執(zhí)行指令效率主要指標。讓我們先考慮一個標準測速程序全部執(zhí)行時間Te和其中全部第i種指令累計時間Ti，易知第14頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)151.2.3每秒百萬指令數(shù)MIPS與每秒百萬浮點數(shù)MFLOPS（P11）第15頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)16本章小結(jié)本章從定性知識和定量知識兩個方面介紹計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本概念。相關(guān)重點以下：(1)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)廣義定義與狹義定義（9項內(nèi)容），計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與計算機組成主要分工；(2)計算機系統(tǒng)多級層次模型（6級），以及基于該模型透明性判斷方法；(3)計算機實現(xiàn)、計算機系統(tǒng)設(shè)計主要思緒、模擬、仿真、虛擬機、宿主機、系列機、兼容性、并行性等主要名詞含義；(4)馮.諾依曼型機器7個特點；(5)當代計算機系統(tǒng)分類Flynn法（4類）；(6)Amdahl定律；(7)平均周期數(shù)CPI公式，程序執(zhí)行時間Te公式；(8)每秒百萬指令數(shù)MIPS公式，每秒百萬浮點數(shù)MFLOPS公式。習(xí)題：P33，題12（快20倍就是Se=20），題15，題19。第16頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)17第二章指令系統(tǒng)（P36）本章介紹指令系統(tǒng)設(shè)計中2個最基本內(nèi)容：數(shù)據(jù)表示、操作碼優(yōu)化。2.1數(shù)據(jù)表示[數(shù)據(jù)表示]就是計算機硬件能夠直接識別與處理數(shù)據(jù)類型。人們通常使用數(shù)據(jù)類型有整數(shù)、實數(shù)、邏輯數(shù)（布爾數(shù)）、字符串、隊列、堆棧、鏈表、文件等，它們運算方法各不相同。所謂“硬件能夠直接識別與處理”，指是對該數(shù)據(jù)類型各種運算操作都有對應(yīng)實現(xiàn)硬件電路。硬件不能直接識別與處理數(shù)據(jù)類型就要依據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識編制軟件轉(zhuǎn)化為硬件能處理數(shù)據(jù)類型。下面介紹通用型計算機數(shù)據(jù)表示集合中一個基本組員──浮點數(shù)據(jù)分析與設(shè)計。第17頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)182.1.1浮點數(shù)據(jù)表示（P38，P39）浮點數(shù)據(jù)就是高級語言課程中所說“實型數(shù)”。2.1.1.1浮點數(shù)組成浮點數(shù)組成與人們通常所說“科學(xué)記數(shù)法”非常相同，唯一不一樣是各部分均為有限位數(shù)，以下所表示它主要參數(shù)有8個：

m──尾數(shù)，普通為純小數(shù)，符合規(guī)格化標準（即最高位絕對值不為0），用原碼或補碼表示；

e──階碼，整數(shù)，慣用移碼表示（見下文解釋）；

rm──尾數(shù)基值，簡稱尾基，常見有2進制、8進制、16進制、10進制等，選定以后不變；

re──階碼基值，簡稱階基，當前都采取2，也是選定以后不變；

p──尾數(shù)位數(shù)，未將符號位計入；

q──階碼位數(shù)，未將符號位計入。

mf──尾數(shù)符號，表示數(shù)正負，簡稱數(shù)符；

ef──階碼符號，表示階碼正負，簡稱階符。但對移碼表示來說，這僅僅是額外1位2進制數(shù)，不決定正負。第18頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)19移碼（P41）移碼是一個2進制記數(shù)方法，它真值等于相同編碼無符號數(shù)加上一個指定偏移量d。比如，一樣是2進制編碼000000～111111，看作6位無符號數(shù)時取值范圍是0～63，而看作6位移-10碼取值范圍就是–10～53。以下列圖所表示。移碼是一個有符號數(shù)，但它最高位通常不決定數(shù)正負，不應(yīng)稱為符號位。它獨特之處于于其最小取值2進制編碼是全0，這給機器零判斷和處理電路設(shè)計帶來很大方便。第19頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)202.1.1.2浮點數(shù)機內(nèi)格式（P39）一個浮點數(shù)中每個數(shù)據(jù)尾基rm、階基re都是相同，在設(shè)計運算電路已經(jīng)作為默認值來使用，各個詳細數(shù)據(jù)在存放時只需要存入以下參數(shù)即可：第20頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)212.1.1.3浮點數(shù)性能（P38）浮點數(shù)性能主要用表數(shù)范圍、表數(shù)精度和表數(shù)效率來刻畫，下面分別進行分析。(1)表數(shù)范圍（P39）表數(shù)范圍由這么一些參數(shù)組成：最小負數(shù)、最大負數(shù)、最小正數(shù)、最大正數(shù)、最小絕對值|N|min、最大絕對值|N|max。它們幾何意義能夠在數(shù)軸上表示，以下列圖。圖中陰影部分為浮點數(shù)表數(shù)范圍。依據(jù)浮點數(shù)組成表示式可知，圖2.3中4個邊界值分別由尾數(shù)m、階碼e各自邊界值兩兩組合而成，以下所表示。最大正數(shù)──最大正尾數(shù)/最大階碼；最小正數(shù)──最小正尾數(shù)/最小階碼；最大負數(shù)──最大負尾數(shù)/最小階碼；最小負數(shù)──最小負尾數(shù)/最大階碼。第21頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)22對規(guī)格化浮點數(shù)，尾數(shù)為原碼，階碼為移碼，寫出表數(shù)范圍。（P40）解：因為原碼在數(shù)軸零點兩邊對稱分布，即最大正數(shù)與最小負數(shù)絕對值相等、最小正數(shù)與最大負數(shù)絕對值相等，所以能夠用最小、最大絕對值來描述它分布。首先依據(jù)圖2.2和式2.1以及移碼基本定義，能夠確定絕對值極值表示式：例2.1寫在一起就是：再用階碼偏移量代換式中-d得：第22頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)23能夠代入詳細數(shù)字來幫助了解：第23頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)24顯然它伴隨階碼ek增大而快速增大，即在不一樣區(qū)間里會有不一樣值。表數(shù)精度用最大表數(shù)誤差表示（指相對誤差）。而計算相對誤差之前先要計算絕對誤差。

最大絕對誤差是真實值與可表示值之間可能最大距離，按“舍入法”它等于相鄰兩個可表示值間距1/2，如圖2.4所表示。依據(jù)浮點數(shù)組成式，能夠?qū)懗鋈我粚︵忺cNk與Nk+1之間區(qū)間內(nèi)最大絕對誤差為（為了簡便，可先假設(shè)Nk與Nk+1階碼相同來推導(dǎo)，其實階碼不一樣結(jié)果也一樣）(2)表數(shù)精度（P42）第24頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)25最大相對誤差與階碼e無關(guān)，但與尾數(shù)m值相關(guān)。按相對誤差基本定義，上述區(qū)間內(nèi)最大相對誤差為一樣也不是常數(shù)，各區(qū)間內(nèi)并不一致，只是它受是尾數(shù)影響。為了找到全部區(qū)間中最大（即全局最大相對誤差），我們應(yīng)取分母最小值。從上文已知尾數(shù)取值范圍，這么就能得到第25頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)26(3)表數(shù)效率（P45）定義：此式說明效率之所以低于100%，是因為規(guī)格化尾數(shù)最高位m1只能有rm-1種取值緣故。能夠看出，

極小值與極大值分別是[隱藏位技術(shù)]是一個提升表數(shù)效率方法，但僅適合用于rm=2情況：尾數(shù)最高位m1

在二進制條件下只有0和1兩種可能，按照規(guī)格化要求，m1可由其它位推出，。“隱藏”了m1之后，尾數(shù)只存放后面p-1位，它們中任一位都有rm種取值，所以表數(shù)效率η=100%。第26頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)272.3指令格式優(yōu)化（P90）2.3.2操作碼優(yōu)化當前慣用編碼方法有3種：定長編碼，Huffman編碼，擴展編碼。2.3.2.1定長編碼就是全部指令使用相同代碼位數(shù)，其最小碼長等于式中是平均碼長，是第i種指令碼長，n是指令總數(shù)。例2.2已知n=15，求定長編碼最小平均碼長。解：第27頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)282.3.2.2Huffman壓縮編碼（P91）(1)Huffman壓縮概念（最正確編碼定理）：當用n個長度不等代碼分別代表n種發(fā)生概率不等事件時，按照短代碼給高概率事件、把長代碼給低概率事件標準分配，可使平均碼長到達最低。(2)Huffman編碼方法

這種編碼方法由兩個過程組成。 頻度合并：將全部n個事件（在此即為n條指令）頻度值排序，選取其中最小2個頻度合并，然后將剩下n-1個頻度再次排序，再合并最小2個頻度，如此重復(fù)，直至剩下1個頻度為止。統(tǒng)計全部合并關(guān)系，形成一棵二叉樹──Huffman樹，全部原始頻度值充當樹葉，而最終剩下總頻度1為樹根； 碼元分配：從樹根開始，對每個中間結(jié)點左右2個分支邊各賦予一位代碼“0”和“1”（“0”在哪一側(cè)不限）。讀出從根結(jié)點到任一片樹葉路徑上依次出現(xiàn)代碼位就排成了這個事件（即指令）完整編碼。因為頻度高事件較晚被合并，它編碼位數(shù)也就較少，符合Huffman壓縮標準。上面所說頻度值就是各事件實際出現(xiàn)次數(shù)百分比，它是理論出現(xiàn)概率近似值。第28頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)292.3.2.3擴展編碼方法（等長擴展法，P93）用碼長表示：比如4-8-12法。這并不能說明詳細編碼方法，例以下面兩種編碼方法都是4-8-12法。用碼點數(shù)表示：比如15/15/15法，8/64/512法15/15/15法，每一個碼長都有4位可編碼位（前頭能夠有相同擴展標識前綴），可產(chǎn)生16個碼點（即編碼組合），不過至多只能使用其中15個來表示事件，留下1個或多個碼點組合作為更長代碼擴展標識前綴。已經(jīng)用來表示事件碼點組合不能再作為其它更長代碼前導(dǎo)部分，不然接收者會混同。這就是“非前綴標準”。8/64/512法，每一個碼長按4位分段，每一段中最少要留下1位或多位作為擴展標識。各段剩下可編碼位一起編碼，所產(chǎn)生碼點用來對應(yīng)被編碼事件。每一段中標識位指出后面還有沒有后續(xù)段。第29頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)30以3-6-9位為例36bit目標：平均碼長最小化33bit平均碼長=P1l1+P2l2+……+P84l8430bit27bit24bit21bit18bit15bit12bit9bit6bit3bit7/7/7法碼長分布7條7條7條7條7條7條7條7條7條7條7條7條9bit6bit3bit4/16/64法碼長分布4條16條64條指令頻度分布懸殊

P1

……P84指令頻度分布均勻

P1

……P84兩種等長擴展碼適用性比較第30頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)312.3.2.4編碼方法性能指標（P91-P93）信息量：依據(jù)信息論基本知識，在n種可能發(fā)生事件集合中，匯報第i種事件發(fā)生消息中包含信息量為其中Pi是第i種事件發(fā)生先驗概率，a是編碼基值。信息量單位是表示位數(shù)（最少所需位數(shù)）。這個定義式表明事件發(fā)生概率越低，關(guān)于它消息中信息量越大。熵（entropy）──平均信息量：一個消息源對n種事件公布消息信息量平均值，記為第31頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)32平均碼長：各事件編碼長度數(shù)學(xué)期望。信息冗余量：它表明消息編碼中“無用成份”所占百分比。從降低存放與傳輸量角度看，編碼方法平均碼長越短越好。不過平均碼長不可能無限制縮短，它下限就是熵（即R=0時）。假如短于熵就一定會丟失有用信息（即混同不一樣指令），這是不允許。第32頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)33例2.3已知頻度序列為0.1，0.1，0.15，0.15，0.2，0.3，求Huffman編碼、等長擴展3/3/3碼、定長編碼、三者平均碼長、信息冗余量以及熵。

解：

熵H=–(2×0.1×log20.1+2×0.15×log20.15+0.2×log20.2+0.3×log20.3)

≈2.47

依據(jù)Huffman編碼方法作Huffman樹如圖2.5所表示，三種編碼方法結(jié)果列于表2.1中。第33頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)34表2.1Huffman編碼、等長擴展3/3/3碼及定長編碼第34頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)352.3.3操作數(shù)優(yōu)化───尋址方式比較（P95）指令中操作數(shù)占用位數(shù)由操作數(shù)個數(shù)與尋址方式?jīng)Q定。按操作數(shù)個數(shù)劃分，有零操作數(shù)指令、一操作數(shù)指令、二操作數(shù)指令、三操作數(shù)指令共四種形式。應(yīng)該按機器用途來選擇（P99，表2.20）?？s短操作數(shù)長度慣用方法是間址和變址（P99頁末）。第35頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)36本章主要內(nèi)容有數(shù)據(jù)表示和操作碼優(yōu)化兩個部分。詳細細節(jié)以下：(1)浮點數(shù)表數(shù)范圍（在數(shù)軸上4個端點）、表數(shù)精度

、表數(shù)效率

；(2)Huffman編碼方法；(3)等長擴展編碼方法（15/15/15法，8/64/512法）；(4)編碼方法性能指標（熵H，平均碼長L，信息冗余量R）。習(xí)題：P124，題3（忽略P124倒1行~P125第8行文字），題13。本章小結(jié)第36頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)37第三章存放系統(tǒng)（P130）

MemoryHirarchy長久存在問題：在合理總價格限制下，單純性主存設(shè)備速度跟不上CPU發(fā)展，容量不能滿足軟件尺寸擴大。本章學(xué)習(xí)兩種提升主存系統(tǒng)性能/價格比結(jié)構(gòu)化方法：并行存放器與存放層次技術(shù)。后者為主。第37頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)383.1并行存放器（P136）并行存放器技術(shù)能夠提升主存系統(tǒng)整體等效速度，實際應(yīng)用中，常將它與存放層次技術(shù)組合使用，能夠互為補充，取得很高性能。并行存放器技術(shù)基本思想是用多個獨立存放部件組成主存系統(tǒng)，讓它們并行工作，在一個存放周期內(nèi)能夠訪問到多個數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)較高存取流量。并行存放器包含各種類型，我們僅介紹提升訪問速度效果最顯著低位交叉訪問這一個。第38頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)39低位交叉訪問并行存放器結(jié)構(gòu)：它由n個存放體組成（普通n為2整次冪），每個體都有獨立地址譯碼器和數(shù)據(jù)緩沖器，以主存地址低位字段（最低log2n位）作為體選譯碼信號，而剩下高位字段則是體內(nèi)地址。如圖所表示（設(shè)n=4）。第39頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)40主存地址與結(jié)構(gòu)參數(shù)換算（P139）：其中：n──存放體個數(shù)，A──主存地址，

j──體內(nèi)地址，k──體序號（k=0，1，2，…，n-1）例3.1已知n=4，問主存地址13是在幾號體幾號單元？解：因為n=4，體選譯碼信號使用主存地址最低log2n=2位，所以地址13（其二進制為1101B）對應(yīng)體號k=1（即01B）、體內(nèi)地址j=3（即11B），也就是說，地址13位于1號體3號單元（參看前一頁插圖）。 依據(jù)上式，全部k值（即體號）相同地址之間均相差n整倍數(shù)，稱之為“模n同余”。第40頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)41低位交叉訪問并行存放器加速機理：我們衡量存放器件速度慣用指標是存放周期Tm，它是同一存放單元連續(xù)兩次開啟最小時間間隔，數(shù)值越小表明存放器件速度越快。傳統(tǒng)存放系統(tǒng)只有一套地址譯碼器和數(shù)據(jù)緩沖器，所以各單元必須串行工作，也就是說每個Tm周期內(nèi)至多只能完成一次訪問。由多個存放體組成并行存放器中，各個存放體都有獨立地址譯碼器和數(shù)據(jù)緩沖器，它們能夠并行工作，使得一個Tm周期內(nèi)可完成屢次訪問，相當于加速了多倍。最好情況下一個Tm周期內(nèi)可完成n次訪問。當前Tm周期中只要發(fā)覺有一個新訪問地址與前面地址屬于同一個存放體，該地址及其后面地址就會被阻塞（稱為訪存沖突）,留到下一個Tm周期訪問。機器地址序列經(jīng)常含有次序性，按照低位交叉規(guī)律分配地址可使相繼出現(xiàn)地址落在相同存放體概率降到最低（參見上圖）?？紤]到地址總線與數(shù)據(jù)總線擁擠問題，一個Tm周期里發(fā)送多個訪問請求最好彼此錯開Tm/n時間，如P140圖3.11所表示，不然實現(xiàn)復(fù)雜度會增加。第41頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)42

Kg=010.0g=0.24.463.682.00g=0.51.00g=10110n計算平均加速倍數(shù)（P141）：1.只考慮取指地址序列（假設(shè)地址次序遞增，直至出現(xiàn)一條轉(zhuǎn)移指令）：其中g(shù)是指令序列中出現(xiàn)轉(zhuǎn)移指令概率。此公式在右圖中用綠線表示。2.只考慮取數(shù)地址序列（假設(shè)地址完全隨機）此公式在右圖中用紅線表示。第42頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)43例題：P203，題5第43頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)443.2存放層次原理及性能指標3.2.1基本原理定義：（參見P131第二段）由2種或各種存放部件組成復(fù)合存放系統(tǒng)，經(jīng)過內(nèi)部管理機構(gòu)自動更換機制，能夠不停將大容量低速存放部件中活躍內(nèi)容復(fù)制到小容量高速存放部件中（后者作為前者局部副本）。它既能滿足CPU快速存取需要，又有很大存放容量，平均單位價格也很低，等效于同時滿足3方面要求理想單一存放部件。依據(jù)：程序訪問局部化原理（時間局部化，空間局部化）。模型：如右圖所表示，存放層次由n層組成，滿足3個不等式：Ti<Ti+1，ci>ci+1，Si<Si+1。第44頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)453.2.2性能指標（P132-P134）(1)容量：S=S2（理論上）(2)單價：（美分/bit）第45頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)46(3)速度：表現(xiàn)訪問速度參數(shù)很多命中率：反應(yīng)被訪問數(shù)據(jù)事先已在M1發(fā)生概率等效訪問時間：命中時訪問時間為T1，不命中時訪問時間為T2，等效訪問時間則是它們概率均值第46頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)47訪問效率：這是一個相對值，便于不一樣系統(tǒng)之間比較。訪問效率e受H和r影響（參見右圖）：第47頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)48

Cache預(yù)取技術(shù)對命中率提升作用（P134）：這里所說“預(yù)取”技術(shù)，并不是依據(jù)對程序執(zhí)行未來趨勢進行猜測以提前調(diào)入數(shù)據(jù)，而僅僅是在發(fā)生不命中情況時把調(diào)入1個數(shù)據(jù)字改為調(diào)入1個數(shù)據(jù)塊策略。依據(jù)程序局部化原理，離當前使用數(shù)據(jù)較近處數(shù)據(jù)未來被使用幾率大于較遠處數(shù)據(jù)，所以該數(shù)據(jù)塊中被提前調(diào)入鄰近數(shù)據(jù)很有可能成為未來命中點，從而提升命中率。采取這種預(yù)取技術(shù)后新命中率為其中：H──原命中率（即按照不命中時取入1字策略）；

H’──新命中率（即按照不命中時取入1塊策略）；

n──每塊數(shù)據(jù)內(nèi)實際被訪問數(shù)據(jù)個數(shù)，即非重復(fù)數(shù)據(jù)訪問次數(shù)。（注：教材定義n為塊內(nèi)數(shù)據(jù)個數(shù)與每個數(shù)被重復(fù)訪問次數(shù)乘積，即每塊數(shù)據(jù)被訪問總次數(shù)，這是不正確。見下文例題證實。）第48頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)49設(shè)N──每塊數(shù)據(jù)被訪問總次數(shù)，n──每塊數(shù)據(jù)內(nèi)實際被訪問數(shù)據(jù)個數(shù)。不預(yù)取時，塊內(nèi)任何數(shù)據(jù)第一次訪問都不命中，而全部重復(fù)訪問都命中，所以有 ，也就是 ……(1)預(yù)取時，該塊只有第一次訪問不命中，其后全部訪問都命中，所以又有 ，也就是 ……(2)由(1)式可推出 ……(3)將(3)式代入(2)式，得到，公式成立。H’推導(dǎo)：第49頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)50對H’公式了解預(yù)取策略在訪問塊內(nèi)第一個數(shù)據(jù)時將其它數(shù)據(jù)一同調(diào)入，也就是對其它數(shù)據(jù)提前調(diào)入。假如n=1，表示提前調(diào)入其它數(shù)據(jù)并不使用，命中率不會因它們提前調(diào)入而提升，所以H'=H；

假如n>1，表示塊內(nèi)最少還有一個數(shù)據(jù)要被訪問，在訪問第一個數(shù)據(jù)時將它提前調(diào)入，會使它第一次訪問由不命中變成命中，所以H'>H。第50頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)51教材P1343.1.1節(jié)末尾有一個例子，已知塊大小為4個字，每個數(shù)據(jù)使用次數(shù)為5。先直接計算命中率，不預(yù)取時每個數(shù)據(jù)頭1次訪問不命中，后4次訪問都命中，所以命中率 ，而預(yù)取時只有第一個數(shù)據(jù)第1次訪問不命中，后面19次訪問都命中，所以命中率 。再經(jīng)過公式計算命中率，教材上取n=20，算出 ，而 。這顯然是不正確。假如取n=4，一樣算出H=0.8，而。與直接計算結(jié)果相符，才是正確。例題分析第51頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)52加速比（P193）

Cache-主存層次主要作用是提升訪問速度，系統(tǒng)等效速度應(yīng)高于主存（即M2）原有速度，兩個速度之比稱為加速比。第52頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)53

M1103BT1=1us103B

M2106BTB2=10usM3109BTB3=100us109B(a)(b)例3.2有一個109字節(jié)程序被裝入右圖所表示M3準備運行。假定指令字長=1字節(jié)，程序中無轉(zhuǎn)移指令和內(nèi)存讀/寫指令。(1)按圖(a)求T和e；增加中間層對e影響(2)按圖(b)推導(dǎo)三層體系T公式；(3)按圖(b)求T和e；(4)比較(1)(3)結(jié)果，有何結(jié)論？第53頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)54解：第54頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)55習(xí)題：P202，題3。第55頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)56存放層次管理方式(P148)依據(jù)程序局部化性質(zhì)，存放層次機構(gòu)對用戶文件管理應(yīng)該劃分成較小基本調(diào)度單位來進行。依劃分標準不一樣，存在3種存放層次管理方式。(1)段式管理(P148)。段是程序中一個邏輯單位，能夠是一個程序模塊，或者是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。段長度不一，但段內(nèi)全部數(shù)據(jù)信息屬性普通是相同，便于統(tǒng)一進行信息保護。每段使用獨立邏輯地址空間，即都從0開始計算地址。段式管理方法主要缺點是各段長短不一，調(diào)進調(diào)出之后輕易形成大量不規(guī)則零碎空間。段式管理方法虛實變換算法是查段表(P150)。課堂討論題：P203，題11（復(fù)習(xí)段頁式管理）。第56頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)57(2)頁式管理(P151)。頁是系統(tǒng)要求固定長度單位。按頁劃分用戶文件能夠防止上述零碎空間浪費。我們把用戶文件劃分得到一個長度單位稱為“虛頁”，因為它頁號是在虛地址空間中編排；實地址空間按頁大小劃分得到一個長度單位稱為“實頁”。頁式管理方法主要缺點是按固定長度分出來同一頁內(nèi)常有不一樣屬性信息，不便于信息保護實現(xiàn)。頁式管理方法虛實變換算法是查頁表(P152)。(3)段頁式管理(P153)。它把上述兩種管理方式結(jié)合起來，首先將整個文件分段，然后在各段內(nèi)分頁，所以有一個段表和若干個頁表。其虛實變換算法是先查段表，查出該段頁表起始地址再查對應(yīng)頁表(P154)。段頁式管理主要缺點是多查一次表，虛實變換費時較多，占用空間也較大。因為段頁式管理方法最小調(diào)度單位仍是頁，或者說它是分段之后分頁管理，為了敘述簡單，下面分析還是以頁式管理為模型。第57頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)583.3地址映象與變換(P174)基本術(shù)語：邏輯地址（又稱為相對地址、虛地址）是程序員在編寫和編譯一個程序模塊時分配指令和數(shù)據(jù)空間單位序號，總是從0開始（能夠按字節(jié)編址、按CPU字編址等）。邏輯地址取值范圍稱為邏輯地址空間、虛空間或虛存。物理地址（又稱為絕對地址、實地址）是任一級存放器為全部存放單元分配序號。物理地址取值范圍稱為物理地址空間、實空間或?qū)嵈妗腗1到Mn各層都有自己物理地址空間，而對當前執(zhí)行程序模塊來說，邏輯地址空間只有一個。地址映象方式指是虛頁集合與實頁集合對應(yīng)規(guī)則，或者說是約束關(guān)系。地址變換（又叫虛實變換）指邏輯地址到物理地址變換過程或者算法。頁失效指當前被訪問存放級中沒有所需信息，也就是不命中現(xiàn)象。實頁爭用又叫實頁沖突，指虛頁調(diào)入時，依據(jù)地址映象方式劃定實空間范圍內(nèi)已沒有空閑實頁情況。第58頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)59相聯(lián)目錄表技術(shù)1.頁表占用空間過大問題頁表必須存放在實存M1里。實際上，命中情況下訪存時間等于查表時間加上訪問目標數(shù)據(jù)時間，所以頁表不能放在M2。頁表占用空間=頁表行數(shù)×每行寬度其中，頁表行數(shù)=虛存容量/頁面大小以PC機為例，頁表行數(shù)≥60G/4K=236/212=224

≈1600萬！按每行寬度6字節(jié)估算約需96MB。降低頁表空間思緒分降低行數(shù)和降低行寬兩類。2.相聯(lián)目錄表方法（P158）僅保留頁表中已裝入虛頁統(tǒng)計。為防止逐行比對，利用相聯(lián)存放器存放此表，它含有并行比較功效，但價格遠高于普通存放器。3.快慢表方法（P159）4.經(jīng)過地址映象降低行寬以下文所表示第59頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)604種常見地址映象方式3.3.1全相聯(lián)(P174)全相聯(lián)就是無約束對應(yīng)，或者說是一個完全關(guān)系，意思就是一個虛頁能夠調(diào)入任何一個實頁。這種關(guān)系可用下頁示意圖(a)、(b)表示。全相聯(lián)虛實變換信息完全來自于變換表，查表過程如圖(c)所表示。全相聯(lián)映象方式使虛頁調(diào)入有最大選擇范圍，發(fā)生實頁爭用可能性最小，調(diào)入/調(diào)出操作開銷也最少，有利于命中率提升。但這種方式頁表占用空間和查表時間開銷都比較大,也就是說實現(xiàn)成本比較高，在命中情況下花費在虛實變換上時間也比較多。因為頁表必須常駐在實存中，而主存-輔存層次實存（即主存）相對Cache-主存層次實存（即Cache存放器）要低廉一些，所以全相聯(lián)映象方式普通用于主存-輔存層次。第60頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)61全相聯(lián)地址映象方式與地址變換原理示意圖(a)(b)第61頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)62全相聯(lián)地址映象方式與地址變換原理示意圖(c)第62頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)633.3.2直接相聯(lián)(P176)直接相聯(lián)是一個最強約束關(guān)系，它要求每個虛頁只對應(yīng)唯一實頁。為了便于虛實變換，用求模運算作為變換關(guān)系式：將虛頁號對實頁總數(shù)求模得到實頁號。實現(xiàn)起來非常簡單，因為在二進制中，任何數(shù)X對2整次冪n求模等價于截取X最低log2n位，以下頁示意圖(c)所表示。例3.3已知虛頁號=7，實頁總數(shù)=4，用直接相聯(lián)求實頁號。解：可用十進制形式求：7mod4=3；也可用二進制形式求：因為n=4，所以log2n=2，取7二進制形式111B最低2位，得11B，即3。直接相聯(lián)映象方式不需要借助頁表來進行虛實變換，顯然大大節(jié)約了對應(yīng)空間與時間（當然頁表中裝入位和修改位還得保留），不過因為每個虛頁選擇范圍太小，實頁爭用發(fā)生頻率較高，常出現(xiàn)明明實存有空閑空間卻不得不調(diào)出一個現(xiàn)有虛頁以騰出所在實頁情況，這使系統(tǒng)命中率和運行效率大大下降。這種映象方式主要用于一些對實存價格非常敏感Cache-主存層次。第63頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)64直接相聯(lián)地址映象方式與地址變換原理第64頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)653.3.3組相聯(lián)(P178)組相聯(lián)映象方式是全相聯(lián)與直接相聯(lián)一個折中方案，性能也是二者折中。詳細做法是先將實存分組，每組內(nèi)有若干實頁，然后將虛存空間也以一樣大小分組。全部虛組按照直接相聯(lián)方式映射到實組集合，對應(yīng)虛實組之間各頁則用全相聯(lián)映射，以下頁示意圖(a)、(b)所示（設(shè)實組數(shù)為2）。因為包含了兩層不一樣映射關(guān)系，頁表須按虛組劃分成許多子表。在虛實變換時，首先依據(jù)虛頁號所在虛組號，經(jīng)過求模運算確定實組號，再按虛組號在對應(yīng)子表內(nèi)讀出組內(nèi)頁號，拼接在一起就是實頁號。簡記為“組號計算、組內(nèi)查表”。如圖(c)所表示。采取組相聯(lián)映象方式時，每個虛頁在對應(yīng)實組范圍內(nèi)有若干映象實頁可供選擇，實頁爭用發(fā)生頻率比直接相聯(lián)要低；另首先，因為頁表內(nèi)原來存放實頁號改成存組內(nèi)頁號，省略了實組號字段，所以頁表占用空間也降低了。當然這兩方面優(yōu)點是相互抵觸：組內(nèi)頁數(shù)越多，實存空間劃分組數(shù)就越少，實組號字段所占位數(shù)也少，這時改進實頁爭用現(xiàn)象效果很好，而節(jié)約頁表空間效果較差，反之亦然。實際使用中可依據(jù)性能要求選取適當參數(shù)。這種映象方式性價比很好，在Cache-主存層次中被普遍使用。第65頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)66組相聯(lián)地址映象方式與地址變換原理(a)(b)第66頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)67組相聯(lián)地址映象方式與地址變換原理(c)第67頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)683.3.4段相聯(lián)(P184)段相聯(lián)映象方式也是全相聯(lián)與直接相聯(lián)一個折中方案。它分段方法與組相聯(lián)相同，不一樣是全部虛段按照全相聯(lián)方式映射到實段集合，對應(yīng)虛實段之間各頁則用直接相聯(lián)映射（因為虛實段大小相同，所以實際上是一一對應(yīng)），以下頁示意圖(a)、(b)所表示（設(shè)實段數(shù)為2）。段相聯(lián)虛實變換與組相聯(lián)類似，不過能夠經(jīng)過計算來確定部分不是在段外，而是在段內(nèi)，即頁表內(nèi)只儲存各虛頁對應(yīng)實段號，段內(nèi)頁號則從虛頁號中簡單直接復(fù)制，拼接在一起就是實頁號，簡記為“段號查表、段內(nèi)復(fù)制”。如圖(c)所表示。段相聯(lián)映象方式虛實段內(nèi)頁號對應(yīng)關(guān)系是固定，每個虛頁在調(diào)入時能夠選擇只是實段號。因為虛實段大小相同，所以虛段號比實段號位數(shù)多，也就意味著“多→少”映射（組相聯(lián)是等量映射），其實頁爭用發(fā)生頻率比組相聯(lián)要高。在節(jié)約頁表存放空間方面，性能與組相聯(lián)差不多。第68頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)69段相聯(lián)地址映象方式與地址變換原理(a)(b)第69頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)70段相聯(lián)地址映象方式與地址變換原理(c)第70頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)71多用戶虛地址格式在多用戶或多進程并發(fā)環(huán)境下，因為機器中同時保留并交替運行多個程序模塊，各模塊中相同虛頁號會發(fā)生混同。這時從CPU發(fā)出虛地址還需要在前面拼接上一個“當前用戶號”字段，形成“多用戶虛地址”，以下列圖所表示(參見P154)。

在虛實變換時，上面所說各種查表操作之前還得先去查一個“段表基址存放器組”或“頁表基址存放器組”小表格(P150，P152)，確定現(xiàn)在該查哪一張段表或頁表。這個小表格建立在CPU里，讀寫時間很短。第71頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)723.4替換算法(P164)上面所講地址映象方式是在虛頁調(diào)入時“選址”規(guī)則，而地址變換方法則是命中時取得實地址伎倆。不命中時需要增加操作就是首先調(diào)出一頁，調(diào)出之后再調(diào)入稱為“替換”。替換算法要處理是選擇調(diào)出對象問題。替換算法目標是在發(fā)生實頁爭用（即依據(jù)地址映象方式，將要調(diào)入虛頁被允許進入全部實頁均被其它虛頁占用）時，選擇未來不太可能使用或者使用最晚虛頁作為調(diào)出對象，以騰出一個實頁來。第72頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)733.4.1幾個慣用替換算法(P164)(1)隨機算法RAND──在比較范圍內(nèi)任取一頁作為淘汰頁；(2)先進先出算法FIFO──在比較范圍內(nèi)選取調(diào)入最早一頁作為淘汰頁；(3)最不經(jīng)常使用算法LFU──在比較范圍內(nèi)選取最近一個單位時間內(nèi)使用次數(shù)最少一頁作為淘汰頁；(4)最不靠近使用算法LRU──在比較范圍內(nèi)選取最終一次使用離現(xiàn)在最久一頁作為淘汰頁；(5)最優(yōu)替換算法OPT──在比較范圍內(nèi)選取下一次使用時間離現(xiàn)在最久一頁作為淘汰頁。第73頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)74從LFU到LRU近似邏輯推理：近期最少使用LFU→最近一個單位時間內(nèi)使用次數(shù)最少→相鄰兩次使用平均間隔時間最大→上次使用時間離現(xiàn)在最久→最久沒有使用LRU偶然偏差：使用稀疏頁面有可能恰巧剛才用過，離現(xiàn)在更近。統(tǒng)計性能：“現(xiàn)在”離“上次”使用時間平均距離，應(yīng)為相鄰兩次使用時間距離1/2，所以大多數(shù)情況下LRU與LFU判斷結(jié)論應(yīng)該是一致。第74頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)75算法模擬：實存情況圖(P166圖3.32)以下依次是FIFO、LRU、OPT算法，其中*號表示被選中淘汰頁第75頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)76比較：LRU與OPT對稱性算法：LRU選擇"過去"末次訪問離現(xiàn)在最遠，OPT選擇"未來"首次訪問離現(xiàn)在最遠。第76頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)773.5虛擬存放器與Cache特點(P146，P172)虛擬存放器與Cache主要區(qū)分 (P173表3.4)

Cache主要組成與工作流程 (P173圖3.38)第77頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)78本章小結(jié)(1)并行存放系統(tǒng)原理；(2)存放層次原理及5項性能指標；(3)存放層次3種管理方式；(4)4種地址映象與地址變換方式；(5)5種替換算法；(6)堆棧型替換算法；(7)主存-輔存層次與Cache-主存層次特點；(8)實存情況圖、堆棧模擬圖（2種分析工具）。習(xí)題：P202，題3，題19(3)(4)(6)(8)。第78頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)79第四章輸入輸出系統(tǒng)（P208）

輸入輸出系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中實現(xiàn)各種輸入輸出任務(wù)資源總稱。它包含各種輸入輸出設(shè)備、相關(guān)管理軟件等等。因為輸入輸出設(shè)備特殊工作性質(zhì)使其數(shù)據(jù)吞吐率通常遠低于主機，設(shè)計輸入輸出系統(tǒng)就是要建立數(shù)據(jù)交換最正確方案，使雙方都能高效率地工作。本章重點是中止優(yōu)先級管理、通道流量設(shè)計。第79頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)804.1基本輸入輸出方式(P212)4.1.1程序控制I/O方式4.1.2中止I/O方式4.1.3DMA方式4.1.4通道方式4.1.5I/O處理機方式第80頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)814.2中止優(yōu)先級管理(P219)中止是為實時任務(wù)優(yōu)先取得處理機資源而采取一個調(diào)度技術(shù)，當系統(tǒng)中存在多個中止源時必須依據(jù)實時性強弱設(shè)定優(yōu)先次序，這也被稱為中止分級。為了兼顧中止響應(yīng)時效與配置靈活，通常采取兩套機制結(jié)合組成中止優(yōu)先序管理體系。(1)硬件響應(yīng)優(yōu)先序：未被屏蔽幾個中止源同時提出申請時，CPU選擇服務(wù)對象次序。它由硬件電路實現(xiàn)，用戶不能修改。如P226圖4.11所表示。(2)軟件服務(wù)優(yōu)先序：在各中止服務(wù)程序開頭，用軟件設(shè)置自己中止屏蔽字（在主程序中也設(shè)置）。以此改變實際服務(wù)次序(P230)。比如某個硬件響應(yīng)優(yōu)先級高中止源，其中止服務(wù)程序執(zhí)行中屏蔽了本身，而開放了某個硬件響應(yīng)優(yōu)先級比它低中止源，后者就能夠在前者剛開放中止時就打斷它，從而在實際上先得到服務(wù)。中止服務(wù)過程示意圖如P231圖4.14所表示。因為常規(guī)用戶主程序?qū)μ幚頇C需求緊迫性最低，所以它中止屏蔽字是“全部開放”。(3)實例分析：屏蔽字表、中止服務(wù)過程圖。例4.1（P230倒數(shù)第8行開始）第81頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)824.3通道處理機(P233)(1)定義：通道處理機（簡稱"通道"）是隸屬于主處理機輸入輸出專用協(xié)處理機。(2)特點：有一套輸入輸出功效很強專用指令系統(tǒng)；與主處理機共享主存，存放對應(yīng)程序和數(shù)據(jù)；一個通道能夠連接多臺外部設(shè)備；主處理機可用"開啟I/O"指令來開啟一個通道；當通道訪存與主處理機沖突時，存控部件賦予通道較高優(yōu)先權(quán)；通道程序執(zhí)行完成自動轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，同時向主處理機發(fā)出一個特定中止申請，通知該事件。(3)地位：隸屬于主處理機。第82頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)83字節(jié)多路通道：以字節(jié)為單位交叉為多臺設(shè)備傳輸。子通道概念。選擇通道：完成一臺設(shè)備全部傳輸再去為另一臺設(shè)備服務(wù)。數(shù)組多路通道：以數(shù)組為單位交叉為多臺設(shè)備傳輸。(5)通道傳輸過程實際有效工作時間(P241，其中P是設(shè)備臺數(shù))：字節(jié)多路通道： ，其中n是單臺設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸量；選擇通道：數(shù)組多路通道： ，其中k是塊尺寸， 。(4)分類(P238)：第83頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)84(6)通道流量分析(P243)：通道最大能力流量：第84頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)85通道實際最大負荷流量：通道正常工作條件：第85頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)86實例分析：通道時間關(guān)系圖例4.2（P243倒數(shù)第2行開始）第86頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)874.4I/O處理機(P245)定義：有獨立內(nèi)存和操作系統(tǒng)I/O專用計算機。第87頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)88本章小結(jié)(1)5種I/O方式；(2)中止優(yōu)先級管理（屏蔽字表、中止服務(wù)過程圖）；(3)3種通道處理機特點；(4)3種通道最大能力流量；(5)3種通道實際最大負荷流量；(6)通道正常工作條件；(7)通道時間關(guān)系圖（字節(jié)多路通道）；習(xí)題：P250，題5，題8。第88頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)89第五章標量流水線技術(shù)(P253)

Pipeline本章學(xué)習(xí)標量計算機上使用流水加速技術(shù)。主要內(nèi)容有流水技術(shù)分類、流水線性能指標計算、非線性流水線調(diào)度算法。標量計算機指只能直接進行標量運算計算機，與能夠直接進行向量運算向量計算機相對應(yīng)。流水處理方式特征，是讓多個依次開啟任務(wù)，盡可能同時使用系統(tǒng)不一樣部件，經(jīng)過時間重合來提升處理速率。這種技術(shù)理論上不增加成本。標量計算機上使用流水加速技術(shù)屬于指令級并行技術(shù)。每條指令處理過程，能夠劃分為取指、譯碼、取數(shù)、運算、送結(jié)果5個子過程，也能夠分得更細或更粗一些。劃分標準是各部分時間長度大致相等、并使用CPU中不一樣部件，這么才有利于多任務(wù)重合處理。第89頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)905.2流水處理與邏輯相關(guān)概念

CPU中各個部件按流水處理次序連接起來，就稱為一條流水線。5.2.1流水線工作原理

處理機解釋程序方式有次序方式、重合方式、流水方式等。次序方式是解釋完一條指令再開始解釋下一條(P254)；流水方式是把一個重復(fù)過程分解為若干個子過程，每個子過程能夠與其它子過程同時進行，以此提升單位時間內(nèi)解釋指令數(shù)目(P277)；重合方式是一個簡單流水方式，它把指令分成2個子過程，每條指令只與下一條指令相重合(P255)。第90頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)91流水線結(jié)構(gòu)圖(P278)第91頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)92流水線工作時空圖(P278—P279)第92頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)935.2.2邏輯相關(guān)(P263-276)相關(guān)定義：(P263倒數(shù)第4段)一條指令必須等候前一條指令解釋完成才能開始解釋。相關(guān)分類及其對策1.全局性相關(guān)/局部性相關(guān)(P312、P269/P263、P303)；2.指令相關(guān)/數(shù)相關(guān)(P264/P263)；3.主存數(shù)相關(guān)/存放器數(shù)相關(guān)(P265/P266)；4.數(shù)值相關(guān)/變址值相關(guān)(P266/P268)。第93頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)945.3流水技術(shù)分類(P280)線性/非線性(P280)：部件級/處理機級/處理機間級（宏流水線）(P281)：單功效/多功效(P282)：靜態(tài)/動態(tài)(P283)：標量/向量(P285)：同時/異步(P285)：次序/亂序(P285、P304)：第94頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)955.4.1吞吐率TP(P285)

吞吐率（TP───ThroughPut）指流水線在單位時間內(nèi)執(zhí)行任務(wù)數(shù)，能夠用輸入任務(wù)數(shù)或輸出任務(wù)數(shù)表示。 ，其中k表示流水線劃分段數(shù)。當滿足 條件時，有 。5.4線性流水線性能分析(P285)第95頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)96其中5.4.2加速比(即吞吐率之比，P288)第96頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)97段效率： ， 各段平均效率：其中表示第i段設(shè)備量占整條流水線全部設(shè)備量百分比。當滿足 條件（即"等長"、"等權(quán)"）時，有：5.4.3效率（設(shè)備利用率，P289）上式指出，S=E×k，就是說當效率到達100%時，流水方式（一個任務(wù)/Δt）吞吐率為次序方式（一個任務(wù)/(k×Δt)）k倍。第97頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)98例5.1(P292)分析：已知以下表示式，有相關(guān)，單功效，k=4，n=7。要求最少相關(guān)，用“二叉樹算法”以降低相關(guān)。

Z=A+B+C+D+E+F+G+H ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦時空圖和算式見P293。5.4.4實例分析(P292)第98頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)99例5.2(P293)分析：已知以下表示式，二功效，有切換，有相關(guān)，k=8，n=7。要求用最少切換、最少相關(guān)算法。

Z=A

B+C

D+E

F+G

H乘法： ① ② ③ ④加法： ⑤ ⑥加法： ⑦時空圖和算式見P293-P294。第99頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)100(1)瓶頸：瓶頸就是Δti最大段，它使流水線“流速”減慢（P287圖5.37）。

S1 S2 S3 S4

Δt 3Δt Δt Δt(2)方法1：再細分───將瓶頸設(shè)備再細分為下一級流水線（P287圖5.38）。

S1 S2a S2b S2c S3 S4

Δt Δt Δt Δt Δt Δt(3)方法2：并行設(shè)置───將瓶頸設(shè)備重復(fù)設(shè)置多套，輪番接收任務(wù)（P288圖5.39）。

S2a

3Δt S1 S2b S3 S4

Δt 3Δt Δt Δt S2c注意兩種方法時空圖不一樣。 3Δt5.4.5“瓶頸”問題及其處理方法(P286-P288)第100頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)101對“設(shè)備并聯(lián)”分析“設(shè)備并聯(lián)”方法對“瓶頸”段投入與產(chǎn)出倍數(shù)相同，局部性能/價格比沒有改進（本例局部改變率為3/3=1），不過整條流水線性能也提升了相同倍數(shù)，所以性能/價格比就提升了（本例全局改變率為3/1.5=2）。這也是Amdahl定律（加緊最費時間事件）一個詳細應(yīng)用。第101頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1025.5非線性流水線調(diào)度技術(shù)(P294)調(diào)度問題提出：一個任務(wù)在經(jīng)過非線性流水線時對有些功效段要經(jīng)過屢次（非線性定義），所以輕易與緊跟而來后繼任務(wù)發(fā)生設(shè)備爭用。調(diào)度機構(gòu)作用就是合理安排前后任務(wù)進入流水線相差時間，既要防止爭用，又要使相差時間盡可能少，以提升吞吐率。第102頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)103算法：共5個步驟第1步.分析預(yù)約表R（P295圖5.44）描述非線性流水線有2種圖形：(a)連接圖，僅給出各段之間靜態(tài)空間連接關(guān)系；(b)預(yù)約表，就是一個任務(wù)經(jīng)過流水線時空圖，能全方面反應(yīng)該流水線動態(tài)特征。要檢驗2個任務(wù)相距k拍是否沖突，可將它們預(yù)約表錯位k列重合（上圖）。第2步.作禁止表F（P297倒數(shù)第2段）F是1-N之間可沖突拍數(shù)集合，N是預(yù)約表列數(shù)減1。詳細操作是將同一行中任意2個標識之間拍數(shù)差記下來，再將各行這類數(shù)字匯成一個集合，即為禁止表。本例中F={3，4，6}

5.5.1不改變流水線結(jié)構(gòu)調(diào)度方法(P295)第103頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)104第3步.作原始沖突向量C（P298倒數(shù)第3段）為了設(shè)計調(diào)度機構(gòu)，需將禁止表轉(zhuǎn)化為原始沖突向量C（Collision）。C是含N個分量布爾向量，普通形式為C=(cN...c1)，其中N是預(yù)約表列數(shù)減1，也能夠是禁止表中最大元素。第i個分量取值標準為：本例中C=(101100)第104頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)105

動態(tài)沖突向量 （初值000000）右移存放器： 0010110 右移出0“或”運算器： 按位“或” 0接通

1斷開常量發(fā)生器： 101100 原始沖突向量時鐘輸入 流水線 任務(wù)排隊1.每個時鐘脈沖使流水線中現(xiàn)有任務(wù)前深入，也使右移存放器移出一位；2.假如新任務(wù)進入，則用它原始沖突向量與右移存放器內(nèi)容相“或”。使用沖突向量C實現(xiàn)調(diào)度原理圖第105頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)106第4步.作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（P299圖5.51）這是為了研究無窮多個任務(wù)時任務(wù)之間可能存在正當間隔情況。從表示方便考慮，用動態(tài)沖突向量作為狀態(tài)變量。詳細作圖方法是：(1)先畫“根結(jié)點”，它就是第一個任務(wù)進入后右移存放器狀態(tài)，數(shù)值等于原始沖突向量；(2)分析當前結(jié)點各位，假如ci=0則發(fā)出一個旁標i值箭頭，ci=1則不能發(fā)出箭頭，因為1表示“禁止”。另外還發(fā)出一個旁標“N+1*”箭頭，“N+1*”意為“≥N+1”；(3)每個箭頭末端產(chǎn)生一個新結(jié)點，其狀態(tài)等于原結(jié)點狀態(tài)右移i位后與原始沖突向量相“或”；(4)假如新結(jié)點狀態(tài)與已經(jīng)有結(jié)點重復(fù)，則取消它，箭頭指向已經(jīng)有那個結(jié)點。第106頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)107第5步.作平均延遲拍數(shù)表（P300表5.1）(1)在狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中尋找全部簡單循環(huán)填入右表第1欄。所謂簡單循環(huán)是指其中各結(jié)點僅經(jīng)過一次閉合路徑。注意它不一定要經(jīng)過根結(jié)點；(2)計算各簡單循環(huán)平均間隔拍數(shù)填入右表第2欄。平均間隔拍數(shù)等于該簡單循環(huán)中全部數(shù)字之和除以數(shù)字個數(shù)；(3)取平均延遲拍數(shù)最少方案作為最優(yōu)方案。本例為(1,1,7)；(4)調(diào)度機構(gòu)實現(xiàn)：計數(shù)器加譯碼電路。本例可用模9計數(shù)器，譯碼條件是計數(shù)值等于0、1、2時允許進入流水線。第107頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)108第108頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)109右移相"或"運算示例（以教材P299圖5.51右下角結(jié)點為例）：結(jié)果成為該結(jié)點上面新結(jié)點。第109頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1105.5.2改變流水線結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)度方法──預(yù)留算法(P301)目標：等間隔最小延遲調(diào)度方案方法：插入延遲器件第1步，確定相鄰任務(wù)間隔拍數(shù)：因為最小間隔拍數(shù)是一行內(nèi)“×”最大數(shù)目（第11行），取最小間隔拍數(shù)。第2步，確定插入延遲器件位置標準（P302第2行）：從第一個“×”開始，凡是相距最小間隔拍數(shù)整倍數(shù)位置“×”都要向后推遲。實例（P301倒數(shù)第7行）： 1.確定間隔拍數(shù)（最多3個“×”，所以是3拍）； 2.插入延遲器件（使各行“×”間距不為3倍數(shù)）； 3.修改預(yù)約表（P302圖5.53(a)）； 4.寫調(diào)度方案（3）。 （示意圖見下頁）第110頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)111第111頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1125.6超標量/超流水/超長指令字/超線程技術(shù)(P320) 本節(jié)學(xué)習(xí)其它指令級并行技術(shù)。主要內(nèi)容有多操作部件技術(shù)、超標量技術(shù)、超流水技術(shù)、超長指令字技術(shù)、超線程技術(shù)。下面是一些相關(guān)名詞術(shù)語(P253)標量處理機，超標量處理機：標量處理機指只能進行標量運算處理機，超標量處理機指能在一個時鐘周期內(nèi)同時發(fā)射多條指令處理機；指令級并行技術(shù)：指能使多條指令并行執(zhí)行技術(shù)，包含流水技術(shù)、多操作部件技術(shù)和超長指令字技術(shù)；流水線處理機，超流水線處理機：流水線處理機指用流水作業(yè)方式并行解釋多條指令處理機，超流水線處理機指能在一個時鐘周期內(nèi)分時發(fā)射多條指令處理機；超長指令字技術(shù)VLIW：指讓一條指令包含多個獨立操作字段，而且分別控制多個功效部件并行工作技術(shù)。第112頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1135.6.1多操作部件處理機（P321倒數(shù)第2段）。它是經(jīng)過“設(shè)備并聯(lián)”技術(shù)擴充單流水線，被擴充部件通常是運算部件、訪存部件等“瓶頸”部件。多操作部件技術(shù)發(fā)展到多流水線，就成為“超標量技術(shù)”技術(shù)。第113頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1145.6.2超標量技術(shù)：一個時鐘節(jié)拍內(nèi)同時發(fā)射多條指令（P324倒2行）。時空圖見P323圖5.71（b）。第114頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1155.6.3超流水技術(shù)：一個時鐘節(jié)拍內(nèi)分時發(fā)射多條指令（P333第1行）。時空圖見P333圖5.79。第115頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1165.6.4超長指令字技術(shù)VLIW（P253）把多條無相關(guān)關(guān)系常規(guī)指令儲存在一個超長指令字中，讓它們同時被處理，分別控制多個功效部件并行工作技術(shù)。這種技術(shù)實質(zhì)，是把超標量技術(shù)中相關(guān)性識別任務(wù)，由CPU硬件轉(zhuǎn)移給程序員或編譯程序去實現(xiàn)。第116頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1175.6.5超線程技術(shù)HT通俗了解就是將一顆含有超線程功效“實體”處理器虛擬成兩個“邏輯”處理器，讓多個應(yīng)用程序或單一應(yīng)用程序多個線程，能夠同時在同一顆處理器上執(zhí)行。超線程技術(shù)優(yōu)點是提升了CPU中關(guān)鍵資源利用率，過去因為很多原因，CPU執(zhí)行單元并沒有被充分使用。在超線程運行方式下，該利用率可提升30～40%（最高65%），也就是說CPU在一樣時間里可多執(zhí)行相同倍數(shù)指令，其性能能夠與含雙處理器系統(tǒng)相媲美，但含有低得多價格。為了同時執(zhí)行多個線程，使用超線程技術(shù)新一代P4HT處理器需要增加一個邏輯處理器單元。所以面積比以往P4增大了5%。而其余部分如ALU（整數(shù)運算單元）、FPU（浮點運算單元）、L2Cache（二級緩存）則保持不變，這些部分是被分享。即使采取超線程技術(shù)能同時執(zhí)行兩個線程，但它并不象兩個真正CPU那樣，每個CPU都含有獨立資源。當兩個線程都同時需要某一個資源時，其中一個要暫時停頓，并讓出資源，直到這些資源閑置后才能繼續(xù)。所以超線程性能并不等于兩顆CPU性能。含有超線程技術(shù)CPU需要主板（包含芯片組和BIOS）、軟件（包含操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，如XP）支持，才能比較理想地發(fā)揮該項技術(shù)優(yōu)勢。第117頁.3.20計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1185.7精簡指令系統(tǒng)（RISC）技術(shù)(P111)什么是RISC？（P107）CISC和RISC是指令系統(tǒng)設(shè)計兩種思緒，前者重視功效多，后者重視速度快。雙方各自發(fā)展了很多特色技術(shù)。

RISC主要用于工作站和其它高性能計算機，以UNIX操作系統(tǒng)為主。IBM-PC個人計算機以CISC為主，吸收了RISC若干適宜技術(shù)。20%與80%規(guī)律（P112）

統(tǒng)計表明，CISC中20%慣用指令使用率高達80%，其它都是非慣用指令。

RISC定義與特點（P115）①一個周期；②一個訪存尋址方式；③硬聯(lián)譯碼；④簡化指令；⑤固定指令格式；⑥優(yōu)化譯碼。降低CPI是RISC思想精華（P116）

分析公式：T=IC·