系统结构知识点总结

计算机系统结构考点总结-2015考博第1章1.计算机目前进入第5代，换代标志有2个：①器件②系统结构的特点2.层次结构：计算机由硬件/软件组成，按功能划分为多级层次结构，每一级对应一种机器：第0级硬联逻辑(由硬件实现)—第1级微程序控制(由微程序实现)—第2级传统机器语言机器(机器语言编程)—第3级操作系统机器(如算术运算，逻辑运算，移位指令，打开文件，读写文件，关闭文件)—第4级汇编语言机器—第5级高级语言机器—第6级应用语言机器；其中第0～1级称为实际机器，第2～6级称为虚拟机器；第0～1级为中央控制部分；第0级为机器的硬件内核。3.计算机系统结构定义：由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性，是计算机的外特性，这里的程序设计者是指为机器语言或者编译程序设计者。4.透明性现象：一种本来存在的事物或者属性，但从某种角度看似乎不存在，称为有透明性现象。5.计算机系统结构主要研究：软件、硬件功能分配与软件、硬件界面的确定。6.三个概念：计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性，这里的程序设计者是指为机器语言或编译程序设计者所看到的计算机属性，是硬件子系统的概念结构及其功能特性，它是计算机系统的软、硬件的界面。计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。计算机实现是指计算机组成的物理实现。7.计算机系统结构分类：①按性价比：巨型、大型、中型、小型、微型；②按用途：科学计算、事务处理、实时控制、家用；③按处理机个数和种类：单处理机、多处理机、并行处理机、关联处理机、超流水线处理机、SMP(对称多处理机)、MPP(大规模并行处理机)、机群8.Flynn分类：按指令流和数据流的不同组织方式：SISD、SIMD(阵列处理机、并行机)、MISD(流水线机)、MIMD(多处理机)9.指令流：机器执行的指令序列数据流：由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果多倍性：在系统最受限元件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能数10.计算机设计中最重要、最广泛采用的准则:加快经常性事件的速度11.Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率or占总时间的比例有关。Fe—改进前可改进部分占用时间/改进前整个任务的执行时间Se—改进前可改进部分的执行时间/改进后改进部分的执行时间，即可改进部分改进后的加速比改进后整个系统加速比公式：Sn=1/[(1-Fe)+Fe/Se]-----------------单个部件Sn=1/[(1-ΣFe)+Σ(Fe/Se)]---------多个部件12.CPU性能公式：①CPU时间=CPU时钟周期数×时钟周期长=CPU时钟周期数/频率②IC：指令条数；CPI：平均时钟周期数CPI=CPU时钟周期数/ICCPU时间=IC×CPI/频率=IC×CPI×时钟周期长CPU时钟周期数=Σ(CPIi×Ii)CPIi:指令i的平均时钟周期数；Ii：指令i在程序执行中的次数★③总CPI=Σ(CPIi×[Ii/IC]);[Ii/IC]表示指令i在程序中所占比例13.访问的局部性原理：程序往往重复使用它刚刚使用过的数据和指令，分为时间局部性和空间局部性。时间局部性：最近访问过的代码是不久将被访问的代码空间局部性：地址上相邻近的代码可能会被一起访问14.计算机系统设计方法：3个①由下往上根据硬件技术条件，特别是器件水平，首先把微程序机器级和传统机器研制出来，然后在此基础上再设计操作系统、汇编语言、高级语言等虚拟机器级。②有上往下首先确定用户级虚拟机器的基本特征、数据类型和基本指令，然后再逐级向下设计，直到硬件执行或解释那级位置。③由中间开始设计这里的“中间”是指多级层次结构的某两级的界面。多数情况下把“中间”取在传统机器级与操作系统机器级之间。首先对这个界面进行详细的功能描述与软、硬件功能分配，然后往上、往下同时进行设计。15.计算机评价指标中最重要的是：性能与成本16.CPU时间：CPU计算的时间，包括用户CPU时间与系统CPU时间，不包括I/O等待时间。17.MPIS：每秒百万条指令数MIPS=指令条数/(执行时间×106)=时钟频率/(CPI×106),这里时钟频率单位是MHz18.MFLOPS：每秒百万次浮点操作次数MFLOPS=程序中浮点操作次数/(执行时间×106)19.经验公式：1MFLOPS≈3MIPS19.基准测试程序评价机器性能，4中级别的程序实际的应用程序—核心程序—玩具基准测试程序—综合基准测试程序准确性：高————————————————————————————低记忆：准确性由高到低依次是“应用核心玩具综合”20.多台机器性能比较方法：①求每台MIPS或MFLOPS的算术平均后做比较。②求每台MIPS或MFLOPS的几何平均后做比较。③求每台MIPS或MFLOPS的调和平均后做比较21.衡量机器性能的唯一固定不变且可靠的标准——真正执行程序的时间22.软件和硬件成本各由2部分组成：①一次性开发成本②每个部件的生产成本23.冯·诺依曼类型计算机原理：存储程序基本点：指令驱动中心：以运算器为中心24.解决软件可移植性问题的方法：3个①采用系列机方法②采用模拟与仿真③采用统一高级语言25.系列机：一个厂家内生产的具有相同系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。26.软件兼容：同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各档机器，可以获得相同的结果，差别只在于不同的运行时间27.系列机的软件兼容分4种：向上兼容，向下兼容，向前兼容，向后兼容向上/向下兼容：可以运行在比它高/低档的机器——档次的高低向后/向前兼容：可以运行在它后期/前期的机器——时期的后前★必须做到的是向后兼容，尽量兼顾向上兼容28.兼容机：不同厂家生产的具有相同系统结构的计算机29.模拟：用软件方法在一台现有的计算机A上实现另一台计算机B的指令系统。模拟采用的是纯软件解释执行，速度慢，实时性差。A——宿主机；B——虚拟机30.仿真：在一台计算机A上用微程序直接解释另一种机器B的指令系统。A——宿主机；B——目标机31.模拟中的模拟程序存放在内存中仿真中仿真微程序存放在控存中32.提高系统性能方法：3个①改进原有算法——最常用的方法②改进系统结构③利用并行性获得高速度33.计算机系统的3T性能目标：1TFLOPS的计算能力+1TBytes的存储容量+1TBytes的I/O带宽第2章★1.数据表示、数据结构、数据类型的关系【数据表示】研究的是计算机硬件能够直接识别、可以被指令系统直接调用的那些数据类型。【数据结构】研究的是面向系统软件，面向应用软件领域所需处理的各种数据类型，研究这些数据类型的逻辑结构和物理结构的关系并给出相应的算法。除数据表示之外的所有数据类型，一般来说都是数据结构所要研究的内容。因此数据表示和数据结构都是【数据类型】的子集。确定哪些数据类型用数据表示实现，哪些数据类型用数据结构实现，实质上是软、硬件的主要分界面之一，也是计算机系统结构设计中软、硬件的取舍问题。2.指令系统是计算机系统中软件与硬件分界面的一个重要标志。指令系统是由软件和硬件设计人员共同实现的。指令系统是软件设计人员与硬件设计人员之间的一个主要分界面，也是他们之间相互沟通的桥梁。▲3.确定哪些数据类型用数据表示实现的3个原则：①缩短程序的运行时间②减少CPU与主存储器之间的通信量③这种数据表示的通用性和利用率▲4.早期的计算机只有定点数据表示，它有3个缺点①编程困难②表示数的范围较小③数据存储单元的利用率往往很低5.为了保证浮点数在运算和转换过程中的精度，在规定的尾数字长之外，运算器中的累加器需要另外增加的长度称为【警戒位】警戒位的用处有2个：①用于舍入②用于左规格化时移入尾数有效字长内6.自定义数据表示①带标志符的数据表示法②数据描述符表示法7.带标志的数据表示法的优点、缺点：6+3优点：6个①简化指令系统②由硬件自动实现一致性检查和数据类型转换③简化程序设计④简化编译器⑤支持数据库系统⑥方便软件调试缺点：3个①数据和指令长度不一致②指令的执行速度降低③硬件的复杂度增加8.一个程序的总开销：设计时间编译时间调试时间执行时间9.数据描述符与标识符的区别：标识符只作用于一个数据，而数据描述符作用于一组数据。标识符与数据一起存放在同一个数据单元内；数据描述符单独存放，独立占据一个存储单元。10.寻址技术：寻找数据及其它信息的地址的技术，它是软件与硬件的一个主要分界面。11.编址的单位有：字编址、字节编址、位编址。字编址的缺点是没有对非数值计算提供支持，而非数值计算机要求字节编址字节编址的最大优点是编址单位与信息的基本单位一致。12.DRAM是一种破坏性读出的存储器，要多次读出同一个数据，需要重写13.存储器访问时间最重要，其次是数据的得些控制复杂度，最后是存储器资源的浪费。14.双字地址末位为000，单字末位为00，半字末位为0。15.计算机中需要编址的设备有：①通用寄存器②主存储器③I/O设备▲16.堆栈、Cache、特殊的寄存器堆不需要编址17.3个零地址空间：通用寄存器、主存储器、I/O设备分别编址2个零地址空间：通用寄存器单独编址，主存储器与I/O设备统一编址1个零地址空间：所有设备统一编址18.I/O设备编址方式有3种：①一台设备1个地址：只对设备本身编址，没有对其接口上的寄存器编址②一台设备2个地址：一个是数据寄存器，一个是状态/控制寄存器③一台设备多个地址。19.并行存储器编址：2种方法①地址码高位交叉：目的是扩大存储器容量，优点是模块化结构好，缺点是控制部件数量增加了②地址码地位交叉：目的是提高存储器速度(提高n倍)，优点是存储速度提高，缺点是有访问冲突。20.寻址方式：4类①立即数寻址②寄存器寻址③主存寻址：直接寻址间接寻址变址寻址：相对寻址+动态重定位的基址寻址④堆栈寻址宏观速度微观速度数组位置无关代码PIC21.间接寻址与变址寻址：间接寻址：间接地址在主存储器中，无偏移量①区别：变址寻址：基地址在变址寄存器中，有偏移量②优缺点：难易程度：间接寻址容易，变址寻址较难指令执行速度：间接寻址慢，变址寻址快对数组运行的支持：间接寻址较差，变址寻址较好22.寄存器寻址的优点与缺点：①指令字短优点：②指令执行速度快③支持向量、矩阵运算①不利于优化编译缺点：②现场切换困难③硬件复杂23.堆栈寻址方式的特点①支持高级语言，有利于编译程序②程序的总存储量最短③支持程序的嵌套和递归调用，支持中断处理堆栈计算机的缺点是运算速度低。24.【逻辑地址】：相对于本程序或本程序段的相对地址【物理地址】：程序在主存储器中使用的实际地址25.程序的定位：一般情况下，程序所分配到的主存物理地址空间与程序本身的逻辑地址空间是不相同的，因此必须把指令和数据的逻辑地址转换成主存的物理地址，这一地址变换过程称为程序的定位。26.根据程序中指令和数据的物理地址的确定时间，定位方式分3种：①直接定位：装入之前确定物理地址②静态定位：装入过程中确定物理地址③动态定位：程序执行过程中确定物理地址27.覆盖技术：如果程序比较大，其存储容量超过了分配给该程序的主存物理空间，这时，可以吧程序分割成若干个独立的程序段，在程序运行过程中逐段调入相应的主存物理空间，这种技术称为“覆盖”技术28.静态定位的优缺点：优点：①不需增加任何硬件设备，可一般在计算机上全部用软件实现②静态定位装入程序可以对由多个程序段组成的程序进行静态链接，而且实现起来比较简单缺点：①对主存利用率不高②当程序容量超过了分配给它的物理空间，必须采用覆盖技术③多个用户不能共享同一个程序，必须在各用户空间存放副本。29.动态定位必须有硬件支持。30.动态定位的优缺点：优点：①可以提高主存利用率②几个程序可以共享主存中的程序段，而无需存放副本③支持虚拟存储器缺点：①需要有专门的硬