计重庆大学算机系统结构
重庆大学 操作系统复习大纲
版权所有：08 级 Daphne·Yuan
软件学院操作系统复习大纲
序与服务通过信息交换来通信。 虚拟机 低层硬件被科龙称多个独立的虚拟机 虚拟机提供了底层裸硬件相同的接口 操作系统功能建立在虚拟机之上 优劣： 虚拟机概念提供了完整的系统资源保护因为每个虚拟机都是独立于其他虚拟机的 （保证没有 对资源的直接分享） 一个虚拟机系统是 OS 研究与开发的完美容器 虚拟机概念很难去实现，因为提供与底层及其完全一样的拷贝需要大量工作。 策略：需要做什么 机制：怎样去做 策略和机制的分离是一个很重要的原则，当策略改变的时候它提供了最大的灵活性。 极端：微内核，全部机制，几乎无策略 第四章 进程不只是程序，它包括： 文本段（可执行的机器码） 数据段（全局变量） 处理器、寄存器的内容 栈，包含了临时数据，如函数的参数，返回地址，局部变量 堆，用于动态分配的内存 其他资源，如打开的文件 程序和进程的比较： 程序是被动的实体，储存在磁盘上 进程是活动实体，包括程序之外的相关资源集合 多个进程可以执行同一个程序，但是 他们被认为是独立的操作序列，虽然他们共享同一文本段 其他资源常常变化（数据段不同） 进程执行中会改变状态 New 进程被创建 Running 指令被执行 Waiting 进程等待其他事件发生 Ready 进程等待被分配给处理器 Terminated 进程和完成执行
First try
违反有空让进原则 没有保留每个进程状态的足够信息，只记住了那个进程能进入临界区。 它要求进程在临界区中执行时要严格交替。 如果当 turn==0 且 P1 就绪想要进入临界区， 那么 尽管 P0 不临界区，在 P1 也无法进入。
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用户模式 1 监视程序模式 0 特权指令：避免用户程序通过发出非法 I/O 指令打乱系统的正常操作 I/O 指令都是特权指令，硬件只允许特权指令在监视模式下执行 若想在用户模式执行，认为非法，捕捉给 OS 特权模式下用户程序不能获得控制权 内存保护：避免用户程序直接访问其他用户程序或操作系统的内存 CPU 保护：避免用户程序被困在无限循环中并无法把控制权返回 OS 计时器：在一个周期后中断 CPU，保证 OS 得到控制权（通过中断服务程序） ，timer 也用于 实现分时。 系统调用 操作系统本身没有做任何有用的事情 但他为用户程序提供了有用的服务，而提供这些服务的方式就是系统调用。 System call—操作系统与用户程序之间的接口 用户程序只能请求 OS 通过系统调用提供的服务 不同 OS 的系统调用接口是不一样的 也被称为 supervisor call 用户程序不能直接进入 OS 只能通过异常或特殊的指令 系统调用与库函数的对比： 系统调用会被捕捉到 OS，库函数则不会，所以系统调用更慢 库函数与用户自定义函数相同， 我们可以用自己的版本置换一个已存在的库函数， 却不能置 换系统调用 一个 OS 中的系统调用可能在另一个系统中成为库函数 第三章 系统结构： 现代操作系统这样庞大而复杂的系统为了能正常工作并能容易修改， 必须认真设 计。 通常方法是将这个任务分成小模块而不只是一个单块系统。 每个这样的模块都应该是定 义明确的系统部分，且具有定义明确的输入、输出和功能。 简单结构 一些系统没有很好的组织，开始时是小、简单、有限的系统，后来就变得很复杂 分层结构 操作系统分成若干层，每层建立在较低层之上。较高层可以调用较低层的操作。 分层结构的主要难题： 每一层的精确地定义 效率不高 微内核 将所有非基本部分从内核中移走，并将它们当做系统级程序和用户级程序来实现 需要保留在微内核中的部分：进程管理 内存管理 通信设备 微内核只要功能是提供客户程序和运行在用户空间的各种服务之间进行通信的能力， 客户程
大学计算机基础计算机体系结构
大学计算机基础计算机体系结构计算机体系结构是指计算机系统中各个硬件组件和它们之间的相互关系。
在大学计算机基础课程中，学生需要掌握计算机体系结构的基本概念和原理。
本文将从计算机组成原理、指令执行过程和存储器层次结构等方面来介绍大学计算机基础计算机体系结构。
1. 计算机组成原理计算机组成原理是计算机体系结构的基础，它涉及到计算机硬件的各个组成部分。
计算机组成原理包括指令系统设计、CPU结构设计、总线设计、I/O系统设计等内容。
其中，指令系统设计是计算机组成原理中最为重要的内容之一，它决定了计算机能够执行的指令种类和功能。
2. 指令执行过程计算机的运行是通过执行指令来完成的，指令执行过程是计算机体系结构中的一个关键环节。
指令执行过程包括指令的获取、解码、执行等步骤。
在指令的获取过程中，计算机从存储器中读取指令，并将其存储在指令寄存器中。
在指令的解码过程中，计算机对指令进行解析，并确定指令的操作类型。
在指令的执行过程中，计算机根据指令的操作类型执行相应的操作，并将结果存储在寄存器或者存储器中。
3. 存储器层次结构存储器层次结构是计算机体系结构中非常重要的一个概念，它包括多级存储器的组织和管理。
存储器层次结构由高速缓存、主存储器和辅助存储器等组成。
其中，高速缓存是位于CPU内部的一种高速存储器，用于存储最常用的指令和数据。
主存储器是计算机中用于存储指令和数据的主要存储器。
辅助存储器是计算机中用于存储大量数据和程序的设备，如硬盘、光盘等。
4. 总线结构总线是计算机体系结构中起连接作用的重要部分，它用于传输数据和指令。
计算机的各个组件之间通过总线进行数据的传输和通信。
总线结构包括数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线用于传输数据，地址总线用于传输地址信息，控制总线用于传输控制信号。
5. 中央处理器中央处理器（CPU）是计算机体系结构中的核心部件，它负责执行指令和进行数据处理。
CPU由运算器和控制器组成，运算器用于执行算术和逻辑运算，控制器用于控制指令的执行和数据的传输。
02325计算机系统结构
02325计算机系统结构计算机系统结构第1章计算机系统结构的基本概念1.1计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构 1.2计算机系统结构、组成与实现1.2.1结构、组成、实现的定义与内涵内涵1.2.2计算机系统结构、组成和实现三者的相互影响现三者的相互影响1.3软硬件取舍与计算机系统设计思路思路1.3.1软硬件取舍的基本原则软硬件取舍的基本原则1.3.2计算机系统的设计思路计算机系统的设计思路1.4结构设计要解决好软件的可移植性植性1.4.1统一高级语言统一高级语言1.4.2采用系列机采用系列机1.4.3模拟与仿真模拟与仿真1.5应用与器件的发展对系统结构的影响的影响1.5.1应用的发展对系统结构的影响1.5.2器件的发展对系统结构的影响1.6系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类算机系统的分类1.6.1并行性概念并行性概念1.6.2并行处理系统的结构与多机系统的耦合度系统的耦合度1.6.3计算机系统的分类计算机系统的分类第2章数据表示与指令系统章数据表示与指令系统2.1数据表示数据表示2.1.1数据表示与数据结构数据表示与数据结构2.1.2高级数据表示高级数据表示2.1.3引入数据表示的原则引入数据表示的原则2.1.4浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择处理方法的选择2.2寻址方式寻址方式2.2.1寻址方式分析寻址方式分析2.2.2逻辑地址与主存物理地址逻辑地址与主存物理地址 2.3指令格式的优化设计指令格式的优化设计2.3.1操作码的优化操作码的优化2.3.2指令字格式的优化指令字格式的优化2.4按CISC方向发展与改进指令系统系统2.4.1面向目标程序优化实现改进2.4.2面向高级语言优化实现改进2.4.3面向操作系统优化实现改进2.5按RISC方向发展与改进指令系统系统2.5.1 RISC的提出的提出2.5.2设计RISC的原则的原则2.5.3设计RISC结构用的基本技术2.5.4 RISC技术的发展技术的发展第3章总线、中断与输入输出系统中断与输入输出系统 3.1输入输出系统的基本概念输入输出系统的基本概念3.2总线设计总线设计3.2.1总线的类型总线的类型3.2.2总线的控制方式总线的控制方式3.2.3总线的通讯技术总线的通讯技术3.2.4数据宽度与总线线数数据宽度与总线线数3.3中断系统中断系统3.3.1中断的分类和分级中断的分类和分级3.3.2中断系统的软硬件功能分配3.4通道处理机通道处理机 3.4.1工作原理工作原理3.4.2通道流量的分析通道流量的分析第4章存储体系章存储体系4.1存储体系概念与并行主存系统4.1.1发展存储体系的必要性发展存储体系的必要性4.1.2并行主存系统频宽的分析并行主存系统频宽的分析4.1.3存储体系的形成与分支存储体系的形成与分支4.1.4存储体系的性能参数存储体系的性能参数4.2虚拟存储器虚拟存储器4.2.1不同的虚拟存储管理方式不同的虚拟存储管理方式4.2.2页式虚拟存储器的构成页式虚拟存储器的构成4.2.3页式虚拟存储器实现中的问题4.3高速缓冲高速缓冲(Cache)(Cache)(Cache)存储器存储器存储器4.3.1基本结构基本结构4.3.2地址的映象与变换地址的映象与变换4.3.3替换算法的实现替换算法的实现4.3.4 Cache存储器的透明性及性能分析性能分析第5章重叠、流水和向量处理机章重叠、流水和向量处理机5.1重叠方式重叠方式5.1.1基本思想和一次重叠基本思想和一次重叠5.1.2相关处理相关处理5.2流水方式流水方式5.2.1基本概念基本概念5.2.2流水线处理机的主要性能流水线处理机的主要性能5.2.3流水机器的相关处理和控制机构机构5.3向量的流水处理与向量流水处理机理机5.3.1向量的流水处理向量的流水处理5.3.2向量流水处理机向量流水处理机5.4指令级高度并行的超级处理机5.4.1超标量处理机超标量处理机5.4.2超长指令字超长指令字(VLIW)(VLIW)(VLIW)处理机处理机处理机5.4.3超流水线处理机超流水线处理机第6章阵列处理机章阵列处理机6.1阵列处理机原理阵列处理机原理6.1.1阵列处理机的基本构形阵列处理机的基本构形6.1.2阵列处理机的特点阵列处理机的特点6.2阵列处理机的并行算法阵列处理机的并行算法6.2.1 ILLIACⅣ的处理单元阵列结构结构6.2.2阵列处理机的并行算法举例6.3 SIMD计算机的互连网络计算机的互连网络6.3.1互连网络的设计目标及互连函数函数6.3.2基本的单级互连网络基本的单级互连网络6.3.3多级互连网络多级互连网络6.4并行存储器的无冲突访问并行存储器的无冲突访问6.5并行处理机举例并行处理机举例6.5.1 MPP位平面阵列处理机位平面阵列处理机6.5.2 CM连接机连接机第7章多处理机章多处理机7.1多处理机的特点及主要技术问题7.2多处理机的硬件结构多处理机的硬件结构7.2.1紧耦合和松耦合紧耦合和松耦合7.2.2机间互连形式机间互连形式7.3程序并行性程序并行性7.3.1并行算法并行算法7.3.2程序并行性的分析程序并行性的分析7.3.3并行程序设计语言并行程序设计语言7.4多处理机的性能多处理机的性能7.4.1任务粒度与系统性能任务粒度与系统性能7.4.2性能模型与分析性能模型与分析7.5多处理机的操作系统多处理机的操作系统7.5.1主从型操作系统主从型操作系统7.5.2各自独立型操作系统各自独立型操作系统7.5.3浮动型操作系统浮动型操作系统第8章其它计算机结构章其它计算机结构8.1脉动阵列机脉动阵列机8.1.1脉动阵列结构的原理和特点8.1.2通用的脉动阵列结构通用的脉动阵列结构8.2大规模并行处理机MPP与机群系统系统8.2.1大规模并行处理机MPP8.2.2机群系统机群系统8.3数据流机数据流机8.3.1数据驱动的概念数据驱动的概念8.3.2数据流程序图和语言数据流程序图和语言8.3.3数据流计算机的结构数据流计算机的结构8.3.4数据流机器存在的问题数据流机器存在的问题8.4归约机归约机8.5智能机智能机8.5.1智能信息处理与智能机智能信息处理与智能机8.5.2智能机的结构和机器语言智能机的结构和机器语言★翻译和解释的区别和联系？区别：区别：翻译是整个程序转换，翻译是整个程序转换，翻译是整个程序转换，解释解释是低级机器的一串语句仿真高级机器的一条语句。
02325 计算机系统结构(自考)第一章 概论 笔记(手写)
1计算机系统的的层次结构以现代通⽤计算机系统可以分成哪⼏级它们的相对位置各机器级的实现是⽤的翻译技术还是解释技术z⽬前情况来看MO ⽤硬件实现⼤的数2软件层⾼级语⾔通过软件MI ⽤微程序固件实现实现2汇编语⾔M 2M 5⽤软件实现ii 传统机器语⾔䎚鱲2瀶固件就是具备软件功能的⼀种硬件硬件实现作业控制语⾔微程序以什么是翻译技术什么是解释技术翻译技术⽤转换程序将⾼⼀级机器级上的程序整个地址转换为低⼀级机器级上的等效程序之后在低⼀级机器级上实现的技术解释技术在低级机器级上⽤⼀串语句或指令来仿真⾼级机器级上的⼀条语句或指令的功能是通过对⾼级机器级上的每条语句或指令逐条解释的技2.1计算机系统结构组成和实现的定义和研究⽅⾯1从计算机的层次结构⻆度来看系统结构system Architecture 是对计算机系统中各级界⾯的定义及其上下的功能分配iiiiii2计算机系统结构也称计算机系统的体系结构computer Architecture 它只是系统结构中的⼀部分指的传统机器语⾔机器级州的系统结构因此它是软件和硬件1固件的交接⾯是机器语算结论计算机系统结构研究的是软硬件之间的功能分配以及对传统机器级界⾯的确定为机器语⾔汇编语⾔程序设计者或编译程序⽣成系统设计或⽣成的程序能在机器结嘔趣魂䃴䏈臨嚹櫉出㒧瀃暶软礮 嚻㗸磡璐璐额嚻嚻 㓸年就⽬前的通⽤机和总其计算机系统结构的属性包括以D 硬件能够直接识别和处理的数据类型及格式等的数据表示系最⼩可寻址单位寻址种类地址计算等的寻址⽅式统通⽤寄存器的设置涨数量使⽤约定等的寄存器组织以⼆进制或汇编指令的操作类型格式排序⽅式控制机构等的指全系统构外主存的最⼩编址单位编址⽅式容量最⼤可编址空间等的存储系统组织以中断的处理与分级中断处理程序的功能与⼊⼝地址等的中断机构系统机器级的管态与⽤户态的定义与切换8输⼊1输出设备的连接使⽤⽅式流量操作结束出错指示等的机器级⼯10结构以系统各部分的信息保护⽅式和保护机构等属性_Énn 囎的讞囄 龖嚻欏㺦䵴 邈悦的縅 辄算樾设计䯁ì点2专⽤部件的设置是否设置乘除法浮点运算字符处理地址运算等专⽤部件设置的数量与机器要达到的速度价格以及专⽤部件的使⽤频率有关机烈各种操作对部件的共享程度分时共享使⽤程度⾼虽然限制了速度但价格便宜设置部件的降低共享程度因操作系统并⾏度提⾼可提⾼速度但价格也会提⾼4功能部件的并⾏度是⽤顺序串⾏还是⽤重叠流⽔或分布式控制和处理iii 䨊i ǐiiiiiiii iiiiiiiiin 控制机构的组成⽅式⽤硬件还是微程序控制是单机处理还是的机或功能分布处理成7预估预判技术⽤什么原则为优化性能预测未来⾏为6计算机的实现computer Implementation指的是计算机组成的物理实现包括处理机珔等部件的物理结构器件的集成度和速度器件模块插件底板的划分与连接专⽤器件的设计微组装技术信号传输电源冷却及整机装配技术等7计算机实现的设计着眼于器件技术和微组装技术器件技术起着主导作⽤8指令系统的确定属于计算机系统结构指令的实现如取指令指令操作码译码计算操作数地址取数运算送结果等的操作的安排三和排序属于汢籃噍感实现这些指令功能的具体计电路器件的说⽜的装⾣䃢⼰技术属于计算机实现ftpmsn琺迹歛辔緪appointingpinetnn感乘法器加法⼀位移器的物理实现中的类型叔美成度数量价格以及微组装技术的确定和选择属于计算机实现-0ns中央处理机任存算外⼀箱溜畦侧的概念性结构图䃴嚻蜘理雄和醚-嚻制品外诞级槬以瑡⼼纙斌䴍出硬件⽅⾯2通道机实设备控制器i10机器1汇编指令系统数据表示是否采⽤通道⽅式输⼊1输出的确定属于计算机系统结构指令采⽤重叠流⽔还是其他⽅式解释数据通路宽度的确定通道采⽤结合型还是独⽴型属于计算机组成2.2系统结构组成和实现的相互关系和影响1相同结构如指令系统相同的计算机可以因速度不同⽽采⽤不同的组成⼀种组成也可以有多种不同的实现⽅法2组成也会影响结构了组成设计向上决定结构向下受限于实现技术4由于计算机组成和计算机实现关系密切有⼈将它们合称计算机实现即计算机系统的逻辑实现和物理实现ǜjiiiiii iiiiiiii能分配和确定程序设计者所看到的机器级界⾯的计算机系统结构称结论计算机系统结构设计的任务是进⾏软硬件的功能分配确定传统机器级的软硬件界⾯但作为计算机系统结构这⻔学科来讲实为程序设计者看到的计算机系统结构把着眼于如何更好更合理地实现分配给硬件的功能的计算机组成称为计算机设计者看到的计算机系统结构3计算机系统的软硬件取舍与设计思路引软硬件实现的优缺点1从原理上来讲软件的功能可以由硬件或固件来完成硬件的功能也可以由软件来模拟完成只是它们在性能价格实现的难易程度是不同的2软件实现的速度慢编制复杂编程⼯作量⼤程序所占存储空间量较的i 但是所花硬件少硬件的实现上也就相对简单容易硬件的成本低解题的灵活性和适性就好了具有相同功能的计算机系统其软硬件功能分配⽐例可以在很宽的范围内变化如下图⼀般来说提⾼硬件功能的⽐例可提⾼解题速度减少程序所需的时间但会增加硬件成本降低硬件利⽤率和计算机系统的灵活性及适应性提⾼软件功i ǘjf ǘǜǜ是⾼系统的灵活性适应性但是解题速度会下降软件设计费⽤和所需的存储器⽤量增加了原则D 应考虑在现有的硬器件主要是逻辑器件和存储器件的条件下系统要有⾼的性价⽐以实现费⽤速度和其他性能⽅⾯考虑2要考虑到准备采⽤和可能采⽤的组成技术使之尽可能不要过的或不合理地限制各种组成实现技术的采⽤了不能仅从硬的⻆度考虑如何便于应⽤组成技术的成果和便于发挥器件技术的发展还应从软的⻆度把如何为编译和操作系统的实现以及1⾼级语⾔程序的设计提供更的更好的硬件⽀持放在⾸位软硬件取舍的最终⽬标提⾼性能降低消耗评判性能的标准使⽤者响应时间完成任务的时间服务者吞吐量单位时间内的⼯作总量2软硬件取舍成本计算13软件开发费⽤C 软件重复设计的次数品硬件开发费⽤R 软件复制和存储的次数的更件实现的费⽤i Dn Nt Mn Ms 软件重复⽣产的费⽤例如批量部署1软件实现的费⽤Ds x clvtM tn Mn 硬件重复⽣产的费⽤⽣产计算机系统台数3.3计算机系统的定量设计原理真实程序的运⾏时间是衡量计算机性能的唯⼀可靠的①⼤概率事件优先原则喧⾛曼n 铡压n 缩原理oir提⾼经常性事件的处理速度经常性事件例如程序中的循环体②阿姆达尔Amdahl 定律定义系统性能的加速⽐确定对性能限制最⼤的部分计算改进某些部件所获得的性能提⾼③程序的局部性 效旦 璧和空间㞗盥改进效果好的⾼性能系统应是个各部分性能功能平衡得到提⾼的系统时间局部性现在正在使⽤的信息将来还要使⽤如程序中存在循环空间局部性将来要使⽤的信息与现在正在使⽤的信息在程序位置上是相邻的因为指令通常是顺序存放的数据也通常是以向量阵列树表等形式簇数据时间局部性空间局部性And 定律系统性能改进前⼆总执⾏时间部件加速⽐指令循环语句总加速⽐⼆系统性能改进后总执⾏时间瞿善⼆1-可改进⽐例可改进⽐例变量数据顺序语句字符串常量数据4计算机系统的设计⽅法①计算机系统⼀般有3种设计⽅法D 由上往下⾃顶向底专⽤机设计⽅法先考虑满⾜应⽤要再逐级向下设计串⾏设计⽅法周期⻓成本⾼难以量化2由下往上⾃底向顶通⽤机设计⽅法不考虑应⽤要求先根据已有条件设计硬件软件设计需要被动地适应硬件3⾃中间开始向两边设计它可以克服以上两⽅式中软硬件设计分离和脱节的致命缺点5软件应⽤器件的发展对系统结构的影响-5.1软件发展对系统结构的影响①软件的可移植性Portability 指的是软件不修改或只经少量修改就可由⼀台机器移到另⼀台机器上运⾏同⼀软件可应⽤于不同的环境软件兼容性i 向后兼容第⼀代电⼦管valve 1945-1954IBM 701机器档次当前机器第⼆代i 晶体管Transistor 19551964IBM7030㿚䨻容向后兰道时间第三代集成电路四1965-1974IBM张巧第四代⼤规模集成电路以红19741940IBM 3090Pc 第五代微处理器19902000IntelArm ②实现可移植性的常⽤⽅法D 采⽤系列机由同⼀⼚家⽣产的具有相同的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2模拟和仿真使件能够在具有不同系统结构的机器之间相互移植3i 实理软件移植的⼀种理想的⽅法例如Java 语⾔程序能在不同架构平台上运⾏模拟姚妣啊䲉犌⻰台 瞅⼀雅 额殆机⼀⼀刷啪镶处理器件发展历史通常⽤〇解释的⽅法去实现运⾏速度慢性能较差只适⽤于移植运⾏时间短使⽤次数少且在时间短上没有约束和受限制的软件仿真emulation ⽤⼀台现有的机器缩主机上的微程序〇去解释另⼀台机器⽬标机的指令集运⾏速度⽐模拟⽅法的快仿真只能在系统结构差距不⼤的机器之间使⽤区别模拟和仿真的区别在解释使⽤的语⾔模拟是⽤机器语⾔程序解释解释程序存储于主存中仿真使⽤微程序解释解释程序存储于控制存储器中③模拟与仿真的选择离频繁使⽤易于仿真的机器指令宜⽤仿真以提⾼速度较少使⽤的难以仿真的指令以及北操作宜⽤模拟即使两种机器系统差别不⼤往往也需要⽤模拟来完成机器间的映像11④3种⽅法的优缺点统⼀⾼级语⾔可以解决结构相同或完全不相同的机器间移植是未来发展⽅向但是⽬前难以解决只能做到相对统⼀系列机是当前遍采⽤的⽅法但只能实现同⼀系列内的软件兼容虽然允许发展变化但兼容的约束反过来会阻碍系统结构取得突破性的进展模灵活可实现不同系统结构间的软件移植但结构差别过⼤时效率速度会急剧下降伤真在速度上损失⼩但不灵活只能差别不⼤的系统之间使⽤否则效率也会过低且难以仿真需要与模拟结合才⾏此外发展异种机联⽹也是实现软件移植的⼀种途径5.2应⽤的发展对系统结构的影响不同的应⽤对计算机系统结构的设计提出了不同的要求应⽤需求是促使机算机系统结构发展的最根本的动⼒在不同的领域需要⾼性能的系统结构多媒体引了游戏⾼清影⾳⽹络应⽤⾼性能路由防⽕墙科学计算天⽓预报⽯油勘探班⽤户⻘尵 器件⼚家⽣产时固定的器件的⽤户即机器设计者只能使⽤不能改变器件内部功能现场为⽤户根据需要可改变器件内部功能⽤户为专⻔按⽤户要求⽣产的⾼度集成的以红器件完全按照⽤户要求设计的⽤户⽚称为全⽤户⽚⼀般同⼀系列内各档机器可分别⽤通⽤⽚现场⽚和⽤户为实现6系统结构的并⾏性开发及计算机轰统的分类6.1并⾏性概念与开发6.1.1并⾏性的含义与级别①并⾏性包含同时性和并发性两重含义⾃然性simultaneity 指两个或约个事件在同⼀时刻发⽣并发性concurrency 指两个或㑜事件在同⼀⽇②䲜䉪厵并⾏鍳靠 礜为了能并⾏处理以提⾼计算机解题的效率CnnD 计算机系统执⾏程序⻆度由低到⾼等级齽产操作之间的并⾏执⾏2指令之间放条指令的并⾏执⾏14作业或程序之间c______12计算机系统中处理数据⻆度由低到⾼等级冯⽒分类法1972冯泽云1位串字串同时只对⼀个字 齹⼯整处理通常指串⾏单处理机⽆并⾏性2位并字串并⾏单处理机3i 位为串字并不⼀⼀对许的字的同⼀位称位⽚进⾏处理3并⾏性贯穿于计算机信息加⼯的各个步骤和阶段的i 存储器操作并⾏2处理器操作并骤并⾏了处理器并⾏tiiiiii inin4指令任务作业并⾏皊之⼆及以上的并⾏是所处之理机同0时对然⾦撧或相关的的组娄-対居进⾏处理操作上避流的数据流计算机6.1.2并发性开发的途径时间重叠i鼝相互错不轮流重叠使⽤同⼀套硬件设备的各个部分加快硬件周转来赢得速度②资源重复邈邈䟐群Replication重复设置硬件资源来提⾼可靠性或性能③资源共享逛䬒aresharing⽤软件⽅法让的个⽤户按⼀定时间顺序轮流使⽤同⼀套资源来提⾼资源利⽤率相应地6.1.3多机系统的耦合度耦合度⽤于反映的机系统中各机器之间物理连接的紧密度和交叉作⽤能⼒的强弱1各种脱机处理系统是最低耦合系统lease coupled system 2多台计算机通过通道或通信线路实现互连以较低频带在⽂件或数据集⼀级相互作⽤这种系统被称为松散耦合系统loosely a system或间接耦合系统Indirectly Coupled system3多台计算机通过总线或⾼速开关琏共享主存有较⾼的信息传输速率可实现数据集⼀级任务级作业级并⾏则称该系统为紧密耦合系统Tighcoupled system 或直接耦合系统Directly c oupled system 6.1.4计算机系统的分类弗林分类瀓按照指令流和数据流的的倍性进⾏分类共分为4类数据流由执令流调⽤的数据序列圝鬬管⾔ 䨻⽇搻䲜时处于同⼀执⾏阶段的指令或数据的最⼤数⽬单指令流单数据流GED Single Instruction stream Single Data stream 单指令流的数据流Gen single Instruction stream Multiple Data Stream 阵列处理机和相联处理机多指令流多数据流㟗⽆实现对应的应⽤传统的单处理计算机多指令流单数据流MIS D -。
计算机体系结构基本概念
计算机体系结构基本概念计算机体系结构是指计算机系统中的各个组成部分之间的关系和交互方式。
它是计算机硬件与软件之间的接口，决定了计算机系统的工作方式、性能表现以及可扩展性。
本文将介绍计算机体系结构的基本概念和相关内容。
一、计算机体系结构的概述计算机体系结构是指计算机系统的结构组织，包括硬件和软件。
主要由计算机硬件、指令系统、运算方式和数据流组成。
计算机体系结构的目标是提供高性能、可靠性、可扩展性和高效能的计算机系统。
计算机体系结构的设计通常以指令集架构和微架构为基础。
二、指令集架构指令集架构是计算机体系结构中的一个重要概念。
它定义了计算机系统处理信息的方式。
指令集架构包括计算机的指令集、寄存器、数据类型和地址模式等。
根据指令集的不同，可以将计算机体系结构分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。
三、微架构微架构是指计算机体系结构的实现方式。
它包括处理器的内部结构、数据通路、控制流和存储相关的电路设计。
微架构的设计影响着计算机系统的性能和功能。
常见的微架构包括超标量、乱序执行和流水线等。
四、存储结构与存储器层级存储结构是指计算机系统中用于存储数据的层次结构。
存储器层级分为寄存器、高速缓存、内存和辅助存储器等。
不同层级的存储器具有不同的特点，如容量、速度和价格等。
存储结构的设计旨在提高计算机系统的访问速度和运行效率。
五、总线结构总线结构是计算机体系结构中连接各个组件的通信系统。
它包括地址总线、数据总线和控制总线等。
总线结构的设计影响着计算机系统的数据传输速度和可扩展性。
六、并行处理与多核技术并行处理是指多个处理器或计算单元同时执行指令，提高计算机系统的运行速度和性能。
多核技术则是将多个处理核心集成到同一个芯片上，实现并行运算。
并行处理和多核技术在高性能计算、科学计算和图像处理等领域得到广泛应用。
七、虚拟化技术虚拟化技术是指通过软件将计算机资源抽象为多个逻辑实体，实现多个操作系统和应用程序的隔离和共享。
重庆大学 系统结构 题库 名词解释
传输时延（Transport latency）：它等于"飞行"时间和传输时间之和。它是消息在互连网络上 所花费的时间，但不包括消息进入网络和到达目的结点后从网络接口硬件取出数据所花费的时 间。（9）
16、MPP：基于分布存储的大规模并行处理系统（10）
17、S2MP：是一种共享存储的体系结构，和大规模的消息传递系统相比，它支持简单的编程 模型，系统使用方便，是对 SMP 系统在支持更高扩展能力方面的发展。（10）
18、SMP：SMP 称为共享存储型多处理机(Shared Memory mulptiProcessors), 也称为对称型 多处理机（Symmetry MultiProcessors）(10)
"飞行"时间（Time of flight）：消息的第一位信息到达接收方所花费的时间，它包括由于网络 中转发或其它硬件所起的时延（9）
传输时间（Transmission time）：消息通过网络的时间，它等于消息长度除以频宽。（9）
频宽（Bandwidth）：它是指消息进入网络后，互连网络传输信息的最大速率。它的单位是兆 位/秒，而不用兆字节/秒。
28、虚拟直通(virtual cut through) ：目前有一些多计算机系统采用的是虚拟直通的寻径方式 。 虚拟直通的寻径方式的思想是，为了减少时延，没有必要等到整个消息全部缓冲后再作路由选 择，只要接收到用作寻径的消息头部即可判断。 （9）
29、存储转发寻径：存储转发寻径(store and forward) 在存储转发网络中包是信息流的基本单
(3) 顺序流动：一串连续任务在流水线中是一个接一个地在各个功能段中间流过的。从流水线 的输出端看，任务流出流水线的顺序与输入端的任务流入顺序完全相同 ，这种控制方式称为顺 序流动方式
计算机系统结构自考笔记
计算机系统结构自考笔记一、计算机系统结构概述。
1. 计算机系统的层次结构。
- 从底层到高层：硬件、操作系统、系统软件、应用软件。
- 各层次的功能及相互关系。
例如，硬件为软件提供运行平台，软件控制硬件资源的使用等。
2. 计算机系统结构的定义。
- 经典定义：程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
- 包括指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机制等方面的属性。
3. 计算机系统结构的分类。
- 按指令流和数据流的多倍性分类。
- 单指令流单数据流（SISD）：传统的单处理器计算机。
- 单指令流多数据流（SIMD）：如阵列处理机，适合进行数据并行处理。
- 多指令流单数据流（MISD）：较少见的结构。
- 多指令流多数据流（MIMD）：多处理器系统，如对称多处理机（SMP）。
- 按存储程序原理分类。
- 冯·诺依曼结构：程序和数据存储在同一存储器中，按地址访问。
- 哈佛结构：程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的地址空间。
二、数据表示与指令系统。
1. 数据表示。
- 数据类型。
- 数值型数据（整数、浮点数）：不同的表示格式，如定点数的原码、反码、补码表示；浮点数的IEEE 754标准表示。
- 非数值型数据（字符、字符串、逻辑数据等）。
- 数据的存储方式。
- 大端存储与小端存储：大端存储是高位字节存于低地址，小端存储是低位字节存于低地址。
2. 指令系统。
- 指令格式。
- 操作码：表示指令的操作类型，如加法、减法等操作。
- 地址码：指出操作数的地址或操作数本身。
有零地址、一地址、二地址、三地址等指令格式，每种格式的特点及适用场景。
- 指令类型。
- 数据传送指令：在寄存器、存储器等之间传送数据。
- 算术运算指令：加、减、乘、除等运算。
- 逻辑运算指令：与、或、非等逻辑操作。
- 控制转移指令：如无条件转移、条件转移、子程序调用与返回等，用于改变程序的执行顺序。
三、存储系统。
1. 存储器层次结构。
- 高速缓冲存储器（Cache） - 主存储器 - 辅助存储器的层次结构。
计算机体系结构
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。
Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。
所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。
计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。
可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式，指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。
计算机组成是计算机结构的逻辑实现。
可以包含数据通路宽度，专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。
计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。
包括处理机，主存部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、插件底板的划分和连接。
从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为7级：0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。
3～6级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。
硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。
首先是应用领域对应的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。
如运算速度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。
体系结构设计的方法有三种：由上而下－从考虑如何满足应用要求开始设计；由下而上－基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的方法。
体系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。
计算机体系结构的分类：（1）弗林FLYNN分类法：按指令流和数据流将计算机分为4类：①单指令流、单数据流－Single Instruction Stream Single Data Stream，SISD。
计算机，即传统的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机systolic array；②单指令流、多数据流－Multiple，SIMD。
典型代表是并行处理机。
其并行性在于指令一级。
如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等；③MISD计算机；④MIMD计算机。
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A、
阶码
B、
补码
C、
原码
D、
机器码
标准答案
A
2、 把相联访问变成按地址访问，从而加大快表容量指的是（）。
A、
目录表
B、
快慢表
C、
散列函数
D、
以上都不是
A、
超标量处理机
B、
标量处理机
标准答案
B
6、 操作数存在堆栈中，指令隐含约定由堆栈指针SP寄存器提供堆栈栈顶单元地址，进行读出或写入的是（）。
A、
寄存器寻址
B、
主存寻址
C、
堆栈寻址
标准答案
C
7、 地址空间可分为（）。
A、
虚拟地址空间
B、
主存储器地址空间
C、
辅存地址空间
D、
以上都是
标准答案
D
8、 （）把主存储器和Cache按同样大小划分成块，再将主存储器和Cache按同样大小划分成组，每一组由相同的块数组成，然后将主存储器按Cache大小分成区，主存储器每个区的组数与Cache的组数相同。
D、
以上都不是
标准答案
A
13、 用户可以从控制工作站单点控制管理整个系统，实现系统的安装、监督和配置、系统操作、用户管理等功能指的是（）。
A、
单一入口点
B、
单一文件系统
C、
单一作业管理系统
D、
单控制点
标准答案
D
14、 通信不指明源和目的，控制简单指的是（）。
A、
专用总线和非专用总线
B、
基于PCI总线的I/O系统
C、
多发射处理机
D、
标量处理机
标准答案
D
29、 完成任务所需要的时间定义为（）。
A、
任务流时间
B、
同时性
标准答案
B
30、 使用RISC技术的机器有（）。
A、
除法器
B、
加法器
C、
乘法器
D、
以上都不是
标准答案
A
31、 由操作系统根据主存使用分配的情况，给主存中的每一页分配一个存储键，相当于保护锁。所有页的存储键是在主存相应的快速寄存器内，当用户访问这些页面时，需要一个访问键，相当于钥匙，来打开这把锁指的是（）。
A、
同时性
B、
同时性
标准答案
B
22、 （）指系统从某个初始参考点开始一直连续提供服务的能力，它通常用平均无故障时间（Mean Time To Failure，MTTF）来衡量。
A、
可靠性
B、
可用性
C、
可信性
D、
4
标准答案
A
23、 记分牌需要监测源操作数寄存器中数据的有效性，如果前面已流出的还在运行的指令不对本指令的源操作数寄存器进行写操作，或者一个正在工作的功能部件已经完成了对这个寄存器的写操作，那么此操作数有效。当操作数有效后，记分牌将启动本指令的功能部件读操作数并开始执行。解决了数据的先写后读（RAW）相关指的是（）。
A、
协调非集中控制资源
B、
使用标准、开放、通用的协议和界面
C、
得到非平凡的服务质量
D、
以上都不是
标准答案
B
20、 灵活性较好，程序员可任意安排外围设备的优先级和数据传送的检查、变换的I/O方式指的是（）。
A、
程序直接控制
B、
中断方式
C、
DMA方式
D、
以上都不是
标准答案
A
21、 两个或多个时间在同一时间间隔内发生的并行性指的是（）。
A、
全相联映象
B、
直接映象
C、
组相联映象
D、
以上都不是
标准答案
C
9、 通过维护数据和控制相关所保证的是对程序正确执行起关键作用的两个特征：（）和数据流。
A、
异常行为
B、
分支控制
C、
计算操作
D、
以上都不对
标准答案
A
10、 记录转移历史信息的方法中，缓存转移目标指令的地址的是（ ）。
A、
转移预测缓存
B、
C、
基于通道总线的I/O系统结构
D、
以上都不是
标准答案
A
15、 （）要求Cache中预留特殊的比较位，用来预测下一次访问Cache时可能会用到的路或块。
A、
路预测
B、
小而简单的Cache
C、
踪迹Cache
D、
流水线Cache访问
标准答案
A
16、 经典的（）是机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性。它确定计算机系统的软、硬件界面。
A、
计算机系统结构
B、
计算机物理架构
标准答案
A
17、 指令中地址码的宽度只需要能够指明寄存器号即可指的是（）。
A、
相对寻址
B、
段寻址
C、
间接寻址
D、
以上都不是
标准答案
C
18、 在计算机设计中，（）事件速度的加快能够显著提高整个系统的性能。
A、
经常性
B、偶发性标准答案源自A19、 网格建立在多功能的协议和界面之上，这些协议和界面解决认证、授权、资源发现和资源存取等基本问题指的是（）。
分支目标缓冲
C、
基于硬件的前瞻执行
D、
硬盘缓存
标准答案
B
11、 推出过可给予多核的微处理芯片系统的有（）。
A、
IBM
B、
Intel
C、
AMD
D、
以上都是
标准答案
D
12、 增量扩展性要好，即每次只扩展一个或少数几个结点，仍能保持原有互连拓扑特性指的是（）。
A、
静态互连网络
B、
动态互连网络
C、
多级互连网络
A、
流出
B、
读操作数
C、
执行
D、
写结果
标准答案
B
24、 R4000 的浮点部件由一个浮点除法器、一个浮点乘法器和一个（）组成。
A、
浮点加法器
B、
浮点减法器
标准答案
A
25、 采用存储程序方式，程序的指令和数据存放在不同存储器中。
A、
正确
B、
不正确
标准答案
B
26、 算法简单，容易实现。没有利用历史信息，没有反映程序的局部性，命中率低指的是（）。
A、
随机算法
B、
先进先出算法
C、
近期最少使用算法
D、
最优替换算法
标准答案
A
27、 （）实现并行性中的并发性，资源重复是实现并行性中的同时性。
A、
时间重叠
B、
资源共享
标准答案
A
28、 如果处理机每条指令的处理对象是一个或一对（如两个标量相加）标量，这种处理机称为（ ）。
A、
超标量处理机
B、
单发射处理机
标准答案
C
3、 处理机数目较少的多处理机，各个处理机可以共享单个集中式存储器指的是（）。
A、
集中式共享存储器系统
B、
分布式式共享存储器系统
C、
共享存储器系统
D、
以上都不是
标准答案
A
4、 CPU在执行写操作时，把数据同时写入Cache和主存指的是（）。
A、写直达法
B、写回法
C、抵触修改法
标准答案
A
5、 如果处理机每条指令的处理对象是一个或一对（如两个标量相加）标量，这种处理机称为（）。
A、
映射表保护法
B、
键保护
C、
环保护
D、
停顿控制冲突
标准答案
B
32、 计算机中需要编址的存储部件不包含以下哪个？（）
A、
通用寄存器
B、
主存储器
C、
接口
标准答案
C
33、 使用概率高的指令用短操作码表示，概率地的用长操作码表示。包括两种方法：等长扩展（15/15/15，8/64/512等）和（）。