体系结构
简述osi体系结构
简述osi体系结构
OSI（Open Systems Interconnection，开放式系统互联模型）体系结构是一种理论模型，用于指导网络协议的设计与实现，旨在实现网络设备之间的互通性，也就是实现跨网络厂商、跨设备之间的互操作性。
OSI体系结构分为7层，如下所示：
第1层：物理层（Physical Layer） - 负责将数字数据转换成比特流，并在物理媒介上传输比特流；
第2层：数据链路层（Data Link Layer） - 负责将比特流转换成帧，并通过物理媒介进行传输；
第3层：网络层（Network Layer） - 负责将帧转换为数据包，并提供路径选择、流量控制、差错处理等功能；
第4层：传输层（Transport Layer） - 负责数据传输的可靠性和顺序性，同时还负责流量控制、差错处理等问题；
第5层：会话层（Session Layer） - 负责建立、维护、终止会话连接；
第6层：表示层（Presentation Layer） - 负责对数据进行格式化、压缩、加密等处理，以确保不同设备间的数据格式的兼容性；
第7层：应用层（Application Layer） - 最高层，负责为用户提供服务，如电子邮件、文件传输、远程登录等。
OSI体系结构是一种理论模型，实际上实现起来比较困难，因此现在大多数协议都是在OSI模型的基础上进行了修改和简化，比如TCP/IP协议就是在OSI模型的基础上发展而来的。
现代科学的体系结构
现代科学的体系结构
现代科学的体系结构可以分为以下几个层次或领域：
1. 自然科学：包括物理学、化学、生物学、地球科学等。
自然
科学研究自然界的规律和现象，通过观察、实验和理论推导等手段揭
示自然现象背后的科学原理。
2. 社会科学：包括经济学、社会学、心理学、政治学等。
社会
科学研究人类社会的行为、组织、文化以及社会系统的运作规律。
3. 工程科学：包括工程学、计算机科学、材料科学等。
工程科
学研究实际应用中的技术问题，旨在解决现实生活中的实际工程和技
术挑战。
4. 数学：数学是一门独立的学科，也是其他科学领域的基础。
它研究空间、数量、结构以及变化等抽象概念。
数学的应用领域广泛，并且与其他科学领域有着密切的关系。
除了以上主要的科学领域，现代科学还涉及交叉学科的研究，如
生物化学、物理化学、生物医学工程等。
这些交叉学科的产生是为了
更好地解决复杂问题，促进科学的交叉和创新。
现代科学也注重科学
方法论的研究，如实证主义、理论预测、实验设计等，这些方法可以
帮助科学家进行科学研究和验证科学理论的可靠性。
现代科学的体系
结构是动态发展的，不断扩展和丰富。
体系结构详细概念
计算机体系结构考试范围一．概念1.计算机系统结构、计算机组成、计算机实现的定义：Flynn分类法及最典型机型系统结构定义：把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性特性；组成定义：是指计算机系统的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
实现的定义：是计算机组成的物理实现。
三者的关系：计算机系统结构是计算机系统的软、硬件分界面，是机器语言程序设计者或是编译程序生产系统为是其设计或者生成的程序能在机器上运行所看到的计算机属性；计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。
Flynn分类法：按照指令流和数据流的多倍性状况对计算机系统进行分类。
四大类：1.单指令流单数据流(SISD) 例子：平常生活中使用的机器，如PC、V AX、IBM360/370、4300系列、CDC66002.单指令流多数据流（SIMD）例子：ILLIAC-IV、PEPE、STARAN、早期的MPP3.多指令流多数据流（MISD）例子：脉动阵列（systolic）4多指令流多数据流（MIMD）例子：1）C.mmp、Cra-2、S-1、Cray X-MP 2）.IBM3081/3084、IBM370/168MP、UNIV AC1100/80、Tandem/16多处理器系统：多个cpu不带存储系统多处理机系统：多cpu带存储系统2.透明性的概念及判断透明性概念：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看却好像是不存在；通常，在一个计算机系统中，低层机器级的概念性结构和概念特性，对高级程序员来说是透明的。
对于目前的通用型机器，计算机系统结构（传统机器程序员所看到的属性）一般包括：(1)机器内的数据表示，包括硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等；(2)寻址方式，包括最小寻址单位，寻址方式的种类、表示和地址计算等；(3)寄存器组织，包括操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及某些专用寄存器的定义、数量和使用约定；(4)指令系统，包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序方式和控制机构等；(5)存储系统，包括最小编址单位、编址方式、主存容量和最大可编址空间等；(6)中断机构，包括中断的类型、中断分级、中断处理程序的功能和入口地址等；(7)机器工作状态的定义及切换，如在管态，处理机可以使用系统的全部指令和全部资源，而在目态，处理机只能执行用户程序；(8)输入输出机构，包括输入输出设备的连结方式，处理机/存储器与输入输出设备间数据传送的方式与格式、传送的数据量、以及输入输出操作的结束与出错标志等；(9)信息保护，包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等3.操作码的三种表示方法（1）。
系统 体系 结构的区别和联系
系统体系结构的区别和联系
系统、体系与结构是三个相互关联的概念，它们又有各自独特的含义和用法。
系统（System）是指有机的整体或组成部分，是由各种有机物或无机物组成的单元集合，通过各种相互作用和连通关系紧密地联系在一起，共同完成特定功能的过程。
例如，计算机系统就是由若干个硬件组成的单元集合，通过各种软件和硬件的相互作用和联接紧密地联系在一起，以完成一定的计算处理任务。
体系（Systematics）是指在学科研究中的有机整体结构或分类体系，是指一系列有机整体或分类单位，在研究中被认为是一个有机且有序的集合。
例如，生物体系是分类学研究中的一个有机且有序的集合，在这个集合中，生物体类之间有着一定的层级和关系。
结构（Structure）是指组成体系或系统的各个部分之间的相互关系和组织方式，体现了分支、衍生和层次等基本规律。
例如，建筑结构是指建筑物各部分之间的相互关系和组织方式。
在软件工程中，系统、体系和结构的含义常常存在重叠和交叉之处。
通常，系统是指软件系统的总体，它包括各种硬件、软件和人员等组成部分，体系是指软件系统的分类体系，例如软件体系架构、功能体
系等；而结构则是指软件系统的内部组成结构，例如数据结构、模块结构等。
三者之间的联系在不同的上下文中有所不同，但它们都是软件工程中必不可少的概念，能够帮助人们更好地理解和分析软件系统。
软件体系结构的定义
软件体系结构是指软件系统中各个组件之间的组织方式和相互关系的抽象表示。
它描述了一个软件系统的整体结构、组成部分及其相互之间的交互关系、通信方式和约束规则。
软件体系结构定义了系统的基本框架，规定了各个模块之间的功能划分、接口设计和数据流动等，是软件系统设计的基础。
软件体系结构通常包括以下几个方面的内容：
组件：软件系统的组成部分，可以是模块、类、对象等。
每个组件负责实现特定的功能，并通过接口与其他组件进行交互。
接口：定义了组件之间的通信规则和交互方式，包括输入和输出的数据格式、方法调用方式等。
结构：描述了组件之间的组织方式和关系，如层次结构、模块化结构、客户端-服务器结构等。
链接：描述了组件之间的连接方式和数据流动路径，如同步或异步通信、数据传输的方式等。
约束：定义了系统中的规范和限制条件，包括性能要求、安全性要求、可扩展性要求等。
通过定义和设计软件体系结构，可以提高软件系统的可维护性、可扩展性和可重用性，同时降低系统开发和维护的复杂性。
软件体系结构还可以帮助开发团队进行模块化的工作分配，提高开发效率和协作能力。
软件设计和体系结构
软件设计和体系结构是软件开发过程中两个重要的概念，它们在软件系统的构建和组织中起着关键的作用。
软件设计指的是确定和定义软件系统的结构、组件、模块和其相互关系的过程。
它涉及到将软件系统的需求转化为可执行的软件解决方案。
软件设计的目标是创建一个高效、可维护、可扩展、可靠和可重用的软件系统。
在软件设计过程中，设计师通常会使用各种设计原则、模式和方法来帮助他们制定优良的设计方案。
软件体系结构则是描述软件系统的整体结构和组织方式的概念。
它定义了系统的主要组件、模块、它们之间的关系以及与外部环境的交互。
软件体系结构可以视为软件系统的"骨架"，它决定了系统的整体框架、架构风格和重要决策。
良好的软件体系结构应该具有可维护性、可扩展性、可重用性和性能等方面的优势。
软件设计和软件体系结构之间存在着密切的关系。
软件设计是软件体系结构的一部分，它关注的是如何在系统的局部范围内实现和组织组件和模块。
而软件体系结构则关注的是系统的整体结构和组织方式，包括不同组件之间的交互、通信和协作。
好的软件体系结构应该为软件设计提供指导和框架，而设计决策则应该符合整体体系结构的原则和约束。
综上所述，软件设计和体系结构在软件开发中是相辅相成的概念，它们共同为构建高质量、可靠和可维护的软件系统提供了基础和指导。
软件体系结构
软件体系结构软件体系结构是指软件系统中各个组件之间的关系和结构的抽象描述。
它是构建软件系统的基础，对软件系统的设计和开发起着重要的指导作用。
本文将从软件体系结构的定义、目标和应用领域等方面对其进行详细的介绍。
一、软件体系结构的定义软件体系结构是指软件系统中各个组件之间的关系和结构的抽象描述，它包括软件系统的静态结构和动态行为。
静态结构是指软件系统中组件的组织方式和相互之间的关系，动态行为是指软件系统中组件的交互方式和相互之间的通信方式。
二、软件体系结构的目标软件体系结构的目标是实现软件系统的可重用性、可维护性、可扩展性和可伸缩性。
可重用性是指软件系统中的组件能够被多次使用，可维护性是指软件系统中的组件能够被轻松地修改和维护，可扩展性是指软件系统能够根据需求进行功能的扩展，可伸缩性是指软件系统能够根据需求进行性能的扩展。
三、软件体系结构的应用领域软件体系结构广泛应用于各个领域的软件系统开发，特别是大型跨平台和分布式系统的开发。
在金融领域，软件体系结构被应用于交易系统和风险管理系统的开发；在电子商务领域，软件体系结构被应用于在线购物系统和支付系统的开发；在物流领域，软件体系结构被应用于供应链管理系统和运输管理系统的开发。
四、软件体系结构的基本原则软件体系结构的设计应遵循以下基本原则：1. 模块化：将软件系统分为独立的模块，每个模块只负责特定的功能，通过接口进行通信和交互。
2. 松耦合：各个模块之间的依赖应尽量降低，避免模块之间的紧密耦合，以提高系统的灵活性和可维护性。
3. 高内聚：模块内部的各个元素之间应紧密关联，功能相关的元素应放在同一个模块中，以提高系统的内聚性。
4. 分层：将软件系统分为多个层次，每个层次负责不同的功能，上层层次通过接口调用下层层次的功能。
5. 可伸缩性：系统的设计应考虑未来的扩展需求，能够根据需求进行功能和性能的扩展。
六、软件体系结构的设计方法软件体系结构的设计方法有很多种，常用的有面向对象的体系结构设计方法、服务导向的体系结构设计方法和领域驱动设计方法。
体系结构模式
体系结构模式
体系结构模式是一种软件设计模式，它描述了一个系统的整体结构和
组件之间的关系，以及它们如何协同工作来实现系统的功能。
体系结
构模式可以帮助开发人员更好地组织和管理复杂的软件系统，提高系
统的可维护性、可扩展性和可重用性。
常见的体系结构模式包括：
1. 分层体系结构模式：将系统分为多个层次，每个层次都有自己的职
责和功能。
这种模式可以提高系统的可维护性和可扩展性。
2. 客户端-服务器体系结构模式：将系统分为客户端和服务器两部分，客户端向服务器请求数据或服务，服务器处理请求并返回结果。
这种
模式可以提高系统的可伸缩性和安全性。
3. MVC体系结构模式：将系统分为三个部分：模型、视图和控制器。
模型负责处理数据逻辑，视图负责显示数据，控制器负责协调两者之
间的交互。
这种模式可以提高系统的可维护性、可扩展性和可重用性。
4. 事件驱动体系结构模式：将系统设计成响应事件的方式，当事件发
生时，触发相应的处理程序进行处理。
这种模式可以提高系统的灵活
性和可扩展性。
5. 微服务体系结构模式：将系统拆分成多个小型服务，每个服务都有自己的职责和功能。
这种模式可以提高系统的可伸缩性、灵活性和可重用性。
总之，体系结构模式是一种非常重要的软件设计模式，它可以帮助开发人员更好地组织和管理复杂的软件系统，提高系统的可维护性、可扩展性和可重用性。
开发人员应该根据具体情况选择适合自己的体系结构模式来设计系统。
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1.6 某台主频为400MHz 的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平求该计算机的有效CPI 、MIPS 和程序执行时间。
解：（1）CPI ＝(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2) / 129500＝1.776 (或259460) （2）MIPS 速率＝f/ CPI ＝400/1.776 ＝225.225MIPS (或2595180MIPS) （3）程序执行时间= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575μs1.7 将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？解 由题可知： 可改进比例 = 40% = 0.4 部件加速比 = 10 根据Amdahl 定律可知：()5625.1104.04.011=+-=系统加速比采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高到原来的1.5625倍。
种编码的平均码长。
解：根据给出的九条指令的使用频度和哈弗曼生成算法的结构的不用构造了两种不同的哈夫曼树。
（左边为A ，右边为B ） 各编码如下：由表可知，三种编码的平均码长为：(公式：L=∑Pi *Li)哈弗曼编码：2.42位 3/3/3编码：2.52位 2/7编码：2.70位平均码长：2*43%+2*22%+4*（1-43%-22%）=2.72.12.某机指令字长16位。
设有单地址指令和双地址指令两类。
若每个地址字段为6位.且双地址指令有X 条。
问单地址指令最多可以有多少条? 解：双地址指令结构为：（4位操作码）（6位地址码）（6位地址码） 单地址指令结构为：（10位操作码）（6位地址码） 因此，每少一条双地址指令，则多2^6条单地址指令，指令 Ii Pi哈弗曼A 哈弗曼B 3/3/32/7 ADD I1 0.43 0 0 00 00 CLA I2 0.22 10 100 01 01SUB I3 0.13 110 101 10 1000 JMP I4 0.07 11100 1100 1100 1001 JOM I5 0.06 11101 1101 1101 1010 STO I6 0.05 11110111011101011CIL I7 0.02 111110 11110 111100 1100SHR I8 0.01 1111110 111110 111101 1101 STP I9 0.01 1111111 111111 111110 1110双地址指令最多是2^(16-6-6)=2^4=16条 ， 所以单地址指令最多有（16-X ）*2^6条。
2.13.若某机要求：三地址指令4条，单地址指令255条，零地址指令16条。
设指令字长为12位．每个地址码长为3位。
问能否以扩展操作码为其编码?如果其中单地址指令为254条呢?说明其理由。
解：（1）不能用扩展码为其编码。
指令字长12位，每个地址码占3位，三地址指令最多是2^(12-3-3-3)=8条， 现三地址指令需4条,所以可有4条编码作为扩展码，而单地址指令最多为4×2^3×2^3=2^8=256条，现要求单地址指令255条， 所以可有一条编码作扩展码因此零地址指令最多为1×2^3＝8条不满足题目要求，故不可能以扩展码为其编码。
（2）若单地址指令254条，可以用扩展码为其编码。
依据（1）中推导，单地址指令中可用2条编码作为扩展码，零地址指令为2×2^3＝16条，满足题目要求3.6有一指令流水线如下所示出 50ns 50ns 100ns 200ns（1） 求连续输入10条指令，该流水线的实际吞吐率和效率； （2） 该流水线的“瓶颈”在哪一段？请采取两种不同的措施消除此“瓶颈”。
对于你所给出的两种新的流水线，连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少？解：（1）2200(ns)2009200)10050(50t )1n (t T maxm1i i pipeline =⨯++++=∆-+∆=∑= )(ns 2201T nTP 1pipeline-==45.45%1154400TP mtTP E m1i i≈=⋅=∆⋅=∑= （2）瓶颈在3、4段。
变成八级流水线（细分）850(ns)509850t 1)(n t T maxm1i i pipeline =⨯+⨯=∆-+∆=∑=)(ns 851T nTP 1pipeline-==58.82%17108400TP mtiTP E m1i ≈=⋅=∆⋅=∑= 重复设置部件)(ns 851T nTP 1pipeline-==58.82%1710885010400E ≈=⨯⨯=3.7有一个流水线由4段组成，其中每当流经第3段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。
如果每段经过一次所需要的时间都是t ∆，问：（1） 当在流水线的输入端连续地每t ∆时间输入任务时，该流水线会发生什么情况？ （2） 此流水线的最大吞吐率为多少？如果每t ∆2输入一个任务，连续处理10个任务时的实际吞吐率和效率是多少？ （3） 当每段时间不变时，如何提高该流水线的吞吐率？仍连续处理10个任务时，其段吞吐率提高多少？（2）54.35%925045TP E 2310T nTp 23T 21TP pipelinepipeline max ≈=∆⋅=∆∆==∆=∆=t tt t（3）重复设置部件tt∆⋅=∆⋅==751410T nTP pipeline段t∆ 14吞吐率提高倍数＝tt ∆∆231075＝1.643.8 有一条静态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的时间为2△t ，其余各段的时间均为△t ，而且流水线的输出可以直接返回输入端或 暂存于相应的流水寄存器中。
现要在该流水线上计算，画出其时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。
解：首先，应选择适合于流水线工作的算法。
对于本题，应先计算A 1＋B 1、A 2＋B 2、A 3＋B 3和A 4＋B 4；再计算(A 1＋B 1) ×(A 2＋B 2)和(A 3＋B 3) ×(A 4＋B 4)；然后求总的结果。
其次，画出完成该计算的时空图，如图所示，图中阴影部分表示该段在工作。
由图可见，它在18个△t 时间中，给出了7个结果。
所以吞吐率为：tTP ∆=817如果不用流水线，由于一次求积需3△t ，一次求和需5△t ，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t =29△t 。
所以加速比为：该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得：5.1解释下列术语指令级并行：简称ILP 。
是指指令之间存在的一种并行性，利用它，计算机可以并行执行两乘法加法)(41i i i B A +∏= 时间段输 入A 1B 1 A 2 B 2 A 3 B 3 A 4 B 4A B CDA ×BC ×D61.18192=∆∆=tt S 223.01853354=⨯⨯+⨯=E条或两条以上的指令。
指令调度：通过在编译时让编译器重新组织指令顺序或通过硬件在执行时调整指令顺序来消除冲突。
指令的动态调度：是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。
是由硬件在程序实际运行时实施的。
指令的静态调度：是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。
它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。
保留站：在采用Tomasulo算法的MIPS处理器浮点部件中，在运算部件的入口设置的用来保存一条已经流出并等待到本功能部件执行的指令（相关信息）。
CDB：公共数据总线。
动态分支预测技术：是用硬件动态地进行分支处理的方法。
在程序运行时，根据分支指令过去的表现来预测其将来的行为。
如果分支行为发生了变化，预测结果也跟着改变。
BHT：分支历史表。
用来记录相关分支指令最近一次或几次的执行情况是成功还是失败，并据此进行预测。
分支目标缓冲：是一种动态分支预测技术。
将执行过的成功分支指令的地址以及预测的分支目标地址记录在一张硬件表中。
在每次取指令的同时，用该指令的地址与表中所有项目的相应字段进行比较，以便尽早知道分支是否成功，尽早知道分支目标地址，达到减少分支开销的目的。
前瞻执行：解决控制相关的方法，它对分支指令的结果进行猜测，然后按这个猜测结果继续取指、流出和执行后续的指令。
只是指令执行的结果不是写回到寄存器或存储器，而是放到一个称为ROB的缓冲器中。
等到相应的指令得到“确认”（即确实是应该执行的）后，才将结果写入寄存器或存储器。
ROB：ReOrder Buffer。
前瞻执行缓冲器。
超标量：一种多指令流出技术。
它在每个时钟周期流出的指令条数不固定，依代码的具体情况而定，但有个上限。
超流水：在一个时钟周期内分时流出多条指令。
超长指令字：一种多指令流出技术。
VLIW处理机在每个时钟周期流出的指令条数是固定的，这些指令构成一条长指令或者一个指令包，在这个指令包中，指令之间的并行性是通过指令显式地表示出来的。
循环展开：是一种增加指令间并行性最简单和最常用的方法。
它将循环展开若干遍后，通过重命名和指令调度来开发更多的并行性。
7.9假设在3000次访存中，第一级Cache 失效110次， 第二级Cache 失效55次。
试问：在这种情况下，该 Cache 系统的局部失效率和全局失效率各是多少？ 解第一级Cache 的失效率（全局和局部）是110/3000， 第二级Cache 的局部失效率是55/110， 第二级Cache 的全局失效率是55/3000，7.10 给定以下的假设，试计算直接映象Cache 和两路组相联Cache 的平均访问时间以及CPU 的性能。
由计算结果能得出什么结论？（1） 理想Cache 情况下的CPI 为2.0，时钟周期为2ns ，平均每条指令访存1.2次； （2） 两者Cache 容量均为64KB ，块大小都是32字节； （3） 组相联Cache 中的多路选择器使CPU 的时钟周期增加了10％； （4） 这两种Cache 的失效开销都是80ns ； （5） 命中时间为1个时钟周期； （6） 64KB 直接映象Cache 的失效率为1.4％，64KB 两路组相联Cache 的失效率为1.0％。
解： 平均访问时间＝命中时间＋失效率×失效开销 平均访问时间1-路=2.0+1.4% *80=3.12ns平均访问时间2-路=2.0*(1+10%)+1.0% *80=3.0ns 两路组相联的平均访问时间比较低CPU time =（CPU 执行+存储等待周期）*时钟周期CPU time =IC （CPI 执行+总失效次数/指令总数*失效开销） *时钟周期 =IC （（CPI 执行*时钟周期）+（每条指令的访存次数*失效率*失效开销*时钟周期）） CPU time 1-way =IC(2.0*2+1.2*0.014*80)＝5.344IC CPU time 2-way =IC(2.2*2+1.2*0.01*80)＝5.36IC相对性能比：=--1waytime 2way time CPU CPU 5.36/5.344=1.003直接映象cache 的访问速度比两路组相联cache 要快1.04倍，而两路组相联Cache 的平均性能比直接映象cache 要高1.003倍。