计算机体系结构 量化研究法PPT课件
浙江工商大学计算机体系结构第1章 计算机体系结构概述PPT课件
与晶体管性能改进相比，连线延迟改进空间更大
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1.5 集成电路功耗的发展趋势
器件升级会对功耗产生影响 动态功率：主要能耗来自开关晶体管 动态功率计算：与电容电压频率有关
移动设备关注电池寿命，用能量单位度量：
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1.3 计算机系统结构定义
2）存储器寻址 使用字节形式访问存储器中的操作数
3）寻址方式 寻址方式需要明确指出操作数的地址（特殊寄存器和 常量除外），有多种方式寻址，如寄存器寻址、立即数 寻址、相对寻址和变址寻址等
4） 操作数类型及大小 操作数大小有8位（ASCII码）、16位（unicode码或 半字）、32位（整型或字）和64位（长整型或双字）
带宽的提高速度明显优于时延的提高速度（P10 图1.8），带宽有了1000-2000倍的提高，时 延则改进20-40倍，经验法则是带宽的提高速 度至少相当于时延改进速度的平方
1.4 实现技术的发展趋势
晶体管性能与连线的规模
特征尺寸：表征集成电路的加工工艺，是晶体管 或连线在x或y方向上的最小尺寸，从1971年 到2006年，特征尺寸从10微米降到0.09微米
由于电容不变，电压的平方和频率之比为：
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1.4 实现技术的发展趋势
4）网络实现技术 交换和传输的性能决定了网络的性能，网络的发展趋势 参考附录E
以上四种技术的快速发展，可使计算机设计 的生存周期延长至5年或更长
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1.4 实现技术的发展趋势
性能的发展趋势：带宽优于时延
带宽或吞吐量：给定的时间内完成的工作总量 时延或响应时间：从事件开始到完成所需要的时间
计算机系统结构量化研究法
没有阵列型数据表示，该语句经IBM370的PL/I优化编 译程序生成的目的码有6条机器指令，其中4条需循环执行 200×200=40000次。 有阵列型数据表示，则只需一条“阵列加”指令即可。 信息传送量仅取指就减少了4×40000=160000次;加法运算
就可以在这40000个加法器中一次完成;节省了大量的辅助
操作数的类型是否与运算符所要求的一致，若不一致，还需用
软件进行转换，这些都增加了编译的负担。
标志符数据表示的主要优点为：
(1)简化了指令系统和程序设计。 (2) 简化了编译程序。 (3) 便于实现一致性校验。 (4) 能由硬件自动完成数据类型的变换。 (5) 支持了数据库系统的实现与数据类型无关的要求。 (6) 为软件调试和应用软件开发提供了支持。
图 2－5 向量编址所用的参数
3.堆栈数据表示 作用：堆栈数据结构在编译和子程序调用中很有用，为 高效实现，不少机器都设有堆栈数据表示。有堆栈数据表示
的机器称为堆栈机器。
通用寄存器型机器对堆栈数据结构的支持是较差的：堆 栈操作用的机器指令数少，功能单一，堆栈置于存储器内， 访问堆栈的速度低，通常只用于保存子程序调用时的返回地 址，少量用堆栈来实现程序之间的参数传递。
图 2－6 用堆栈实现子程序的嵌套和递归调用
2.1.3
①一是看系统的效率是否提高，即是否减少了
实现时间和存储时间。 实现时间是否减少又主要看在主存和处理机
之间传送的信息量是否减少。传送的信息量减少， 实现时间就越少。 以A、B两个200×200的定点数二维数组相加 A=A+B
为例，用PL/I
B6700机的数据描述符和数据的形式分别如下所示： 描述符 101 各种标志符 长度 地址
计算机体系结构ppt课件
• 于是，计算机又被看成是由主机和外设两 大部分组成。但无论怎样划分，计算机的5大 部件始终是相对独立的子系统，缺一不可。
3.1.2 计算机硬件的典型结构
• 计算机系统的硬件结构包括各种形式的总线结构和通 道结构，它们是各种大、中、小、微型计算机的典型 结构体系。
软件资源的增多， 信息存储问题就十 分突出，促使由一 级存储发展到多级 存储，甚至在主存 储器一级也采用多 存储体交叉访问技 术，出现了以存储 系统为核心的计算 机系统结构。
第三章 计算机体系结构
• 硬件和软件是学习计算机知识经常遇到的术语。 硬件是指计算机系统中实际设备的总称。它可 以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件 或设备，或由它们组成的计算机部件或整个计 算机硬件系统。
• 计算机系统包括大型机、中小型机以及微机等 多种结构形式，其硬件主要包括: 运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出设备等部件。
一、计算机系统的硬件结构
计算机系统包括大型计算机、中小型 计算机、微型计算机等各种不同的硬件结 构，不同种类的计算机硬件结构具有不同 的硬件体系和结构特点，本节简要介绍不 同计算机的硬件结构。
3.1.1 现代计算机结构的特点 3.1.2 计算机硬件的典型结构 3.1.3 微型计算机常见总线标准
3.1.1 现代计算机结构的特点
• 1．总线 • 所谓总线，就是CPU、内存储器和I/O接口之间相互交
换信息的公共通路，各部件通过总线连成一个整体。 所有的外围设备也通过总线与计算机相连。按传送信 息的类别，总线可以分为三种：地址总线（Address Bus 缩写为AB）、数据总线（Data Bus 缩写为DB）和 控制总线（Control Bus 缩写为CB）。地址总线传送存 储器和外围设备的地址，数据总线传送数据，控制总 线则是管理协调各部分的工作,图3-2所示。
计算机体系结构完整讲义ppt课件
• 计算机的更新换代
– 第一代：电子管计算机 – 第二代：晶体管计算机
硬件设计公理： 越小越快
– 第三代：中小规模集成电路
– 第四代：大或超大规模集成电路
– 第五代：VLSI(甚大规模集成电路)
计算机性能的大幅度提高和更新换代，一方面依靠 器件的不断更新，同时也依赖系统结构的不断改进。
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二 按计算机系统成本分类
• 是对计算机系统中各机器级之间界面的划 分和定义，以及对各级界面上、下的功能 进行分配
– 1964年，IBM/360系列机的总设计工程师G.M. Amdahl、G.A. Blauw、F.P. Brooks等人提出。 也称体系结构。
– 是从程序员的角度所看到的系统的属性，是 概念上的结构和功能上的行为
• 1.2.2 计算机系统的设计方法
• ---软硬件舍取的基本原则 • ---计算机系统设计者的主要任务 • ---计算机系统设计的基本方法 （三种）
• 计算机语言：是用以描述控制流程的、 有一定规则的字符集合
– 语言不是专属软件范畴，可以介属于计算机 系统的各个层次，具有不同作用
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1.1.1计算机系统的多级层次结构
从使用语言的角度上，将计算机系统 看成按功能划分的多级层次结构
机器、汇编、高级、应用语言
低级
高级
后者比前者功能更强、使用更方便；
而前者是后者发展的基础，在单条指令的 执行速度相比较，前者更快。
•第1章 •第2章 •第3章 •第4章 •第5章 •第6章
计算机系统设计基础 数据表示与指令系统性能分析 流水技术和向量处理 阵列计算机 多处理机系统 数据流计算机
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第1章 计算机系统设计基础
• 1.1 计算机系统的基本概念 • 1.2 计算机系统的设计技术 • 1.3 计算机系统的性能评价 • 1.4 计算机系统结构的发展
《计算机体系结构》课件
ABCD
理解指令集体系结构、处 理器设计、存储系统、输 入输出系统的基本原理和 设计方法。
培养学生对计算机体系结 构领域的兴趣和热情，为 未来的学习和工作打下坚 实的基础。
CHAPTER
02
计算机体系结构概述
计算机体系结构定义
计算机体系结构是指计算机系统的整 体设计和组织结构，包括其硬件和软 件的交互方式。
CHAPTER
06
并行处理与多核处理器
并行处理概述
并行处理
指在同一时刻或同一时间间隔内 完成两个或两个以上工作的能力
。
并行处理的分类
时间并行、空间并行、数据并行和 流水并行。
并行处理的优势
提高计算速度、增强计算能力、提 高资源利用率。
多核处理器
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多核处理器
指在一个处理器上集成多个核心，每个核心可以 独立执行一条指令。
间接寻址
间接寻址是指操作数的有效地址通过寄存器间接给出，计算机先取出 寄存器中的地址，再通过该地址取出操作数进行操作。
CHAPTER
04
存储系统
存储系统概述
存储系统是计算机体系结构中 的重要组成部分，负责存储和 检索数据和指令。
存储系统通常由多个层次的存 储器组成，包括主存储器、外 存储器和高速缓存等。
《计算机体系结构》ppt 课件
CONTENTS
目录
• 引言 • 计算机体系结构概述 • 指令系统 • 存储系统 • 输入输出系统 • 并行处理与多核处理器 • 流水线技术 • 计算机体系结构优化技术
CHAPTER
01
引言
课程简介
计算机体系结构是计算机科学的一门核心课程，主要研究计算机系统的基本组成、组织结构、工作原 理及其设计方法。
计算机体系结构量化研究方法 中文版
2021弱电工程师真题模拟及答案(2)1、以下关于UPS工频机和高频机的说法错误的是（）（多选题）A. 高频机的逆变拓扑方式可以采用半桥架构也可采用全桥架构B. 高频机母线电压比工频机高，所以所需配置的蓄电池节数一定多于工频机C. 工频机内部一定有输出隔离变压器D. UPS工频机的功率器件的开关频率为工频50HzE. 工频机的输入功率因数一定比高频低试题答案：A,B,D,E2、船舶雾航中使用雷达助航时，应注意（）。
（单选题）A. 雷达量程档应远、近交替使用B. 保持对雷达进行仔细、连续的观测C. 对雷达回波应能准确识别D. 以上都对试题答案：D3、CAD中画多段线的命令是（）（单选题）A. MB. MLC. PLD. L试题答案：C4、下面哪个不能加强无线网络的安全（）（单选题）A. 数据加密B. 定向传输C. 更改SSIDD. 更改默认用户名与密码试题答案：B5、根据能见距离大小，将能见度分为十个等级，能见度恶劣其能见距离规定为（）（单选题）A. 小于0.5kmB. 小于0.05kmC. 小于1kmD. 小于2km试题答案：A6、为了消除相邻的地感线圈间的串扰，要保证线圈之间的最小距离为（）米。
（单选题）A. 1B. 2C. 3D. 4试题答案：B7、下列说法哪个不正确？（）（单选题）A. 航道弯曲半径越大越好B. 航道弯曲半径越小越好C. 航道弯曲中心角越大越好D. 航道弯曲系数越小越好试题答案：B8、为了解决（）的问题，采用了双技术探测器。
（单选题）A. 误报B. 漏报C. 干扰D. 辐射试题答案：A9、综合布线系统划分成子系统（）（单选题）A. 4个子系统B. 5个子系统C. 6个子系统D. 4个子系统试题答案：C10、造成极板弯曲，主要原因有以下哪几个方面（）（多选题）A. 蓄电池中含有杂质，在引起局部作用时，仅有小部分活性物质变成硫酸铅，致使整个极板的活性物质体积变化不一致，造成弯曲B. 极板活性物质在制造过程中因形成或涂膏分布不均匀，因此，在充放电时极板各部分所起的电化作用强弱不均匀，致使极板上活性物质体积的膨胀和收缩不一致而引起弯曲，有的造成开裂C. 过量充电或过量放电，增加了内层活性物质的膨胀和收缩，恢复过程不一致，造成极板的弯曲D. 大电流放电或高温放电时，极板活性物质反应较激烈，容易造成化学反应不均匀而引起极板弯曲试题答案：A,B,C,D11、楼宇自动化系统的功能有（）（多选题）A. 监控功能B. 环保功能C. 管理功能D. 服务功能试题答案：A,C,D12、河流中某河段水位站设置多少是根据河段中（）大小确定的（单选题）A. 流速B. 比降C. 流量D. 水位试题答案：B13、下面哪个设备可以做为无线AP。
计算机体系结构量化研究方法
计算机体系结构量化研究方法随着科技的发展，计算机体系结构的量化研究方法在当今的研究领域中越来越受到关注。
计算机体系结构的量化研究中，对采用有效的研究方法至关重要。
这些研究方法可以帮助我们更加深入和准确地了解计算机体系结构特征，以更好地改进和实现其研究意图。
一般来说，计算机体系结构量化研究的方法可以归纳为三大类：方法分析，结构分析和数值分析。
方法分析是从方法角度对计算机体系结构进行分析，主要研究计算机体系结构量化方法，包括度量改进，结构设计，优化算法等，以及模拟计算机体系结构设计模型。
结构分析是从结构角度对计算机体系结构进行分析，主要关注计算机体系结构的内部构造，比如模块结构、网络拓扑结构等，进行结构优化的研究。
最后，数值分析是从数值角度对计算机体系结构进行分析，采用数学工具和技术来综合分析计算机体系结构的数值模型，包括数值计算、数据分析、优化技术、设计理论与方法等。
方法分析、结构分析和数值分析是计算机体系结构量化研究中使用最多的三种研究方法，而且也是最有效的方法。
它们可以帮助我们更准确、更深入地揭示计算机体系结构的结构特征，并且可以运用这些研究方法来改进和优化计算机体系结构。
首先，方法分析可以有效地提高计算机体系结构的拓扑性能和可扩展性，通过度量改进、结构设计和优化算法的研究，可以有效地提高计算机体系结构的效能。
其次，结构分析可以帮助我们深入探索计算机体系结构的内部构造，以有效研究计算机体系结构的结构优化问题，提高系统的可靠性、可扩展性和可维护性。
最后，数值分析可以使用数学工具和技术，研究计算机体系结构的数值模型，以及改进计算机体系结构的设计理论与方法。
从上述方法可以看出，采用有效的计算机体系结构量化研究方法，不仅可以提高计算机体系结构的性能，而且可以有效地改进和优化计算机体系结构。
因此，有必要继续开展计算机体系结构量化研究，以推动计算机体系结构发展，并实现计算机体系结构研究的目标。
总之，计算机体系结构量化研究方法在计算机体系结构中发挥着重要作用，它可以帮助我们更深入地了解计算机体系结构特征，从而更有效地实现计算机体系结构研究的目标。
计算机体系结构 量化研究方法
从目录来看，本书的内容共分为四个部分。第一部分“引言”介绍了计算机体系结构的基本概念 和量化研究方法的重要性。第二部分“量化研究方法”详细阐述了量化研究方法的各个环节，包 括数据收集、模拟、性能评估等。第三部分“计算机体系结构要素”则对计算机体系结构的各个 要素进行了分析，包括处理器、内存、I/O系统等。最后一部分“优化计算机体系结构”介绍了 如何运用量化研究方法来优化计算机体系结构，提高系统性能。
在这本书中，作者们不仅介绍了计算机体系结构的基本知识，还深入探讨了并行计算、流水线技 术、超标量技术等前沿领域。同时，书中还提供了大量的案例和实际应用场景，帮助读者更好地 理解和应用这些理论知识。
阅读感受
作者们在书中还提出了一些具有挑战性的问题，引导读者进一步思考和研究。 在阅读这本书的过程中，我不禁回想起自己在学习计算机组成原理时遇到的困扰。虽然那本书详 细介绍了计算机的各个硬件组成部分，以及它们之间的关系和连接方式，但对于如何配置和处理 器的各个寄存器，却没有提供一套成型的理论。而《计算机体系结构：量化研究方法》则填补了 这一空白，它为我们提供了如何根据应用场景去合理地规划各个功能模块的特性的方法。 《计算机体系结构：量化研究方法》是一本令人叹为观止的佳作，它让我重新审视计算机体系结 构这一领域。这本书的深度和广度，以及作者们的专业知识和见解，都为我们提供了宝贵的学习 和研究资源。我相信这本书不仅适合计算机专业的学生和研究者阅读，对于广大计算机爱好者来 说，也是一本值得收藏的经典之作。
阅读感受
阅读感受
《计算机体系结构：量化研究方法》是一本我读过的极具启发性的计算机科学书籍。这本书以其 系统、深入的视角，向我们展示了计算机体系结构的各个方面，包括设计基础、存储器层次结构 设计、指令级并行及其开发、数据级并行、GPU体系结构、线程级并行和仓库级计算机等。通过 阅读这本书，我对计算机体系结构有了更深入的理解，也掌握了一些实用的量化研究方法。
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1.1 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 1.3 计算机系统的软硬取舍、性能评测及定量设计原理 1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性发展和计算机系统的分类
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1.1 计算机系统的多级层次结构
1.计算机系统的多级层次结构划分角度 2.各机器级间实现的主要方式 3.实际机器和虚拟机器 4. 多级层次结构划分的意义 Nhomakorabea.
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传统机器级和微程序机器的实现
➢ 传统机器级 采用组合逻辑电路控制，其指令可直接用硬 件来实现,也可以采用微程序控制，用微指令(L0)程序来解 释实现。 ➢ 微指令 直接控制硬件电路的动作。
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3. 实际机器和虚拟机器
所谓固件(Firmware),是一种具有软件功能的硬件，例如 将软件固化在只读存储器这种大规模集成电路的硬、器件 上，就是一种固件。
1.2.1 计算机系统结构、组成、实现的 定义和内涵
1.2.2计算机系统结构、组成和实现的相 互关系
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1.2.1 计算机系统结构、组成、实现的定义和内涵
（一） 计算机系统结构
1系统结构定义：从计算机系统的层次结构定义，系统结构
(SystemArchitecture)是对计算机系统中各级界面的划分、定 义及其上下的功能分配。每级都有其自己的系统结构。
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（二）计算机的组成
1. 计算机组成的定义：计算机组成（computer organization，又称计算机设计）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。它着眼于机器内各事件的排序方式与控制机构、 各部件的功能以及各部件间的联系。
可让各虚拟机器级用真正的实处理机代替，摆脱以往各级 功能都在同一台实际机器上实现的状况，发展多处理机、 分布处理、计算机网络等系统结构。
可以在一台宿主机上模拟或仿真另一台机器，推动自虚拟 机、多种操作系统共行等技术的采用，从而促进软件移植、 计算机系统性能评价、计算机设计自动化等技术的发展。
.
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1.2计算机系统结构、组成与实现
4计算机系统结构研究的内容：是软、硬件之间的功能分配
以及对传统机器级界面的确定，提供机器语言、汇编语言程
序设计者或编译程序生成系统为使其设计或生成的程序能在
机器上正确运行应看到和遵循的计算机属性。
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5. 计算机系统结构的属性：
(1)硬件能直接识别和处理的数据类型及格式等的数据表示； (2)最小可寻址单位、寻址种类、 (3)通用/专用寄存器的设置、数量、字长、使用约定等的寄存
以软件为主实现的机器称为虚拟机器，以区别于由硬件 或固件实现的实际机器。
虚拟机器不一定全由软件实现，有些操作也可用固件或
硬件实现。例如操作系统的某些命令可用微程序或硬件实
现。
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4.多级层次结构划分的意义
将计算机系统看成是多级机器构成的层次结构推动了计 算机系统结构的发展。
例如，可以重新调整软、硬件比例，为各级提供更多更好的硬件支 持，改善硬、器件迅速发展而软件日益复杂、开销过大的状况；或直接 用硬件或固件实现，发展高级语言机器或操作系统计算机结构。
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1.计算机系统的多级层次结构划分角度
从使用语言的角度进行划分： 可以将系统看成是按功能划分的多层机器
级组成的层次结构，层次结构由高到低分别为 应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言 机器级、 操作系统机器级、传统机器语言机器 级和微程序机器级。对于一个具体的计算机系 统，层次的多少会有所不同。
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3
图 1.1 计算机系统. 的多级层次结构
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2.各机器级的实现方式
翻译(Translation)是先用转换程序将高一级机器级上的程 序整个地变换成低一级机器级上等效的程序，然后再在 低一级机器级上实现的技术。
解释(Interpretation)则是在低级机器级上用它的一串语句 或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能， 是通过对高级的机器级语言程序中的每条语句或指令逐 条解释来实现的技术。
➢解释实现 也可以用汇编语言(L3)程序、机器语言(L1)程序， 甚至微指令语言(L0)程序解释实现。
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汇编语言(L3)源程序的实现
➢翻译实现 汇编语言(L3)源程序则是先用汇编程序整个将 它变换成等效的二进制机器语言(L1)目标程序，再在传统机 器级M1上实现。
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操作系统程序的实现
➢解释实现 操作系统程序虽然已经发展成用高级语言(如C语 言)编写，但最终还是要用机器语言程序或微指令程序来解释。
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应用语言虚拟机器级M5的实现
➢ 翻译实现 应用语言虚拟机器级M5是为满足专门 的应用设计的。使用面向某种应用的应用语言(L5)编 写的程序。一般是经应用程序包翻译成高级语言(L4) 程序后，再逐级向下实现。
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高级语言机器级M4的实现
➢翻译实现 高级语言机器级M4上的程序可以先用编译程序 整个翻译成汇编语言(L3)程序或机器语言(L1)程序，再逐级 或越级向下实现.
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3. 计 算 机 系 统 结 构 也 称 计 算 机 系 统 的 体 系 结 构 (ComputerArchitecture),它只是系统结构中的一部分，指的是 传统机器级的系统结构。它是软件和硬件/固件的交界面，是 机器语言、汇编语言程序设计者，或编译程序设计者看到的 机器物理系统的抽象。
2透明性：客观存在的事物或属性从某个角度看不到，简称 透明(Transparent)。不同机器级程序员所看到的计算机属性 是不同的，它就是计算机系统不同层次的界面。
3系统结构研究的内容：就是要研究对于某级，哪些属性应 透明，哪些属性不应透明。透明可简化该级的设计，但因 无法控制，也会带来不利影响。因此，要正确进行透明性 取舍。
(4)二进制或汇编级指令的操作类型、格式、排序方式、控制
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(5)内存的最小编址单位、编址方式、容量、最大可编 址空间等的存储系统组织；
(6)中断的分类与分级、中断处理程序功能及入口地址
(7)系统机器级的管态和用户态的定义与切换； (8)输入/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I/O (9)系统各部分的信息保护方式和保护机构等属性。