四川大学计算机组成和体系结构
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。
四川大学计算机学院操作系统课件-文件系统详解
连续分配
每一个文件分配一块连续的磁盘空间 只需要起始位置和长度就可以确定文件 随机访问效率很高 浪费空间比较严重(参见动态存储分配) 文件大小不能增长
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连续分配文件系统
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链式分配
每一个文件式数据块链表 目录中保存文件的第一块和最后一块的指针 每块都保存下一个块的地址 优点：
保护：
防止非法访问 有很多方法
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怎么保护
一个极端：拒绝访问，完全保护 另一个极端：任意访问，每有保护 真正的需求：有控制的访问
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保护
文件的所有者/创建者可以控制
什么可以做 谁可以做
存取的类型
读取 写入 执行 添加 删除 列出
33/63
访问属性：一种常用的方法
5/63
文件属性
名称 类型 位置 大小 保护 时间 所有者
6/63
文件操作
操作系统的提供的操作文件的基本动作
创建 读文件 写文件 在文件内定位 删除文件 截短文件
7/63
打开文件列表
保存进程所有已经打开的文件的基本信息 包括：(不仅仅包括这些) 文件指针：当前文件存取位置 文件打开次数：有几个进程同时打开了它 磁盘定位：文件在磁盘上的位置
13/63
索引访问
建立在直接访问方法之上 使用索引
一级索引 多级索引
14/63
索引访问
15/63
提纲
文件概念 访问方法 目录结构 文件保护 文件系统结构 分配方式 空闲空间管理 目录实现 效率和性能 文件恢复
16/63
背景
文件系统可能会非常巨大 需要一种方法来组织文件以方便管理 实现组织的两个部分
目录实现
四川大学2013计算机组成和体系结构 (A 闭 )
7. Byte 0 is FE and Byte 1 is 01. If these bytes hold a 16-bit two’s complement integer and memory is big endian, the actual decimal value is ___________. If memory is little endian, the actual decimal value is ___________.
4. The Amdahl’s Law k is .
, where S is the speedup, f is_______________ _____,
5. Suppose a disk drive has the following characteristics: a)4 surfaces; b) 2048 tracks per surface; c)256 sectors per track; d) 512 bytes/sector; e) Track-to-track seek time of 5 milliseconds; f)Rotational speed of 7200 RPM. The capacity of the drive is __________________. The access time of the drive is ___________________________ 6. Cache is accessed by its its . , whereas main memory is accessed by
计算机体系结构大学计算机基础知识全面解读
计算机体系结构大学计算机基础知识全面解读计算机体系结构是计算机科学与技术领域中的重要内容，它涉及到计算机硬件组成、计算机指令系统、计算机硬件和软件之间的交互关系等等。
本文将全面解读大学计算机基础知识中的计算机体系结构。
一、计算机体系结构的定义和作用所谓计算机体系结构，指的是构成计算机的各个硬件组成部分以及它们之间的连接方式、组织方式和功能。
计算机体系结构的设计和实现在计算机领域中起着重要的作用，它可以影响到计算机的性能、功耗、可靠性等方面。
二、计算机体系结构的组成1.中央处理器（CPU）CPU是计算机的核心部件，包括运算器和控制器两部分。
其中，运算器负责对数据进行运算和处理，而控制器负责指令的解析和执行。
2.存储器（内存）存储器用于存储计算机运行需要的数据和指令。
它分为主存和辅存两部分，主存存储运行中的数据和指令，而辅存则用于长期存储数据和程序。
3.输入输出设备输入输出设备用于与计算机进行信息的交互。
例如，键盘、鼠标、显示器、打印机等都属于输入输出设备。
4.总线总线是计算机中各个组件之间传输数据和控制信号的通道。
它包括数据总线、地址总线和控制总线。
三、计算机体系结构的类型根据不同的组成方式和功能特点，计算机体系结构可以分为以下几种类型：1.冯·诺伊曼结构冯·诺伊曼结构是最早提出的计算机体系结构之一。
它采用存储程序的方式，将数据和指令存储在同一个存储器中，并通过控制器从存储器中依次取出指令进行执行。
2.哈佛结构哈佛结构与冯·诺伊曼结构相比，将指令存储和数据存储分开，分别使用独立的存储器。
这样的结构可以实现指令和数据并行处理，提高计算机的性能。
3.组合式结构组合式结构将冯·诺伊曼结构和哈佛结构相结合，兼具两种结构的优点。
它的存储器既可以存储指令，也可以存储数据，根据需要进行读取和处理。
四、计算机体系结构的发展趋势随着计算机技术的不断发展，计算机体系结构也在不断演变和改进。
【知识】四川大学计算机组成原理知识点
【关键字】知识第一章1.诺依曼体制的主要思想：①采用二进制代码表示信息②采用保存程序工作方式（核心概念）③计算机硬件系统由五大部件（保存器、运算器、控制器、输入\出设备）组成2.cache:高速缓存，为解决CPU 与主存之间的速度匹配而设置的保存器。
位于CPU 和主存之间，速度可以与CPU 一样快，存放的是最近就要使用的程序和数据，容量较小。
3.总线：一组连接多个部件的公共信号线，可以分时地接收与发送各部件的信息。
4.通道：也称为通道控制器，能够执行专用的通道命令，是管理I/O 操作的控制部件。
5.从组成角度划分的层次结构模型：并不具备这种语言功能。
7.软硬件逻辑等价：在计算机中，有许多功能可直接由硬件实现，也可在硬件支持下依靠软件实现，对用户而言，在功能上是等价的。
这种情况称为软硬件在功能上的逻辑等价。
例如，乘法运算可由硬件乘法器实现，也可以在加法器与移位器的支持下，通过执行乘法子程序实现。
8.固件：微程序类似于软件，但被固化在只读保存器中，属于硬件CPU 的范畴，称为固件。
9.字长：基本字长一般是指参加一次定点运算的操作数的位数。
基本字长影响计算机精度、硬件成本，甚至指令系统的功能。
10.数据通路宽度：指数据总线一次能并行传送的数据位数，它影响计算机的有效处理速度。
11.数据传输率：是指数据总线每秒钟传送的数据量，也称为数据总线的带宽。
数据传输率=总线数据通路宽度×总线时钟频率/8（B/s ）第二章1.计算机中的信息分为两大类，一类是计算机处理的对象，称为数据；另一类是控制计算机工作的信息，称为控制信息。
相应地，在计算机工作时将存在数据流、控制流两类信息流。
2.在原码表示中，真值0可以有两种不同的表示形式，分别称为+0和-0.对于整数原码，表示的数的范围是3.在补码表示中，数0只有一种表示方法00 0对于定点整数补码，表示的数的范围是4.所谓浮点数的规格化，就是通过移动尾数，使尾数M 绝对值的最高位数字为1。
大型机基础3___川大计科
系统控制和分区
系统控制和分区
•系统控制的功能之一就是可以把系统划分为若干个逻辑分区 （LPARs）。长久以来，系统的逻辑分区数被限制在15个 内，而新的大型机可以有30个或更多的逻辑分区 •提供分区功能的硬件和固件称作PR/SM（Processor Resource/System Manager)。PR/SM负责创建和运 行逻辑分区。 •系统管理员为每个LPAR分配内存，不同的LPAR之间不能 共享内存。可以给特定LPAR分配处理器，或者让系统控 制器用内部负载均衡算法来给所有LPAR分配处理器。也 可以给特定LPAR分配通道，或者根据每个通道的设备的 状态来使它在多个LPAR间进行共享。
早期的系统设计——与目前系统的差异
•最新的大型机上不能使用并行通道，而且它们在旧型号的大 型机上也逐渐被替代。 •并行通道已经被ESCON（企业系统连接）和FICON（光纤 连接）通道所取代，这些通道只能连接在一个控制单元上， 更确切的说这些通道都使用光纤，并连接在一个导向器 （director）或交换机（switch）上。 •目前的大型机有16个以上的通道，并用两位十六进制数来 作为地址的通道部分。 •在新的系统中，通道通常被认为是CHPID（通道路径标识 符）或者PCHIDs（物理通道标识符），所有的通道都被 集成到了主处理器盒里面。
设备地址
•每一个通道、控制单元和设备都有一个十六进制的 地址 •例如：某磁盘驱动器的地址为132 •由于一个设备可以使用多个通道，所以一个设备可 以同时具有多个地址，但约定该设备的地址取最 小的那一个 •例如：某设备使用1、5、6号通道；控制单元为7； 设备编号为1。那么设备地址取171，但操作系统 可以用三个地址中任何一个访问该设备
系统处理单元——IFLs
计算机系统结构第一章
第1章 计算机系统结构基本概念
1.1 引言 1.2 计算机系统结构的概念 1.3 定量分析技术 1.4 计算机系统结构的发展 1.5 计算机系统结构中并行性的发展
1.1 引言
第一台通用电子计算机诞生于1946年 计算机技术的飞速发展得益于两个方面：
– 计算机制造技术的发展 – 计算机系统结构的创新
•
解释执行比编译后再执行所花的时间多，但 占用的存储空间较少。
1.2 计算机系统结构的概念
从语言的角度划分层次结构
翻译 高级语言程序员 翻译 汇编语言程序员 翻译 系统操作员 部分解释 机器语言（传统机器级） 机器语言程序员 解释 微程序机器级 硬件设计人员 硬件直接执行
软 件 硬 件 或 固 件
用平面直角坐标系中的一个点代表一个计算 机系统，其横坐标表示字宽（n位），纵坐标 表示一次能同时处理的字数（m字）。m×n就 表示了其最大并行度。
1.3 定量分析技术
一. 计算机系统的定量原理
1. 以经常性事件为重点进行优化 – 优化是指分配更多的资源、达到更高的性 能或者分配更多的电能等。 – 使经常性事件的处理速度加快能明显提高 整个系统的性能 2.Amdahl定律 加快某部件执行速度所能获得的系统性能 加速比，受限于该部件的执行时间占系统 中总执行时间的百分比。
指令数时钟周期时间cpucpicpicpi假定通过许多程序的统计得知程序中指令的总数为ic其中第i类指令的执行次数为ii或执行概率为pi而执行该类指令所需的时钟周期数为cpii而全部指令的类别数为n该处理机的统计平均cpi就为
计算机系统结构
四川大学计算机学院 主讲：倪云竹
E-MAIL：ybamboo@
提出问题：
四川大学系统结构期末总结.doc
四川大学系统结构期末总结第一章·RISC：精简指令集计算机，简化了指令系统，使得更多地实现流水和cache。
·系统结构的重大转折：从单纯依靠指令级并行转向开发线程级并行和数据级并行。
·翻译：先把N+1级程序全部转换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。
（编译）·解释：每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行。
解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的存储空间较少。
·Amdahl提出的系统结构实际上是指传统机器语言级程序员所看到的计算机属性。
·计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现。
·计算机实现：计算机组成的物理实现·计算机系统结构的分类：Flynn分类法：按指令流和数据流的多倍性进行分类。
SISD（顺序处理机、标量流水线处理机）SIMD(阵列处理机、向量流水线处理机)MISDMIMD（多处理机）指令流（InstructionStream）：机器执行的指令序列；数据流（Datastream）：由指令处理的数据序列；多倍性（Multiplicity）：在系统最窄的部件上，处于同一时间单位内，最多可并行执行的指令条数或处理的数据个数。
冯式分类法：用系统的最大并行度对计算机进行分类。
最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。
·计算机系统的定量原理 1.以经常性事件为重点进行优化2.Amdahl定律加快某部件执行速度（部件加速比Se）所能获得的系统性能加速比（Sn），受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比（Fe）。
·假定某部件的运行时间在全系统运行时间T0中所占的百分比为Fe，系统中其他部分运行时间所占百分比为1-Fe。
再设该部件改进前后的运行时间之比为Se，也即该部件速度提高的倍数。
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●硬件软件等效性：一切硬件可以实现的软件也可以实现反之亦然●计算机3个组成部分：处理器，储存器，IO设备●系统总线是计算机内部各部分间的一组电学连线，用来在系统内部传递数据和指令.●Cpu：中央处理器负责提取程序指令，并对指令进行译码，然后按程序规定的顺序对正确的数据执行各种操作●ALU算术逻辑单元：在程序执行过程中用于进行逻辑运算和算术运算●摩尔法则：硅芯片的密度每十八个月翻一番。
● SSI 小规模集成电路 MSI中规模集成电路 LSI大规模集成电路 VSI超大规模集成电路●冯诺依曼主要结构：中央处理器，控制单元，算术逻辑单元，寄存器，程序计数器，IO设备，主存；具有执行顺序指令的处理能力；在主存储器系统和CPU的控制单元之间，包含一条物理上的或者是逻辑上的单一通道，可以强制改变指令和执行的周期。
●CUP可以分成两部分：数据通道和控制单元。
●控制单元：该模块负责对各种操作进行排序并保证各种正确的数据适时出现在所需的地方●总线：一组导电线路的组合，作为共享和公用的数据通道将系统内的各个子系统连接到一起（点对点，多点）●总线包括数据总线，地址总线，控制总线和电源线。
●数据总线：用于数据传递的总线；控制总线：指示哪个设备允许使用总线，以及使用总线的目的，也传递有关总线请求，中断和时钟同步信号的响应信号。
地址总线：指出数据读写的位置。
●同步synchronous总线：事件发生的顺序由时钟脉冲来控制●异步总线：负责协调计算机的各种操作，用握手协议来强制实现与计算机其他操作同步●总线仲裁：菊花链仲裁方式Daisychain 缺乏公平●集中式平行仲裁方式centralized 瓶颈效应●采用自选择的分配式仲裁方式 self-detetection●采用冲突检测的分配式仲裁方式：以太网用这种●总线周期：完成总线信息传送所需的时钟脉冲间的时间间隔●时钟周期：定义为时钟频率的倒数，时钟周期是计算机中最基本的最小的时间单位，一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。
（量度系统指令的性能）●中断：改变系统正常执行流程的各种事件●中断类型`：屏蔽中断：可以禁止或忽略；非屏蔽中断：高优先级别中断，不能被禁止，必须响应。
（还有同步中断，异步中断）●中断驱动IO如何工作;cpu识别一个中断请求时，确认中断服务地址，并且执行这一中断服务的程序。
Cpu从原来的程序转去执行某个特定的程序进程处理中断，进行取指译码执行周期，直到中断程序编码运行完毕。
Cpu在返回之前运行的程序●通道控制的I/O与中断控制的I/O有什么不同：中断控制的I/O每次传输一个字节，而通道控制的I/O只是在一组字节的传输完成或者失败后才会中断CPU.而且中断控制的I/O只需要很少的CPU●RISC:多寄存器组，每条指令允许3个寄存器操作数，用片上寄存器窗口执行参数传递，单周期指令，硬件连线控制，高度流水线，固定长度指令，使用编译器解决复杂性问题，寻址方式少●CISC：单寄存器，每条指令允许一个或者2个，低效率片，多周期，微程序控制，低度流水线，可变长度指令，利用微代码解决复杂问题，多寻址方式●MARIE包括存储器（存储程序和数据）和CPU（ALU和寄存器组成）。
●AC：累加器，保存数据值；●MAR：储存器地址寄存器，保存被引用数据的存储器地址●MBR：存储器缓冲寄存器，用来保持程序将要执行的下一条指令●PC：程序计数器，用来保持程序将要执行的下一条指令的地址●IR:指令寄存器，用来保持将要执行的下一条指令●Load 1；Store 2；Add 3；Subt 4；Input 5；Output 6；Skipcond 8(有条件的跳过下一条指令)；●扩展操作码：设计一个指令总长度固定的指令系统体系结构●CPU三种不同的体系结构：堆栈体系机构；累加器体系结构；通用寄存器体系结构。
●固定长度和可变长度优缺：固定长度：浪费存储空间，执行速度快；可变长度译码比较复杂，节省储存空间●寻址方式：立即寻址，在指令中操作代码后面的数值被直接引用●直接寻址，指令中直接指定要引用的数值的存储器地址●寄存器寻址，与直接寻址相似，指令地址域包含的是一个寄存器引用●间接寻址，操作数有效地址通过访问这个存储器地址来获取●变址寻址和基址寻址;变址寄存器存储一个偏移量，用来与操作数相加产生指令所要求的有效地址、基址寄存器保存一个基地址，对应的指令地址域中的内容所表示的是偏离该基地址的位移量●寄存器：存储二进制数据硬件设备，位于处理器内部，存储信息的，数值移位的，数值比较的，变址的，控制程序循环的寄存器●ISA指令集体系结构●Cache访问方式：按照内容进行存取●Main memory访问方式：按照地址进行访问●小端：将低位的字节首先存放到低位的地址，然后再将最高位的字节存放到高位地址●大端：将最高位的字节存放到低位地址然后再存放最低位的字节●流水线：有些cpu将取指译码执行周期分解成较小的步骤，其中的某些较小的步骤可以并行执行。
●两种基本类型的存储器：RAM和ROM。
●存储器分层结构系统基本类型包括：寄存器，高速缓存，主存储器和辅助存储器。
●主存储器使用DRAM的好处：存储密度高，价格便宜，消耗的功耗低，比SRAM产生的热量小很多。
●脏块：高速缓存中的脏块是指已经被修改过的数据块。
●Speedup：加速率计算机系统整体性能的速度提升、●Hit（命中）-CPU请求的数据就驻留在要访问的存储器层中。
●Miss（缺失）-CPU请求的数据不在要访问的存储器层。
●Hit rate（命中率）-访问某个特定的存储器层是，CPU找到所需数据的百分比。
●Miss rate（缺失率）-访问某个特定的存储器层是，CPU找不到所需的数据百分比。
●Miss penalty缺失损失-CPU处理一次缺失时间所需要的时间，其中包括利用新的数据取代上层存储器中的某个数据块所需要的时间，再加上将所需数据传送给处理器所需要的附加时间。
●引用的局部性：计算机程序对存储器的引用常常会有集中成组成簇的形式。
●时间局部性：最近访问过的内容很可能在不就的将来再次被访问。
●空间局部性：对存储器地址空间的访问形成团簇的集中倾向。
●顺序局部性：访问存取器的指令倾向于按顺序执行。
.●三种高速缓存映射模式：直接映射的高速缓存：采用模块方式来指定高速缓存和主存储器之间的映射关系。
（Y=x mod n）全关联高速缓存：主存储器中的每个数据块都映射到高速缓存中指定的存储单元位置。
组关联高速缓存：使用地址将主存储器中的数据映射到高速缓存中的摸个指定的存储单元。
映射到由几个高速缓存快组成的某个块中。
●域的划分：字域：用来唯一的识别和确定来自摸个指定的数据块中的一个数据字。
块域：(block)必须选择一个唯一的告诉缓存快。
标记域（tag）：通过标记可以唯一识别和确定一个数据块●有效存取时间effective access time，EAT是使用命中率与相连存储器层次的相对访问时间产生的加权平均。
●虚拟地址（virtual address）--进程所使用的逻辑地址或程序地址。
只要CPU生成一个地址就总对应虚拟地址空间。
●物理地址（physical address）--物理存储器的实际地址。
●映射（mapping）--一种地址变换机制，通过映射可以将虚拟地址转换成物理地址。
这类似与高速缓存映射。
●页帧（page frame）--由主存储器分成的相等大小的信息块或数据块。
●页（pages）--由虚拟存储器划分成的信息块或数据块。
●分页（paging）--将一个虚拟页从硬盘复制到主存储器的某个页帧的过程。
●存储碎片（fragmentation）--变得不能用的存储器单元。
●缺页（page fault）--当一个请求页在主存储器中没有占到是所发生的事件，必须将请求页从硬盘复制到存储器。
●Amdahl:计算机系统整体性能的速度提升取决于某个特定部件本身的加速率和该部件在系统中的使用率。
S=1/(1-f)+f/k S代表系统整体性能的加速率 f表示较快部件完成的工作时间 k是新部件的加速率.Amdahl定律告诉了我们什么：只有当使用最频繁的部件的性能得到改进时。
系统性能才有可能实现重大改进。
●I/O的四种控制方式：程序控制的I/O，中断控制的I/O，直接存储取，通道控制的I/O。
●程序控制的I/O与中断控制的I/O的区别：程序控制的I/O需要持续的查询其附属设备是否有任何输入请求。
而中断控制的I/O与其正好相反，而是在有数据发送需求时由外部设备来通知CPU。
程序控制的I/O每次传输一个字节。
中断控制的I/O每次可以按一个字节或者是小数据快的形式来处理数据。
●DMA：一个设备接口试图通过总线直接向另一个设备发送数据(一般是大批量的数据)，●它会先向CPU发送DMA请求信号。
外设通过DMA的一种专门接口电路――DMA控制器（DMAC），向CPU提出接管总线控制权的总线请求，CPU收到该信号后，在当前的总线周期结束后，会按DMA信号的优先级和提出DMA请求的先后顺序响应DMA信号。
CPU对某个设备接口响应DMA请求时，会让出总线控制权。
于是在DMA控制器的管理下，外设和存储器直接进行数据交换，而不需CPU干预。
数据传送完毕后，设备接口会向CPU发送DMA结束信号，交还总线控制权。
●通道控制的I/O与中断控制的I/O有什么不同：中断控制的I/O每次传输一个字节，而通道控制的I/O只是在一组字节的传输完成或者失败后才会中断CPU.而且中断控制的I/O只需要很少的CPU●大部分大型计算机都采用I/O通道的智能型DMA接口。
●寻道时间：是指磁盘驱动臂定位到指定的磁道上所需要的时间●旋转延迟：读写头定位到指定的扇区上方所需的时间旋转延迟和寻道时间的总和叫什么：存取时间●FLYNN分类方法：主要考虑两大因素：指令的数目和流入处理器的数据流的数目。
这就提供了4种SISD(单指令流，单数据流) SIMD(单指令流，多数据流) MISD (多指令流，单数据流)MIMD(多指令流，多数据流)●CPU优化--最大限度的提高CPU所执行的各种操作的速度和效率。
●存储器优化--最大幅度地提升代码的存储器管理的效率。
●I/O优化--最大限度地增强输入输出操作的效率。
●局部性原理使系统有机会试用少量的速度非常快的存储器来有效加速对系统中主要的存储器的访问。
●组关联高速缓存（标记域，组域，字域）。