一、概论

第二节 计算机系统结构、组成以及实现

• 属性 硬件能识别和处理数据、寻址方式、寄存器组织、控制指令系统、存储系统结构、中断机构、管态、用户态的切换、I/O设备、信息保护
• 设计 数据通路宽度、专用部件的设置、各种操作对部件的共享程度、功能部件的并行度、控制机构的组成方式、缓冲和排队技术、预估、预判技术、可靠性技术

第三节 计算机系统的软 、硬件取舍及定量设计原则

1、软硬件取舍原则

• 原则一 应考虑在现有硬、器件(主要是逻辑器件和存储器件)条件下,系统要有的性能价格比,主要从实现费用,速度和其他性能要求来综合考虑;

• D~s~=软件每次的设计费用

• D~h~=硬件每次的设计费用

• M~s~=软件的重复生产费用

• M~h~=硬件的重复生产费用

• C=软件设计次数

• R=软件复制次数

• D~h~=100D~s~ ;硬件设计一般比软件设计约贵100倍

• M~h~=100M~s~;硬件重复生产一般比软件重复复制约贵100倍

• D~s~=10^4^*M~s~;软件的设计费用一般比软件的复制费用贵100000倍

• 若一个计算机系统生成了V台,则

1. 完全用软件实现的费用=C*D~s~/V+R*M~s~ ,即软件实现费用=设计次数*每次设计费用/台数+软件复制次数*软件重复生产费用
2. 只有当D~h~/V+M~h~<C*D~s~/V+R*M~s~ ;即生产V台的计算机硬件实现费用之和小于生成V台计算的软件实现费用之和;
3. 结论一:只有在C和R的值较大时,这个不等式才越能够成立。就是说只有这个功能是经常要用的基本单元功能,才宜于用硬件实现。不要盲目地认为硬件实现的功能比例越大越好
4. 结论二:只有对产量大的计算机系统,增大硬件功能实现的比例才是适宜的。如果用硬件实现不能给用户带来明显的好处,产量仍较低,则系统是不会有生命力的。

• 原则二 要考虑到准备采用和可能采用的组成技术,使之尽可能不要过多或不合理地限制了各种组成和实现技术的采用
• 原则三 不能仅从“硬”的角度考虑,思考如何便于应用组成技术发展,如何便于发挥器件技术的发展,还应该从“软”的角度,把如何为编译,何为操作系统的实现;以及为高级语言程序的设计提供更多、更好的硬件支持放在首位。

2、定量设计原理

• 哈夫曼(Huffman)压缩原理:尽可能加速处理高概率的事件运比加速处理概率很低的事件对性能的提高要显著。
• Amdahl定律:该定律可用余确定对系统中性能瓶颈部件采取措施提高速度之后,系统性能改进的程度 1.$r_{new}$=改进前与改进后性能提高比值 2.$S_p$=性能加速比,即相较之前,提高了多少倍 3.$f_{new}$=改进前与改进后执行时间比值 5.公式如下:$S_p=\frac{T_{old}}{T_{new}}=\frac{1}{1-f_{new}}+\frac{f_{new}}{r_{new}}$ 6.结论一:性能提高的幅度受限于性能改进部分所占的比例大小,而性能改善的极限又受性能可改进比f~new~的约束. 7.结论二:Amdahl定律表明了性能提高量的递减规律,如果只对系统中的一部分进行性能改进,改进得越多,整体系统性能提高的增量却越小
• 程序访问的局部性定律

3、计算机系统设计的主要任务和方法

• 主要任务
• 设计方法

4、计算机系统分类

• SISD单指令单数据流
• SIMD单指令多数据流
• MISD多指令单数据流
• NIMD多指令多数据流

二、数据表示、寻址方式与指令系统

第一节 数据表示

1. 数据表示与数据结构

2. 高级数据表示

• 自定义数据表示(标志符数据、数据描述符)
• 向量、数组数据表示
• 堆栈数据表示

3. 引入数据表示的原则

• 原则一、看系统效率是否有显著提高,包括实现时间和存储空间是否有显著减少。实现时间是否减少又主要看主存和处理机之间传送的信息量是否减少。传送的信息量越小,实现时间就越少;
• 原则二、看引入这种数据表示后,其通用性和利用率是否提高,如果只对某种数据结构的实现效率很高,而对其它数据结构实现的效率很低,或者引入这种数据表示在应用中很少用到,那么为此所耗费的硬件过多却并未在性能上得到好处,必然导致性能价格比下降,特别是一些复杂的数据表示

4. 浮点数尾数基值大小和下溢处理方法选择

• 科学计数法:2.01*10^5^=201000,其中,2.01是尾数,10是进制数,5是指数
• 公式:$V=(-1)^S\times{M}\times{R^E}$
• S:符号位,取值 0 或 1,决定一个数字的符号,0 表示正,1 表示负
• M:尾数,用小数表示,例如前面所看到的 2.01*10^5^,2.01 就是尾数
• R:基数,表示十进制数 R 就是 10,表示二进制数 R 就是 2
• E:指数,用整数表示,例如前面看到的 10^5^,5 即是指数
• 当计算机字长相同时,用浮点数表示实数比用定点数表示有更大的可表示范围。 实际中,数符=符号位,由0或1表示,阶码=指数部分=阶符+(p+1位)组成。尾数又m位机器位组成,实际影响数值大小的只有p位阶码;
  1. 用r~m~表示尾数的基,一般是二进制、八进制、十进制、16进制;
  2. 用m表示数位,即一个数字中每个数所占位置,这里理解为,用几位数表示一个数,如个位是位数为一的数,百位是位数为2的数,千位是位数为3的数;
  3. 公式:rm=Log~2~r~m~,即2进制的数需要一位位数表示,$log_22=1$、$log_210\approx3$、$log_216=4$
  4. 位权:对于多位数,处在某一位上的“1”所表示的数值的大小,称为该位的位权。例如十进制第2位的位权为10,第3位的位权为100;而二进制第2位的位权为2,第3位的位权为4,对于 N进制数,整数部分第 i位的位权为N^i-1^,而小数部分第j位的位权为N^-j^。

第二节 寻址方式

1. 程序在主存中的定位技术

• 静态再定位
• 动态再定位
• 虚实地址映像表

三、存储、中断、总线与I/O系统

第一节 存储系统的基本要求和并行主存系统

1、存储系统的基本要求和并行主存系统

• 基本要求:大容量、高速度以及低价格
• 储存的容量:$S_m=W\times{l}\times{m}$
• W:存储体的字长(单位是位或字节)
• l:储存体的字数
• m:并行工作的存储体数

第二节 中断系统

1、概念

• CPU正在执行的程序,转去处理随机提出的请求,待处理完毕后,再回到原先被打断的地方恢复继续执行的过程称为中断
• 响应和处理各种中断的软、硬件总体称为中断系统;
• 在计算机中,中断可分为内部终端、外部中断和软件中断三类;
  1. 内部中断由CPU的异常引起
  2. 外部中断由中断信号引起,软件中断由自身缺陷指令引起,用于供操作系统服务;
  3. 外部中断又分为屏蔽中断和不可屏蔽中断。
• 中断时整个计算机系统不可缺少的重要组成部分,他对程序监视和跟追、人及联系、故障处理、多道程序和分时处理、实时处理、目态程序和操作系统的联系、I/O处理以及多机处理起着重要作用;

第三节 总线

2、总线的分类

• 芯片级、板级(局部总线或内部总线)、系统级;按传输方向:单向传输、双向传输

3、总线控制方式

• 分布式总线控制
• 集中式总线控制

4、总线通信技术

• 同步通信
• 异步通信

5、数据宽度与总线线数

• 数据宽度:数据宽度是I/O设备取得I/O总线后所传送数据的总量
• 总线线数

第四节 I/O系统

1、通道处理机的工作原理和流量设计

• 概念:根据通道数据传送期中信息传输方式的不同,可分为字节多路、数组多路、选择
• 假如:选择一台设备只传送一个字节,则如下:
• 字节多路,其通道极限流量:$f_{max.byte}=\frac{1}{T_s+T_d}$
• 假设:每选择一台设备可传送完K个字节。如果要传送N个字节
• 数组多路,其通道极限流量:$f_{max.blok}=\frac{K}{K_s+KT_d}=\frac{1}{T_s\div{K}+T_d}$
• T~s~=数据传送期内选择一次设备的时间
• T~d~=传送一个字节的时间

2、通道处理机的工作原理和流量设计

• 选择通道每选择一台设备就把N个字节全部传送完,通道极限流量
• $f_{max.select}=\frac{N}{T_s+NT_d}=\frac{1}{(T_s\div{N})+T_d}$
• 显然,若通道的T~S~ ,T~D~ 一定,且N>K时,字节多路方式的极限流量最小,数组多路方式的居中,选择方式的最大。

四、存储体系

一、基本概念

1、储存体系及其分支

• 虚拟储存器是因为主存容量满足不了要求而提出来的,在主存和辅存之间,增设辅助的软、硬件设备,让他们构成一个整体,所以也称之为主存-辅存存储层次;

二、虚拟存储器

1、虚拟存储器的管理方式

• 虚拟存储器通过增设地址映像表来实现程序在主存中的定位
• 管理方式:段式、页式、段页式

2、页式虚拟存储器的构成

• 页式虚拟存储空间远大于实存空间,页式虚拟存储器一般采用让每到程序的任何虚页可也映像装入到任何实页位置的全相连映像;

3、页面替换算发

• 先进先出算发(FIFO)选择最早装入主存的页作为被替换的页
• 近期最少使用算法(LRU)是选择近期最少访问的页作为被替页。
• 优化替换算法(OPT)根据未来实际使用情况将未来的近期里不用的页替换出去,一定会有最高的主存命中率
• 页面失效频率(PFF)算法根据各道程序运行中的主存页面失效率,由操作系统动态调节分配给各道程序的页数。当主存页面失效率超过某个值时,就自动增加分配给该道程序的主存页数,以提高其命中率;而当主存页面失效率低于某个值时,就自动减少分配给该道程序的主存页数,以便释放出这部分主存页面位置供其他程序用,从而使整个系统总的主存命中率和主存利用率得到提高

三、高速缓冲储存器

1、地址的映像与变换

• 全相联映像和变换

五、标量处理机

一、重叠方式

1、重叠原理与一次重叠

• 解释一条机器指令的微操作分为取指令、分析、执行;
• 一次重叠的定义和好处 定义:指令分析部件和执行执行部件在任何时候都只有相邻的两条指令在重叠解释的方式为“一次重叠” 好处:节省硬件

二、流水方式

1、流水方式的基本概念

• 流水与重叠的基本概念 流水与重叠在概念上没有什么差别,流水可以看成是重叠的引申。二者的差别只在于“一次重叠”是把一条指令的解释分为两个子过程
• 流水的分类 处理级别:部件级、处理机级、系统级 具有功能:单功能流水线与多功能流水线 多功能流水允许连接类型:静态流水与动态流水 数据表示:标量流水机、向量流水机 反馈回路:线性流水线与非线性流水线

2、标量流水线的主要性能

• 性能与计算 吞吐率是流水线单位时间能流出的任务数或结果数 受限于流水线中最慢子过程的时间,流水线中经过时间最长的子过程称为瓶颈子过程
• 效率 最大吞吐率: $T_(pmax)=\frac{1}{max\{\bigtriangleup{t1},\bigtriangleup{t2},\bigtriangleup{t3},\bigtriangleup{t4}\}}$ 实际吞吐率: $T_p=\frac{n}{\sum_{i=1}^m\bigtriangleup{t_i}+(n-1)\bigtriangleup{t_j}}$ 加速比: $S_p=\frac{n\sum_{i=1}^m\bigtriangleup{t_i}}{\sum_{i=1}^m\bigtriangleup{t_i}+(n-1)\bigtriangleup{t_j}}$ 效率: $\eta=\frac{n\sum_{i=1}^m\bigtriangleup{t}}{m\sum_{i=1}^{m}\bigtriangleup{t}+(n-1)\bigtriangleup{tj}}$

3、标量流水机的相关处理和控制机构

• 顺序流动或同步流动方式
• 异步流动方式

六、向量处理机

一、向量的流水处理与向量流水处理机

1、向量处理机相关概念

• 向量处理机是有向量数据表示的处理机,分
  1. ~向量流水处理机~,以时间重叠途径开发
  2. ~阵列处理机~,以资源重复途径开发
• 所谓$V_i$冲突,指的是并行工作的各向量指令的源向量或结果向量使用了相同的$V_i$
• $CRAY-1$向量处理的一个显著特点是只要不出现功能部件使用冲突和源向量寄存器使用冲突,通过链接结构可使有数据相关的向量指令仍能大部分时间并行执行
• 链接技术是提高计算机整体运算速度的一个非常重要的措施

二、阵列处理机的原理

1、阵列处理机的构型和特点

• 构形1:采用分布式存储器
• 构型2:采用集中式共享储存器
• 两种构型的主要差别在于存储器的组成方式和互联网络的作用

3、ILLIAC IV的并行算法

三、SIMD计算机的互联网络

七、多处理机

一、多处理机基本概念

1、概念

• 定义及目的 多处理机是指两台以上的处理机,共享I/O系统;机器间经过共享主存或高速通信网络通信,在统一系统控制下,协同解决大而复杂的问题;

八、数据流计算机和归约机

一、数据流计算机

1、概念

• 数据驱动的数据流方式指的是,只要一条或者一组指令所要求的操作数全部准备完毕,就可也立即激活相应的指令或指令组执行,执行的结果输出将送往等待这一数据的下一条指令或下一组指令。
• 控制流方式与数据流方式的比较如下:
• 数据流是基于异步性和函数性的一种计算模型;

延伸阅读