1、 系統結構總復習CH01一基本概念1. 計算機系統層次結構（0-6級）: p32. 系統結構的定義由程序設計者所看到的一個計算機系統的屬性，即概念性結構和功能特性。計算機系統結構主要研究軟件、硬件界面的確定，即哪些功能由硬件或軟件完成。計算機組成：指的是計算機系統結構的邏輯實現計算機實現：指的是計算機組成的物理實現3. 透明性：一種本來是存在的事物或屬性，但從某種角度看似乎不存在，稱為透明性現象。4. Flynn分類法：SISD ： 單指令單數據流SIMD： 單指令多數據流MISD： 多指令單數據流MIMD：多指令多數據流5. 計算機系統設計者的主要任務：（1） 確定用戶對計算機系統的功能、價

2、格和性能的要求（2） 軟硬件的平衡（3） 設計出符合今后發展方向的系統結構6. 計算機系統設計的主要方法：由下往上設計、由上往下設計、有中間開始設計7. 存儲程序原理的基本點是指令驅動，即程序由指令組成8. 系列機：指在一個廠家生產的具有相同的系統結構，但具有不同組成和實現的一系列不同型號的機器。9. 模擬與仿真：模擬：用軟件方法在一臺現有的計算機上實現另一臺計算機的指令系統，若A實現B，那么稱A為宿主機，B為虛擬機。仿真：用微程序直接解釋另一種機器指令系統的方法稱為仿真。A為宿主機，B為目標機。二、計算題：1. Amdahl定律2. CPI 計算 3MIPS CH02一基本概念1. 目前常用

3、的編址單位有：字編址、字節編址、位編址。2 并行存儲器的編址技術：地址碼高位交叉編址、地址碼低位交叉編址。3. 尋址方式：立即數尋址、寄存器尋址、主存尋址、堆棧尋址。定位方式：把指令和數據中的邏輯地址轉換成主存儲器的物理地址。5. 設計指令系統時，在功能發面的最基本要求是：指令系統的完整性、規整性、高效率和兼容性。6. 基本指令：數據傳送指令、運算類指令、程序控制類指令、輸入輸出指令、處理機控制和調試指令。 7. CISC：復雜指令系統計算機。RISC：精簡指令系統計算機。8. RISC特征：簡單而統一格式的指令譯碼大部分指令可以單周期執行完成只有LOAD和STORE指令可以訪問存儲器簡單的尋

4、址技術采用延遲轉移技術采用LOAD延遲技術三地址指令格式較多的寄存器對稱的指令格式9. RISC思想的精華：減少CPI。10. RISC的關鍵技術：延時轉移技術、指令取消技術、重疊寄存器窗口技術、指令流調整技術，硬件為主固件為輔。二、計算題：操作碼優化表示（Huffman 編碼及擴展編碼方法）： 書P91-95CH03一、基本概念1. 存儲系統：兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、軟件、或軟件與硬件相結合的方法連接起來成為一個系統。速度接近速度最快的那個存儲器，容量與容量最大的那個存儲器相等或相近，單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。2. 兩種存儲系統：一種是由Cache和

5、主存儲器構成的Cache存儲系統，為了提高存儲器的速度。一種是由主存儲器和磁盤存儲器構成的虛擬存儲系統，為了增加存儲器的存儲容量。3. 三條途徑解決頻帶平衡問題：（1） 多個存儲器并行工作（2） 設置各種緩沖存儲器（3） 采用存儲系統4. 高位交叉訪問存儲器：擴大存儲器容量。5. 低位交叉訪問存儲器：提高存儲器訪問速度。6. 三種地址空間：虛擬地址空間、主存儲器地址空間、輔存地址空間。地址映像：把虛擬地址空間映像到主存地址空間。地址變換：在程序運行時，把虛地址變換成主存實地址。三種虛擬存儲器：段式虛擬存儲器、頁式虛擬存儲器、段頁式虛擬存儲器。7. 段式虛擬存儲器的主要優點：（1） 程序的模塊化

6、性能好（2） 便于程序和數據的共享（3） 程序的動態鏈接和調度比較容易（4） 便于實現信息保護段式虛擬存儲器的主要缺點：（1） 地址變換所花費的時間比較長（2） 主存儲器的利用率往往比較低（3） 對輔存的管理比較困難8. 頁式虛擬存儲器的主要優點：（1） 主存儲器的利用率比較高（2） 頁表相對比較簡單（3） 地址映像和變換的速度比較快（4） 對輔存的管理比較容易頁式虛擬存儲器的主要缺點：（1） 程序的模塊性能不好（2） 頁表很長9. 目錄表基本思想：用一個容量比較小的告訴存儲器來存放頁表，從而加快頁表的查表速度。10. 主要頁面替換算法：隨機算法、先進先出算法、近期最少使用算法、最久沒有使用算

7、法最優替換算法。11. 全Cache系統：只用Cache和磁盤兩個存儲器構成的“Cache-磁盤”存儲系統。二、計算題： 1. 系統命中率 2. 三種映射畫圖 3. 替換算法CH04一、基本概念1. 輸入輸出系統的特點：集中反映在異步性、實時性、和與設備無關性。針對實時性，采用層次結構的方法，針對與設備無關性，采用分類處理的方法。針對異步性，采用自治控制的方法。2. 3種基本的輸入輸出方式：程序控制輸入輸出方式、中斷輸入輸出方式、直接存儲器訪問方式程序控制輸入輸出方式、中斷輸入輸出方式、DMA方式。中斷輸入輸出方式的特點是：（1） CPU能與外圍設備并行工作（2） 能夠處理例外事件（3） 靈活

8、性好（4） 一般用于連接低速外圍設備使用DMA方式實際有如下三種：（1） 周期竊取方式（2） 直接存取方式（3） 數據塊傳送方式3. 中斷的定義：當出現來自系統外部，機器內部，甚至處理機本身的任何例外的，或者雖然是事先安排的，但出現在現行程序的什么地方是事先不知道的事件時，CPU暫停執行現行程序，轉去處理這些事件，等處理完成后再返回來繼續執行原先的程序。4. 引起中斷的各種事件稱為中斷源。5. 中斷系統中軟件與硬件的功能分配主要考慮如下兩個因素：（1）中斷響應時間（2）靈活性6. 影響中斷響應時間的因素有四個：（1） 最長指令執行時間（2） 處理其他更緊急的任務所用時間（3） 從第一次關中斷到

9、第一次開中斷所經歷的時間（4） 通過軟件找到相關中斷源的中斷服務程序入口所經歷的時間7. 中斷源的識別方法：（1） 識別中斷源的查詢法（2） 軟件排隊鏈法、硬件排隊鏈法（3） 中斷向量法 (2)&(3)屬串行排隊鏈法（4） 獨立請求法8. 中斷屏蔽的兩種方法：方法一：每級中斷源設置一個中斷屏蔽位。方法二：改變處理機優先級9. 設置中斷屏蔽的三個用處：（1） 在中斷優先級由硬件確定了的情況下，改變中斷源的中斷服務順序（2） 決定設備是否采用中斷方式工作（3） 在多處理機系統中，把外圍設備的服務工作分配到不同的處理機中10. 通道種類：（1）字節多路通道（2）選擇通道（3）數組多路通道通道的種類及

10、其工作方式字節多路通道 為多臺低中速的外圍設備服務，有多個子通道，每個子通道連接一個控制器選擇通道 為高速外圍設備服務，只有一個以成組方式工作的子通道 數組多路通道 字節多路通道和選擇通道的結合。 每次為一臺高速設備傳送一個數據，并輪流為多臺外圍設備服務。從磁盤存儲器讀出文件的的過程分為三步：定位、找扇區、讀出數據。數組多路通道的實際工作方式是：在為一臺高速設備傳送數據的同時，有多臺高速設備可以在定位或者在找扇區。與選擇通道相比，數組多路通道的數據傳輸率和通道的硬件利用都很高，控制硬件的復雜度也高。11. 保證字節多通路通道能不丟失數據的方法：（1） 增加通道的最大流量（2） 動態改變設備的優

11、先級（3） 增加一定數量的數據緩沖器12. 輸入輸出處理機：能夠獨立承擔輸入輸出工作的專用處理機。13. 輸入輸出處理機除了能夠完成通道處理機的全部功能之外，還具有如下功能：（1） 碼制轉換。（2） 數據校驗和校正。（3） 故障處理。（4） 文件管理。（5） 診斷和顯示系統狀態。（6） 處理人機對話。（7） 連接網絡或遠程終端。12.輸入輸出機的種類：（1）根據是否共享主存儲器分為：共享主存儲器的輸入輸出機和不共享主存儲器的輸入輸出機（2）根據運算部件和指令控制部件是否共享分為：合用一個運算部件和指令控制部件、獨立運算部件和指令控制部件二、計算題：1. 字節多路通道實際工作流量 （p244）2

12、. 通道最大流量工作流量設計 CH05一、基本概念1. 標量處理機：只有標量數據表示和標量指令系統的處理機稱為標量處理機。2. 設計處理機的基本任務是：縮短解釋指令的時間，即提高處理機指令執行的速度。3. 提高指令執行的途徑有如下三種：（1） 提高處理機的工作主頻（2） 采用更好的算法和設計更好的功能部件（3） 多條指令并行，稱為指令級并行技術4. 先行控制技術的關鍵是緩沖技術和預處理技術。5. 采用二次重疊執行方式必須解決的兩個問題：（1） 有獨立的去指令部件、指令分析部件、指令執行部件解決方法：把一個集中的指令控制器分解為存儲控制器、指令控制器、運算控制器。（2） 解決訪問主存儲器的沖突問

13、題解決方法：采用先行控制技術。6. 處理機結構：（1） 三個獨立的控制器：存儲控制器、指令控制器、運算控制器。（2） 四個緩沖棧：（統稱為先行控制器）先行指令緩沖棧：用于平滑主存儲器與指令分析器先行讀數緩沖棧：用于平滑運算器與主存儲器先行操作緩沖棧：使指令分析器和運算器能夠各自獨立工作 后行寫數棧：只要把寫到主存的數據送到后行寫數棧的數據寄存器中即可7. 相關：指一段程序的相近指令之間有某種關系，這種關系可能影響指令的重疊執行。 通常分為兩類：數據相關（局部相關）、控制相關（全局相關）。8. 解決數據相關的方法有兩種：推后分析法、設置專用路徑。9. 數據相關有四種及解決方法：指令相關：不允許修

14、改指令。主存操作數相關：推后處理法。通用寄存器相關：方法一：把讀操作數、寫運算結果與指令執行合在一個節拍。方法二：建立相關專用通路。變址相關：由硬件自動插入空操作，直到LOAD操作完成。10. 控制相關包括：無條件轉移、一般條件轉移、復合條件轉移、中斷等。11. 對條件轉移指令采用多種技術：延遲轉移技術、指令取消技術。在先行控制方式的處理機中經常采用如下幾種技術：（1） 軟件“猜測”法（2） 硬件“猜測”法（3） 兩個先行指令緩沖棧12. 減少條件轉移對流水線的影響的方法：（1） 延遲轉移技術和指令取消技術（2） 靜態轉移預測技術（3） 動態轉移預測技術13. 從兩個方面來開發處理機內部的并行

15、性：空間并行性、時間并行性。空間并行性：即在一個處理機內部設置多個獨立的操作部件，并讓這些操作部件并行工作，這種處理機稱為多操作部件處理機和超標量處理機。 時間并行性：就是采用超流水線技術。14. 流水線工作原理：把一個重復的過程分解稱為若干個子過程，每個子過程可以與其他子過程同時進行。15. 時空圖：橫坐標表示時間，縱坐標表示空間。流水線的一個子過程通常稱為“功能段”。16. 流水線的特點：（1） 在流水線中處理的必須是連續任務，只有連續不斷地提供任務才能充分發揮流水線的效率。（2） 把一個任務分解為幾個有聯系的子任務，每個子任務由一個專門的功能部件實現（3） 在流水線的每一個功能部件的后面

16、有一個緩沖寄存器，或稱為鎖存器、閘門寄存器等，用于保存本段的執行結果（4） 流水線中隔斷的時間應盡量相等（5） 流水線需要有“裝入時間”、“排空時間”17. 按照功能段之間是否有反饋信號，流水線可分為：線性流水線和非線性流水線。18. 按照流水線使用的不同級別，可分為功能部件級、處理機級、處理機間級等類型。18.流水線處理機：指令執行部件中采用了流水線的處理機。19. 多操作部件處理機或標量處理機：指令執行部件中設置有多個操作部件的處理機。20. 單功能流水線：一條流水線只能完成一種固定的功能。多功能流水線：流水線的各段可以進行不同的連接，在不同時間內或在統一時間內，通過不同的連接方式實現不同

17、的功能。21. 靜態流水線：在同一段時間內，多功能流水線中的各個功能段只能按照一種 固定的方連接，實現一種固定的功能。動態流水線：在同一段時間內，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時執行多種功能。22. 在同一個基本快內部的相關稱為局部相關；由條件轉移或程序中斷引起的相關稱為全局相關。23. 處理因為程序性錯誤和機器故障燈產生的中斷的兩種方法：不精確斷點方法、精確斷點方法。24. 三種高性能的指令級并行處理機：超標量處理機、超流水線處理機、超標量超流水線處理機。25. 單發射處理機：每個周期只取一條指令、只譯碼一條指令，只執行一條指令，只寫回一個運算結果。 26. 多發射處理機：每

18、個周期同時取多條指令、同時譯碼多條指令，同時執行多條指令，同時寫回多個運算結果。27. 超標量處理機：一個時鐘內能夠同時發射多條指令的處理機。超標量處理機必須有兩條或兩條以上能夠同時工作的指令流水線。超標量處理機采用的三種不同的指令調度方法：（1） 順序發射順序完成（2） 順序發射亂序完成（3） 亂序發射亂序完成28. 超流水線處理機：一個基本時鐘周期內能夠分時發射多條指令的處理機。或者，指令流水線的級數為8或大于8即的流水線處理機稱為超流水線處理機。29. 超標量超流水線處理機：一個時鐘周期內發射指令n次，每次發射指令m條，每個時鐘周期總共發射mn條。30. 超標量處理機的相對性能最高，其次

19、為超標量超流水線處理機，超流水線處理機的相對性能最低。31. 兩種不同并行性： 超標量處理機采用的是空間并行性；超流水線處理機采用的是時間并行性。二、計算題： 1. 流水線吞吐率 2加速比和效率的計算CH06 向量處理機一、基本概念1. 具有向量數據表示和向量指令系統的處理機向量處理機是解決數值計算問題的一種高性能計算機向量處理機屬大型或巨型機，也可以用微機加一臺向量協處理器組成向量處理機一般都采用流水線結構，通常有有多條并行工作的流水線必須把要解決的問題轉化為向量運算，才能發揮向量處理機的效率2. 0元素很多，非0元素很少的向量稱為稀疏向量3. 向量處理機的結構:主要采用兩種方法：存儲器存儲

20、器結構和寄存器寄存器結構。4. 向量處理方式：橫向處理方式、縱向處理方式、縱橫處理方式。5. 向量處理機的關鍵技術：（1） 向量鏈接技術（2） 向量循環開采技術（3） 向量遞歸技術二、計算題：1. 判斷并行 鏈接的條件 2. 列向量操作分成編隊，然后計算每個編隊的開始時間、獲得第一個結果元素的時間和獲得最后一個結果元素的時間 CH07一、基本概念1. 互連網絡：是一種由開關元件按照一定的拓撲結構和控制方式構成的網絡，用來實現計算機系統內部多個處理機或多個功能部件之間的相互連接。2. 互連網絡的主要性能參數：(1)頻帶寬度(2)傳輸時間(3)飛行時間(4)傳輸時延(5)發送方開銷(6)接收方開銷

21、3.總時延發送方開銷飛行時間 消息長度/頻寬接收方開銷4.互連網絡的種類：靜態互連網絡 循環互連網絡多級互連網絡 全排列互連網絡 全交叉開關網絡二、計算題：基本互連函數的定義與計算（計算）書P395CH08并行處理機(SIMD)一、基本概念1. 兩種并行性概念：(1)同時性并行Simultaneity：兩個或兩個以上事件在同一時刻發生。(2)并發性并行Concurrency：兩個或兩個以上事件在同一時間間隔內發生。 2. 并行處理機的主要特點如下：（1） 速度快，而且潛力大（2） 模塊性好，生產和維護方便（3） 可靠性高，容易實現容錯和重構（4） 效率低3. 三條技術途徑：(1)資源重復：重復

22、設置多個部件來提高速度。(2)時間重疊：流水線(3)資源共享：分時系統，分布式系統4. 并行處理機的定義：多個處理部件PU按照一定方式互連，在同一個控制部件CU控制下，對各自的數據完成同一條指令規定的操作。從CU看，指令是串行執行的，從PU看，數據是并行處理的。 4. 并行處理機也稱為陣列處理機，按照按照佛林分類法，它屬于SIMD處理機。5. 并行處理機的主要應用領域：用于高速向量或矩陣運算。6.一臺并行處理機由五個部分組成： 多個處理單元PE，多個存儲器模塊M，一個控制器CU，一個互連網絡ICN，一臺輸入輸出處理機IOP。并行處理機有兩種典型結構：分布存儲器并行處理機，共享存儲器并行處理機。

23、7.目前的大部分并行處理機屬于基于分布式存儲器模型。分布式存儲器并行處理機比較容易構成MPP(Massively Parallel Processor)，可以有幾十萬個處理部件PE。CU是控制部件。對于標量指令，在CU中直接執行；對于向量指令，CU把它廣播到各個PE中去執行。在CU中通常有一個較大容量的存儲器，用來存放程序和共享數據。IOP是輸入輸出處理機，或稱為主機。在IOP上安裝操作系統，它除了負擔輸入輸出工作外，還負責程序的編輯、編譯和調試等工作。 IOP可以是一臺通用計算機。分布式存儲器并行處理機必須依靠并行算法來提高PE的利用率。因此，應用領域有限，可以認為是一種專用計算機。數據在局

24、部存儲器中的分布是一個很關鍵的問題。標量指令與向量指令可以并發執行。實例：IlliacIV 陣列處理機8.共享多體并行存儲器SM通過互連網絡與各處理單元PE相連。存儲模塊的數目等于或略大于處理單元的數目。為了實現無沖突訪問，存儲模塊的個數為質數。在存儲模塊之間合理分配數據，通過靈活、高速的互連網絡，使存儲器與處理單元之間的數據傳送在大多數向量運算中都能以存儲器的最高頻率進行，而最少受存儲器沖突的影響。實例：BSP 計算機9.陣列處理機的并行算法（1）矩陣乘（2）求累加和CH09多處理機1. 多處理機定義：兩個或兩個以上處理機(包括PU和CU)，通過高速互連網絡連接起來，在統一的操作系統管理下，實現指令以上級（任務級、作業級）并行。 按照Flynn分類法，多處理機系統屬于MIMD計算機2. 多處理機分類:多處理機系統由多個獨立的處理機組成，每個處理機都能夠獨立執行自己的程