系统结构要点总结精简版.doc

1第 1 章 1、掌握透明性的概念，以及对透明性的分析 透明——本来存在的事物或属性，从某个角度上看不到， 称对他是透明的 不同机器级的程序员所看到的计算机属性是不同的，这 个属性就是计算机系统不同层次的界面系统结构设计 就是要研究对某级，哪些应当透明，哪些不应当透明 透明的好处是简化该级的设计 2、理解计算机系统结构的定义 系统结构是对计算机系统中各机器级之间界面的划分和 定义,以及对界面上下的功能进行分配 3、熟悉计算机系统结构的属性（习题 8、9） 硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等的数据 表示最小可寻址单位、寻址种类、地址计算等的寻址方 式；通用/专用寄存器的设置、数量、字长、使用约定等 的寄存器组织；二进制或汇编级指令的操作类型、格式、排序方式、 控制机构等的指令系统；中断的分类与分级、中断处理程序功能及入口地址 等的中断机构；系统机器级的管态和用户态的定义和切换；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 结构；系统各部分的信息保护方式和保护机构；等等 4、实现软件移植的途径 所谓软件的可移植性，是指软件不用修改或只需经少量 加工就能由一台机器搬到另一台机器上运行，即同一软 件可以应用于不同的环境。

根据不同的要求可以有如下三种方法：1. 统一高级语言这种方法可以解决结构相同或完全不同的各种机器 上的软件移植2. 采用系列机思想所谓系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的系 统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机 器 系列机的软件兼容分为向上兼容、向下兼容、向前兼容 和向后兼容四种向上（下）兼容是指按某档机器编制 的程序，不加修改地就能运行于比它高（低）档的机器 向前（后）兼容是指按某个时期投入市场的某种型号机 器编制的程序，不加修改就能运行在它之前（后）投入 市场的机器3. 采用模拟与仿真方法模拟方法是指用软件方法在一台现有的计算机上实 现另一台计算机的指令系统例如在 A 计算机上要实现 B 计算机的指令系统，通常采用解释的方法来完成，即 B 机器的每一条指令用一段 A 机器的指令进行解释执行， A 机称为宿主机，被模拟的 B 机称为虚拟机 如果宿主机本身采用微程序控制，则对 B 机器指令统每 条指令的解释执行可直接由 A 机器的一段微程序解释执 行这种用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法 称为仿真A 机器称为宿主机，B 机器称为目标机仿真和模拟的主要区别在于解释所用的语言。

仿 真是用微程序解释，其解释程序存在控制存贮器中，而 模拟是用机器语言程序解释，其解释程序存在主存中 5、并行性的含义、开发并行性的途径，以及典型计算机 结构 (1)并行性，即计算机在解题中具有可以同时进行运算或 操作的特性 并行性包含同时性和并发性二重含义 同时性（Simultaneity）指的是两个或多个事件在同一时 刻发生 并发性（Concurrency）指的是两个或多个事件在同一时 间间隔内发生 (2) 1）时间重叠（Time Interleaving）是在并行性概念中 引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮 流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件 周转而赢得速度 2）资源重复（Resource Replication）是在并行概念中引 入空间因素通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性 能 控制器每执行完一条指令可以同时让各个 PE 对各自分 配到的数据完成同一种运算或操作 3）资源共享（Resource Sharing） ，是利用软件的方法让 多个用户按一定时间顺序轮流地使用同一套资源，以提 高其利用率，这样也可以提高整个系统的性能计算机系统可以通过各种技术途径，采取多种并行 性措施，当并行性提高到一定级别，形成新的结构时， 就进入到并行处理的专门领域。

并行处理（Parallel Processing）是信息处理的一种有效形式，它着重发掘解 题过程中的并行事件，使并行性达到较高的级别 (3) 并行处理计算机是强调并行处理的系统，除了分布 处理系统外，按其基本结构特征，可以分成流水线计算 机、阵列处理机、多处理机系统和数据流计算机等 4 种 不同的结构 1）流水线计算机主要通过时间重叠，让多个部件在时间 上交错重叠地并行执行运算和处理，以实现时间上的并 行主要是解决好拥塞控制、冲突防止、分支处理、指 令和数据的相关处理、流水线重组、中断处理、流水线 调度以及作业顺序的控制等问题 2）阵列处理机主要通过资源重复，设置大量算术逻辑单 元，在同一控制部件作用下同时运算和处理，以实现空 间上的并行主要解决好处理单元间的灵活而有规律的 互连模式及互连网络的设计、存贮器组织、数据在存贮 器中的分布，以及研制对具体题目的高效并行算法等问 题 3）多处理机系统主要通过资源共享，让共享输入/输出 子系统、数据库资源及共享或不共享主存的一组处理机2在统一的操作系统全盘控制下，实现软件和硬件各级上 相互作用，达到时间和空间上的异步并行主要解决的 问题是：处理机机间的互连、存贮器组织等硬件结构， 存贮管理、资源分配、任务分解、系统死锁的防止、进 程间的通信和同步、多处理机的调度、系统保护等操作 系统，高效并行算法和并行语言的设计等问题。

6、计算机系统分类 研究计算机系统分类方法有助于人们认识计算机的系统 结构和组成的特点，理解系统的工作原理和性能通常把计算机系统按其性能与价格的综合指标分为 巨型、大型、中型、小型、微型等根据计算机面向应用领域的不同性质分类：专用计 算机和通用计算机 按照处理机个数和种类分，计算机系统可分为单处理机、 多处理机、并行处理机、相联处理机、超标量处理机、 超流水线处理机、SMP（对称处理机） 、MPP（大规模并 行处理机） 、机群系统等 下面介绍三种常用的分类方法：(详见 PPT) 1. Flynn（弗林）分类法 2、冯氏分类法：3、按照执行流 和多倍性来分类： 7、习题 1）掌握课后第 1 题各名词 2）教材 P37-38－4 题、 8 题、10 题 第 2 章 1、数据表示的概念，它与数据结构有何区别与联系 1） 、数据表示是指可由硬件直接识别和引用的数据类型 硬件直接识别，就是说在系统中能够直接由硬件实现相 应数据的运算，也就是系统结构中有相应的运算指令和 运算部件来完成这项任务 2） 、数据结构就是指结构数据类型的组织方式，它反映 了结构数据类型中各种数据元素或信息单元之间的结构 关系，是通过软件映像,将信息变换成机器中所具有的各 种数据表示来实现的。

3） 、数据结构和数据表示是软硬件的交界面数据结构 所研究的是软的方面，而数据表示考虑是硬的方面，让 计算机能够识别处理，并尽量节约存储空间 2、两种自定义数据表示的异同，标志符的设置是否增加 了目标程序所占用的存储空间 （1）带标志符数据表示就是对每一个数据都附加一个标 志符，由这个标志符来表示这个数据的类型 优点：简化指令系统和程序设计；简化了编译程序；易 于对编程查错；能自动完成数据类型转换；支持数据库 系统的实现与数据类型无关的要求；方便程序调试 缺点：可能导致存储空间增加，又使指令执行速度变慢2）数据描述符 数据描述符：主要用来描述复杂和多维结构的数据类型， 如向量，数组，多维数组，记录等 （3）带标志符数据表示与数据描述符不同之处是： 1)标志符要与每个数据相连，两者合存在一个存储单元中；而描述符则和数据分开存放 2)要访问数据集中的元素时，必须先访问描述符， 这就至少增加一级寻址(先访描符增寻址) 3)描述符可看成是程序一部分，而不是数据的一部 分标志符则可看作是数据的一部分(程序部分不是数) 4) 标志符用于描述单个数据，描述符数据表示用于 描述数据块 3、浮点数据表示方式、尾数基值的选择、尾数的下溢处 理方法（误差、舍入规则） （1）浮点数据表示 N=m×rme ，其中 e=reg 两个数值： m:尾数的值；e:阶码的值。

两个基值：rm:尾数的基；re: 阶码的基，通常为 2两个字长：p:尾数长度当 rm=16 时，每 4 个二进制位表示一个长度q:阶码长度通常 指阶码部分的二进制位数 （2）浮点数尾数基值的选择： 结论 1：在浮点数的字长和表数范围一定时，尾数基值 取 2 或 4 时具有最高的表数精度 结论 2：在浮点数的字长和表数精度一定时，rm 取 2 或 4 具有最大的表数范围 综上结论 1、2 可得：在浮点数的字长确定后，尾数基值 rm 取 2 或 4 具有最大的表数范围和最高的表数精度 （3）尾数的下溢处理方法（误差、舍入规则） 1） 、截断法 舍入规则：将尾数超出机器字长的部分简单截去 优点：实现简单，不增加硬件，不需要额外的处理时间缺点：最大误差较大，平均误差大且无法调节 2） 、舍入法 优点：最大误差小，平均误差接近于零实现简单，增 加的硬件少 缺点：处理速度慢，花费在加 1 控制上 3） 、恒置“1”法 舍入规则：将规定字长的最低位恒置成“1” 优点：实现简单，不需要增加硬件和处理时间，平均误 差接近于零 缺点：最大误差最大 4） 、查表舍入法 舍入规则：基于存贮逻辑思想，用 ROM 或 PLA 存放下 溢处理表。

当尾数最低 k-1 位为全“1”时，以截断法处理， 即输出 k-1 位为全“1”；其余情况按舍入法处理 优点：速度快，平均误差趋于零 缺点：硬件设置增多，成本高 4、引用数据表示的原则 （1）看系统的效率有否提高,即是否减少了实现时间和 所需的存贮空间 （2）引入这种数据表示后，其通用性和利用率是否提高5、掌握三种操作码编码方法及其特点：固定长、 Huffman 编码（会画 Huffman 树，写出编码，求平均码 长） 、扩展编码（写出编码，求平均码长） ；平均码长最3短的和最优化的编码方法（答案不完整） （1）哈夫曼压缩原理:当各种事件发生的概率不等时,采 用优化技术对发生概率最高的事件用最短的位数来表示, 而对出现概率较低的允许用较长的位数来表示,就会导致 表示的平均位数的缩短. （2）哈夫曼编码的码长最短,译码难.扩展操作码编码的 码长适中,等长二进制编码最长,译码最简单 （3）指令格式的优化:指的是如何用最短的位数来表示 指令的操作信息和地址信息,使程序中指令的平均字长最 短. 操作码的优化:为了缩短指令字的长度,减少程序的总 位数,利用哈夫曼压缩原理. 6、设计 RISC 机器的基本原则有哪些 （1）确定指令系统时，只选择使用频度很高的那些指令， 在此基础上添加少量能有效支持操作系统和高级语言实 现及其他功能的最有用的指令，让指令的条数大大减少， 一般不超过 100 条。

（2）大大减少指令系统可采用的寻址方式的种类，一般 不超过两种简化指令的格式，使之也限制在两种之内， 并让全部指令都具有相同的长度 （3）让所有指令都在一个机器周期内完成 （4）扩大通用寄存器的个数，一般不出、不少于 32 个 寄存器，以近可能减少访存操作，所有指令中只有存 （Store） 、取（Load）指令才可以访存，其他指令的操 作一律都在寄存器间进行 （5）为提高指令执行速度，大多数指令都采用硬联控制 实现，少数指令采用微程序实现 （6）通过精简指令和优化设计编译程序，以简单有效的 方式来支持高级语言的实现 7、在 CPU 中采用重叠寄存器窗口技术的目的（3p83） 为了减少访存的次数，减少过程调用时间，更简单 实现过程与过程之间的参数传递 第 3 章 总线的集中控制方式：串行链接、定时查询、独立请求； 掌握三种方式的总线分配特点及过程，各自所需总线的 线数是多少中断分为哪几类？ 为简化中断服务程序入口形成硬件，将中断源分成如下 几类：机器校验、管理程序调用、程序性、外部、输入/ 输出、重新启动 中断响应次序、中断处理次序 中断响应的次序是在同时发生多个不同中断类的中断请 求时，由排队器硬。