体系结构总结new

1、一:虚拟计算机指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的，运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。虚拟计算机;从不同角度所看到计算机系统的属性是不同的。计算机系统由硬件和软件组成，按功能划分成多级层次，如图所示。透明性：一种本来存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，这种现象称为透明性。通常，在一个计算机系统中，低层机器级的概念性结构和功能特性，对高级语言程序员来说是透明的。 计算机系统结构：这实际上是指计算机系统的外特性。按照计算机层次结构，不同程序设计者所看到的计算机有不同的属性。使用高级语言的程序员所看到的计算机属性主要是软件子系统和固件子系统的属性，包括程序语言以及操作系统、数据库管

2、理系统、网络软件等用户界面。 计算机的组成; 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，计算机实现是计算机组成的物理实现，计算机系统的分类：一、按处理机的性能分类：（1） 按大小划分；（2） 按用途来划分；（3） 按数据类型划分：定点计算机、浮点计算机、向量计算机、堆栈计算机等。（4） 按处理机个数和种类来划分：单处理机、并行处理机、多处理机、分布处理机、关联处理机、超标量处理机、超流水线处理机等等。（5） 按所使用的器件来划分；二、佛林分类法按照指令流和数据流的不同组织方式，把计算机系统分为以下四类： (1) 单指令流单数据流SISD (2) 单指令流多数据流SIMD (3) 多指令流单数据流M

3、ISD (4) 多指令流多数据流MIMD三、库克分类法 1978年由D.J.Kuck首先提出。他按照控制流和执行流进行分类。把计算机系统分为以下四类： (1) 单指令流单执行流SISE (2) 单指令流多执行流SIME (3) 多指令流单执行流MISE (4) 多指令流多执行流MIME 主要缺点： 有些系统没有总控制器，如分布处理机； 分类级别太低，没有处理机级和机器级； 分类太粗。 四、冯氏分类法 五、汉德勒分类法(1)程序级k：程序控制部件(PCU)的个数；(2)操作级d：算术逻辑部件(ALU)或处理部件（PU）的个数；(3)逻辑级w：每个算术逻辑部件包含的逻辑线路(ELC)的套数。冯诺依

4、曼：一、特点：存储程序、运算器为核心、集中控制；冯诺依曼计算机的特征可概括为：存储器是字长固定的、顺序线性编址的一维结构。存储器提供可按地址访问的一级地址空间，每个地址是唯一定义的。由指令形式的低级机器语言驱动。指令是执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。以运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送都途经运算器。运算器、存储器、输入输出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集中控制。二: 指令系统是计算机系统中软件与硬件分界面的一个主要标志。无论多么复杂、功能多么强大的各种软件，凡是能够在机器上直接运行的目标程序都是由一条条机器指令组成的。指令系统

5、是软件设计人员与硬件设计人员之间的一个主要分界面，也是他们之间互相沟通的一座桥梁。数据表示和数据结构都是数据类型的子集。数据表示：数据表示研究的是计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的那些数据类型。数据结构：数据结构研究的是面向系统软件，面向应用领域所需要处理的各种数据类型，研究这些数据类型的逻辑结构和物理结构之间的关系，并给出相应的算法。计算机只有定点数据表示，这种计算机的优点是硬件结构比较简单，但有3个明显的缺点： 编程困难。 数据存储单元的利用率很低。 表示数的范围小。-32768到32767 1、浮点数的表示方法一个浮点数N可以表示为： 在计算机系统中，一种浮点数据表示方式需

6、要有如下6个参数来定义。两个数值：m：尾数的值。除了数值大小之外，还要表示尾数所采用的码制（原码或补码）和数制（小数或整数）。e：阶码的值。一般采用移码（又称偏码、增码、余码等）或补码，整数来表示。两个基：rm：尾数的基。通常有2进制、4进制、8进制、16进制和10进制等；re：阶码的基。在目前见到的所有浮点数据表示方式中，re均为2。两个字长（不包括符号位）：p：尾数长度。要特别注意：这里的p不是指尾数的二进制位数，当rm16时，每4个二进制位表示一位尾数；q：阶码长度。由于阶码的基通常为2，因此，在一般情况下，q就是阶码部分的二进制位数。 一种浮点数表示方式如图所示，这也是浮点数在数据存储

7、单元中的存放方式。把尾数符号放在最高位的原因是为了判别正、负数方便。 警戒位：为了保证浮点数在运算和转换过程中的精度，在规定的尾数字长之外，运算器中的累加器需要另外增加的长度称为警戒位五种舍入方法：1 恒舍法：恒舍法又称截断法、必舍法等，这是一种最容易实现的舍入方法。 2 恒置法：恒置法又称恒置法（r是尾数的基值），或恒置1法（当尾数基值取2时），或冯诺依曼法（Von Neumann Rounding）。恒置法的实现难度仅次于恒舍法。 3 下舍上入法在日常使用的十进制中称为4舍5入法，在二进制中称为0舍1入法，在16进制中称为7舍8入法。 4 R*舍入法在大型、巨型计算机中，或在一些很大的科学

8、计算问题中，需要一种积累误差能够完全平衡，精度又很高的舍入方法。 5.查表法查表法又称ROM舍入法，它继承了下舍上入法精度高、积累误差小的优点，同时又克服了它实现起来比较困难的缺点，是一种比较理想的舍入方法。 带标志符的数据表示法 ：采用标志符数据表示方法主要优点有如下几个方面：(1) 简化了指令系统。 (2) 由硬件自动实现一致性检查和数据类型的转换。 (3) 简化程序设计。 (4) 简化编译器。 (5) 支持数据库系统。 (6) 方便软件调试。 采用标志符数据表示方法的主要缺点是： (1) 数据和指令的长度可能不一致。 (2) 指令的执行速度降低。 (3) 硬件复杂度增加。 数据描述符与标

9、志符的主要区别是：标志符通常只作用于一个数据，而数据描述符要作用于一组数据。编址方式是指对各种存储设备进行编码的方法。主要内容包括编址的单位、零地址空间的个数等，另外还包括并行存储器的编址技术和输入输出设备的非线性编址技术等。寻址方式：寻找操作数及数据存储单元的方法称为寻址方式。寻址技术研究的内容主要包括编址方式、寻址方式等，研究的对象主要有寄存器、主存储器、堆栈和输入输出设备等，其中以面向主存储器的寻址技术为主要研究对象。 间接寻址与变址寻址区别：间址寻址方式：间接地址在主存储器中，没有偏移量。变址寻址方式：基地址在变址寄存器中，带有偏移量。 优缺点：(1)实现的难易程度，间址寻址方式实现起

10、来很容易，只需要增加一条从主存储器的数据寄存器到地址寄存器的数据通路即可。实现变址寻址方式需要增加较多的硬件，需要一个硬件的加法器，一个或多个变址寄存器（也可以与通用寄存器合用）。 (2)指令的执行速度，采用间址寻址方式编写的程序，执行速度比较慢。 (3)对数组运算的支持，变址寻址方式比较好，间址寻址方式较差，这是因为变址寻址方式可以带有偏移量。基地址加偏移量能够很有效地表示向量、矩阵等数据。 指令的组成;操作码和地址码组成。编码（固定长操作码，huffman编码法，扩展编码法）固定长操作码的主要缺点是：浪费了许多信息量，即操作码的总长度增加了。精简指令系统计算机（RISC）是80年代提出的一

11、种新的计算机体系结构设计思想。目前运行中的许多处理机都采用了RISC体系结构。存储系统：两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来的系统称为存储系统。Cache存储系统：由Cache和存储器组成的系统，速度接近Cache，容量接近存储器，每单位的价格跟存储器相近，这个存储系统全部用硬件来调度，因此，它不仅对应用程序员是透明的，而且对系统程序员也是透明的。虚拟存储系统：虚拟存储系统由主存储器与联机的外部存储器（目前一般为磁盘存储器）构成，采用硬件与软件相结合的方法来调度存储系统的性能有三个主要参数：容量S，速度T和价格C，并行存储器的种类;并行访

12、问存储器、交叉访问存储器和无访问冲突并行存储器等三种并行存储器。 虚拟存储器由主存储器和联机工作的外部存储器共同组成页面替换算法：1、 随机算法，即RAND算法（Random algorithm）。 2、 先进先出算法，即FIFO算法（First-In First-Out algorithm）。 3、 近期最少使用算法，即LFU算法（Least Frequently Used algorithm）。 4、 最久没有使用算法，即LRU算法（Least Recently Used algorithm）。 5、 最优替换算法，即OPT算法（OPTimal replacemant algorithm）

13、。 地址的映象与变换 ：页式虚拟存储器、段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器等三种。 Cache替换算法种类：（轮换法（先进先出），lru算法，比较算法，堆栈法）输入输出系统的特点集中反映在异步性、实时性和与设备无关性三个基本项上，这些特点对输入输出系统的组织将产生决定性的影响。输入输出方式：程序控制输入输出方式 。中断输入输出方式 。直接存储器访问（DMA）方式 。中断处理：DMA方式的工作流程 对于输入设备：从输入介质上读一个字节或字到DMA控制器中的数据缓冲寄存器BD中，如果输入设备是面向字符的，则要把读入的字符装配成字。若一个字还没有装配满，则返回到上面；若校验出错，则发中断申请；若一个字

14、已经装配满，则将BD中的数据送入主存数据寄存器。把主存地址寄存器BA（在DMA控制器中）中的地址送入主存地址寄存器，并且将BA中的地址增值至下一个字地址。把DMA控制器内的数据交换个数计数器BC中的内容减1。若BC中的内容为0，则整个DMA数据传送过程全部结束，否则返回到最上面继续进行。 DMA方式的工作流程 对于输出设备：把主存地址寄存器BA（在DMA控制器中）中的地址送入主存地址寄存器，并启动主存储器，同时将BA中的地址增值至下一个字地址。将主存储器数据寄存器中的数据送入DMA控制器的数据缓冲寄存器BD中。如果输出设备是面向字符的，则要把BD中的数据拆卸字符。把BD中数据逐个字符（对于面向

15、字符的设备）或整个字写到输出介质上。把DMA控制器内的数据交换个数计数器BC中的内容减1。若BC中的内容为0，则整个DMA数据传送过程全部结束，否则返回到最上面继续进行。 目前使用的DMA方式实际上有如下三种： 1、周期窃取方式 2、直接存取方式 3、数据块传送方式 4.3.1 通道的作用和功能 在大型计算机系统中，如果仅仅采用前面介绍过的程序控制、中断和DMA这三种基本的输入输出方式来管理外围设备，会引起如下两个问题：1、所有外围设备的输入输出工作全部都要由CPU来承担，CPU的输入输出负担很重，不能专心于用户程序的计算。 2、大型计算机系统中的外围设备台数虽然很多，但是一般并不同时工作。如

16、果为每一台设备都配置一个接口，必然是一种浪费。特别是DMA接口，它的硬件代价很高。连接DMA接口的磁盘或磁带存储器等一般并不同时工作。 4.3.1 通道的作用和功能 一般说来，通道的功能应该包括如下几个方面：1、接受CPU发来的输入输出指令，根据指令要求选择一台指定的外围设备与通道相连接。2、执行CPU为通道组织的通道程序，从主存中取出通道指令，对通道指令进行译码，并根据需要向被选中的设备控制器发出各种操作命令。3、给出外围设备的有关地址，即进行读/写操作的数据所在的位置。如，磁盘存储器的拄面号、磁头号、扇区号等。4、给出主存缓冲区的首地址，这个缓冲区用来暂时存放从外围设备上输入的数据，或者暂

17、时存放将要输出到外围设备中去的数据。5、控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数，对交换的数据个数进行计数，并判断数据传送工作是否结束。6、指定传送工作结束时要进行的操作。例如，将外围设备的中断请求及通道的中断请求送往CPU等。7、检查外围设备的工作状态，是正常或故障。根据需要将设备的状态信息送往主存指定单元保存。 8、在数据传输过程中完成必要的格式的变换，例如，把字拆卸为字节，或者把字节装配成字等。 4.3.2 通道的工作过程1、在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由CPU通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道。 2、通道处理机执行CPU为它组织的通道程序，完成指定的数据输入输出工作。 3、通道程序结束后向CPU发中断请求。CPU响应这个中断请求后，第二次进入操作系统，调用管理程序对输入输出中断请求进行处理。 4.3.3 通道种类 根据多台外围设备共享通道的不同情况，可将通道分为三种类型：字