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文档简介

1、计算机系统结构(第一到第五章)整理人张斌第一章计算机系统结构的基本概念第二章指令系统第三章存储系统第四章输入输出系统第五章标量处理机第一章计算机系统结构的基本概念1.1计算机系统结构计算机系统的分类计算机系统设计技术计算机系统结构的发展系统=硬件/固件+软件按照计算机语言的角度可以化为多层次结构。应用语言、高级语言、汇编语言、操作系统机器语言、微程序语言语言的两种实现:翻译(从高一级的语言变为第一级的语言)解释(由语言转换为指令)系统结构就是确定软件和硬件的界面,哪些功能要用软件实现,哪些需要用硬件实现。冯诺伊曼结构的特点:以运算器为中心指令顺序执行指令和数据用二进制表示第二章指令系统2.1数

2、据表示2.2寻址技术2.3指令格式的优化设计2.4RISC指令系统指令系统是软硬件沟通的桥梁例1:已知一个32住浮点数C1C00000,无法知道它表示的是什么数!给出临个參数:尾数用纯卜数,原码表示缶pF;阶码用整数,移码表示q=6.问:这个数转换成十进制是多少?解:1100000111000000(Mffi数苻是个负数尾数数值部=0+1100=0.CH=12X“1=12/16阶码用移码表示X+26=1000001X为阶码真值X=1000001-1000000X=+000001阶码为1所以这个数是-12/16Xld-ll.O寻址技术:寻找操作数或操作数地址的技术编址方式寻址方式定位方式编址方式

3、:寻址方式:立即数寻址寄存器寻址1、2、3地址执行速度快存储器寻址(直接寻址、间接寻址、基址寻址、变址寻址、相对寻址、自动变址)堆栈寻址定位:把逻辑地址转化为物理地址直接定位静态定位动态定位指令的组成:操作码+地址码三种编码方式:固定长度Huffman编码拓展编码1+已知一个32位浮点数44C80000,给出它的6个参数:尾数用卜数,原码表示,nji=16,p=24阶码用整数,移码表示,iy=2,q=6诃:这个数转换成十进制是多少?解:0100OW)11000100oooo(HIMOOM数符lnO是个正数尾数数值部=0+11000100=0+CSH=12x16J+8x162=25/32阶码用移

4、码表示X+26=1000100X为阶码真值X=10001001000000X=+000100阶码为1所以这个数是25/32X164=25耳2112.已知频度序列为0.1,0.1,0.15,0.15,0.2,03求Huffman编码、2等长扩展码、定长编码、三者的平均码长、信息兀余量(信息的爛为2.47)Huffman树145频度0.10.150.150.20.3Huffm日ri码0000011001010111码长=2.5,信息冗余量=1.2%2/4码11111011100100100码长=2.7,信息兀余量=7.5%定长编码000001010011100101码长=3.0,信息冗余量=17.

5、7%直接寻址的二地址揩令3条寰址寻址的一地址揩令6条書存器寻址的二地址揩令父条直接寻址的一地址揩令12条(刃零地址擋令范条3,字1641,寿储器直接寻址空间为128字,更址的侵移量为-5斗+53,16个通用寄存器均可作为貶址寄存莓设计一套据令格式,满足下列要求:解:字长佃位,直接寻址空间128个字*盖要了位表示,变址位移-64-+63要了位表示6个通用寄存器需要4位表示。(4)直接寻址的二地址捋令3条;(2,7,7)00XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX变址寻址的一地址捋令6条;(5,4,了)000XXXXXXXXXXX11101XXXXXXXXXXX寄存器寻址的二地址捋

6、令8条;(844)11110000XXXXXXXX111XXXXXXXX直接寻址的一地址指令仁条;(/“0000XXXXXXX111111011XXXXXXX零地址指令32条(佗)11111110000000001111111000011111通用计算机必须有的5类指令数据传送类指令运算类指令程序控制指令输入输出指令处理机控制和调试指令RISC指令系统CISC复杂指令集20%-80%规律20%的指令占据了处理机80%的处理时间实现RISC的关键技术(1).延迟转移技术(2).指令取消技术(3).重叠寄存器窗口技术(4).指令流调整技术选择题1、在指令的地址字段中,直接指出操作数本身的寻址方式,

7、称为()隐含地址B.立即寻址C.寄存器寻址D.直接寻址2、寄存器间接寻址方式中,操作数处在()A.通用寄存器B.主存单元C.程序计数器D.堆栈3、对一个区域内的成批数据采用循环逐个进行处理时,常用的指令寻址方式是()A.变址寻址方式B.相对寻址方式C.基址寻址方式D.间接寻址方式4、下列指令中,属于逻辑左移指令的是()。A.SHLB.SALC.SHRD.SAR5、为了缩短指令中某个地址段的位数,有效的方法是采用()。A.立即寻址B.变址寻址C.间接寻址D.寄存器寻址6、在堆栈寻址中,设A为累加器,SP为堆栈指示器,Msp为SP指示的栈顶单元。如果进栈操作顺序是:(SP)-1SP,(A)-Msp

8、;那么出栈操作的顺序应是()。A.(Msp)A,(SP)+lSPB.(SP)+1SP,(Msp)AC.SP)-1SP,(Msp)AD.(Msp)A,(SP)-1SP7.在取指令周期从主存取出的指令送往()。A.指令译码器B.程序计数器C.指令寄存器D.程序状态字寄存器)。8某计算机字长32位,其存储容量为32KB,若按字编址,那么它的寻址范围是(A032KB016KC08KD032KB9变址寻址方式中,操作数的有效地址等于()。A堆栈指示器内容加上位移量B程序计数器内容加上位移量C基值寄存器内容加上位移量D变址寄存器内容加上位移量在CPU中跟踪指令后继地址的寄存器是()。A主存地址寄存器B编址

9、寄存器C指针寄存器D状态条件寄存器指令系统中采用不同寻址方式的目的主要是()。A实现存储程序和程序控制缩短指令长度,扩大寻址空间,提高编程灵活性可以直接访问外存提供扩展操作码的可能并降低译码难度第三章存储系统存储系统原理虚拟存储器3.3高速缓冲存储器(Cache)存储系统的主要性能:速度、容量、价格存储系统的定义:把速度、容量、价格各不相同的存储器用硬件、软件或软硬件的方法连接成一个存储系统。Cache存储系统:Cache和主存储器构成提高存储器的速度虚拟存储系统:主存储器和磁盘存储器构成扩大存储器的容量存储器的性能指标:容量S单位容量平均价格C命中率等效访问周期访问效率例题1某机是由高速缓存

10、与主存组成的两级存储系统,高速缓存访问时间Tc=50ns,主存访问时间迟m=400ns,访问Cache的命中率为0.96。系统的等效访问时间TA为多少?如果将高速缓存分为指令Cache与数据Cache,使等效访问时间减小了10%。在所有的访存操作中有20%是访问指令Cache,而访问指令Cache的命中率仍为096(假设不考虑写操作一致性的问题),问数据Cache的访问命中率应是多少?T=HT+(1H)T=0.96x50+(10.96)x400=64nsACMT=f(HT+(1H)T)+(1f)(HT+(1H)T)AIICIMIDCDM64x(1-10%)=0.2(0.96x50+(1-0.9

11、6)x400)+(1-0.2DD280H二275.2DH沁0.983D虚地址:虚存上的地址实地址:内存的地址地址映像:虚地址与实地址之间对应关系的规则段式虚拟存储页式虚拟存储段页式虚拟存储如果一个页式虚拟存储器的存储空间Nv=2GB,页面大小Np=2KB,页表存储字大小Nd=4B,以字节为单位,计算页表的级数,分别计算各级页表的个数?log2G一log2K_31-1log2K一log42211-2第一级页表:1个页面,可以有512个存储字,只需要4个存储字(4*4B=16Bv2KB)第二级页表:4个页面,每个页面512个存储字(512*4B=2KB),共4*512=2K存储字第三级页表:2K个

12、页面,每个页面512个存储字(512*4B=2KB),共2K*512=1M存储字,用于存放虚拟存储器的1M个页面(1M*2K=2GB)页面替换算法:随即算法rand先进先出算法FIFO最近最少使用LFU最久没有使用LRU最有替换算法OPT例:设有一道程序,有1至5共5页,执行时的页地址流(即执行时依次使用到的程序页页号)为:2,3,2,1,5,2,4,5,3,2,5,2若分配给该道程序的主存有3页,如下图表示分别用FIFO,LRU,OPT3种替换算法对这3页的使用和替换过程。答案:356CPU与高速缓存之间:字高速缓存与主存储器之间:块主存与磁盘之间:页面磁盘与磁带之间:段Cache存储系统与

13、虚拟存储系统的区别:1.信息交换单位不同(页/块)2.速度比不同3.cpu与cache和主存间均有直接通路4实现方法不同(cache全硬件虚拟硬件为主,软件为辅)5.cache对系统程序员应用程序员透明虚拟存储系统只对应用程序员透明三种映像方式全相联直接相连组相连例题设有一个cache的容量为2K字,每个块为16字,求(1)该cache可容纳多少个块?如果主存的容量是256K字,则有多少个块?主存的字地址有多少位?Cache字地址有多少位?在直接映象方式下,主存中的第130块映象到cache中哪一个块中?进行地址映象时,存储器的地址分成哪几段?各段有多少位?解:cache中有2048/16=1

14、28个块。主存有256K/16=16384个块。主存:字地址为18位,256K=218字。cache:字地址为11位,2K=211字。主存中的第130块映象到cache中130mod128=2个块中。(5)存储器的字地址分成三段:区号、块号、块内字地址。区号为18-11=7位块号为11-4=7位块内地址为16=244位练习设有一个cache的容量为4K字,主存容量为cache容量的128倍,CPU访问cache中每块的所有数据最少需要16次,求该cache可容纳多少个块?主存有多少个块?主存的字地址有多少位?Cache字地址有多少位?在直接映象方式下,主存中的第2048块映象到cache中哪一

15、个块中?进行地址映象时,存储器的地址分成哪几段?各段有多少位?解:cache中有4K/16=256个块。主存有512K/16=32K个块。主存:字地址为19位,512K=219字。cache:字地址为12位,4K=212字。主存中的第2048块映象到cache中2048mod256=0个块中。(5)存储器的字地址分成三段:区号、块号、块内字地址。区号为19-12=7位块号为12-4=8位块内地址为16=244位练习题:假设在某个计算机系统中,采用组相联映象方式,主存储器容量为1MB,缓存容量为32KB,每块容量为64字,缓存共分128组。请写出主存地址多少位?如何分配?Cache地址多少位?如

16、何分配?主存地址:1MB=220B地址20位区号E:20-15=5位区内组号:128=277位组内块号:2位块内地址:64=266位Cache地址:32KB=215B地址15位组号:128=277位组内块号:2位块内地址:64=266位Cache的替换算法1.随机替换2。LRU算法有一个Cache存储器,主存有8块(07),Cache有4块(03),釆用组相联映像,组内块数为2块,块内包含16个字。(1)写出主存地址和Cache地址的格式,并指出各字段的长度。(2)某程序运行过程中,访存的主存块地址流为1,2,4,1,3,7,0,1,2,5,4,6,4,7,2说明该程序访存对Cache的块位置

17、的使用情况,指出发生块失效且块争用的时刻,计算Cache命中率。(釆用LRU替换算法)Cache的性能分析:1加速比【练习1】在一个采用组相联映像的Cache存储器中,主存由0-7共8块组成,Cache分为2组,每组2块,每块大小为16个存储字。若程序访存的主存块地址流为:3,1,2,6,4,5,7,0,4,2,7,3,0,5(1)写出主存地址和Cache地址的格式,并指出各字段的长度。(2)指出主存块0-7与Cache块0-3之间的映像关系。(3)分别采用FIFO和LRU替换算法,计算该程序的Cache命中率。若已知主存访问周期Tm与物理Cache的访问周期Tc的比值Tm/Tc=10,分别计

18、算Cache的加速比。解:(1)采用组相联映像时,主存地址格式和Cache地址格式为:区号组号6*块号B块内地址护组号g块号&块内地址W主存地址Cache地址主存按Cache大小划分为区,主存容量为8块,Cache容量为4块,故主存分为2个区,区号E的长度为1位。每区分为2组,故组号孙册长度都是1位。每组分为2块,故块号琳側长度都是1位。莓块大小为16个存储字,故块内地址怖啲长度都是4位”(2)组相联映像规定:主存的组到Cache的组之间是直接硬像冷应la的块之间是全栢联映像。至存的块0-7与Cache的块0-3之间的映像关系是:5与Cache的块0,1之间全相联.7与Cache的块2,3之间全相联.由以上的结果可知,该程序按给出的主存块地址流访存时,如果发生块失效,那么把主存块装入Cache的块位置时,必须遵守如下规定:【练习2】在一个采用组相联映像的Cache存储器中,主存由0-7共8块组成,Cache分为2组,每组2块,每块大小为16个存储字。若程序访存的主存块地址流为:6,2,4,1,4,6,3,0,4,5,7,3(1)分别采用FIFO和LRU替换算法,计算该程序的Cache命中率。若已知主存访问周期Tm与物理Cache的访问周期Tc的比值Tm/Tc=10,分别计算Cache的加速比

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