【正文】 概念性結(jié)構(gòu)和功能特性定義2：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟硬件功能分配和對(duì)軟硬件界面的確定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次模型第6級(jí)專用應(yīng)用語(yǔ)言 機(jī)器特定應(yīng)用用戶（使用特定應(yīng)用語(yǔ)言）（經(jīng)應(yīng)用程序翻譯成高級(jí)語(yǔ)言）第5級(jí)通用高級(jí)語(yǔ)言 機(jī)器高級(jí)語(yǔ)言程序員（使用通用高級(jí)語(yǔ)言）（經(jīng)編譯程序翻譯成匯編語(yǔ)言）第4級(jí)匯編語(yǔ)言 機(jī)器匯編語(yǔ)言程序員（使用匯編語(yǔ)言）（經(jīng)匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言、操作系統(tǒng)原語(yǔ)）第3級(jí)操作系統(tǒng)語(yǔ)言 機(jī)器操作系統(tǒng)用戶（使用操作系統(tǒng)原語(yǔ)）（經(jīng)原語(yǔ)解釋子程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言）第2級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言 機(jī)器傳統(tǒng)機(jī)器程序員（使用二進(jìn)制機(jī)器語(yǔ)言）（由微程序解釋成微指令序列）第1級(jí)微指令語(yǔ)言 機(jī)器微指令程序員（使用微指令語(yǔ)言）（由硬件譯碼器解釋成控制信號(hào)序列）第0級(jí)硬聯(lián)邏輯 硬件設(shè)計(jì)員第0級(jí)由硬件實(shí)現(xiàn)，第1級(jí)由微程序?qū)崿F(xiàn)，第2級(jí)至第6級(jí)由軟件實(shí)現(xiàn)，由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器稱為：虛擬機(jī)從學(xué)科領(lǐng)域來(lái)劃分：第0和第1級(jí)屬于計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)，第3至第5級(jí)是系統(tǒng)軟件，第6級(jí)是應(yīng)用軟件。Amdahl定律：（定量原理）系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個(gè)系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占執(zhí)行時(shí)間的比例有關(guān)。解：?等效CPI1＝100 2％＋4 23％＋ 75％＝等效CPI2＝4 25％＋ 75％＝由于改進(jìn)了僅占2％的FPSQR操作的CPI，使等效速度提高了近一倍第二章數(shù)據(jù)表示+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)=數(shù)據(jù)類型操作碼的優(yōu)化表示：定長(zhǎng)編碼、HUFFMAN編碼、擴(kuò)展編碼（***課后題****）復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)CISC：增強(qiáng)指令功能，設(shè)置功能復(fù)雜的指令；面向目標(biāo)代碼、面向高級(jí)語(yǔ)言、面向操作系統(tǒng)；用一條指令代替一串指令RISC精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)：簡(jiǎn)化指令功能，只保留功能簡(jiǎn)單的指令；較復(fù)雜的功能用子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的功能用子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)RISC的思想精華：減少指令平均執(zhí)行周期數(shù)（CPI）RISC的特點(diǎn)(1) 簡(jiǎn)單而統(tǒng)一格式的指令譯碼。采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)的兩個(gè)限制條件 (1)被移動(dòng)指令在移動(dòng)過(guò)程中所經(jīng)過(guò)的指令之間不能有數(shù)據(jù)相關(guān)(2)被移動(dòng)的指令不破壞條件碼，至少不影響后面的指令使用條件碼 如果找不到符號(hào)條件的指令，必須在條件轉(zhuǎn)移指令后面插 入空操作 如果指令的執(zhí)行過(guò)程分為多個(gè)流水段，則要插入多條指令指令取消技術(shù)原因：采用指令延時(shí)技術(shù)，在許多情況下找不到可以用來(lái) 調(diào)整的指令 向后轉(zhuǎn)移（循環(huán)程序）實(shí)現(xiàn)方法：循環(huán)體的第一條指令經(jīng)調(diào)整后安排在兩個(gè)位 置，第一個(gè)位置是在循環(huán)體的前面，第二個(gè)位置安排在循 環(huán)體的后面，如果轉(zhuǎn)移成功，則執(zhí)行循環(huán)體后面的指令，然后返回到循 環(huán)體開(kāi)始；否則，則取消循環(huán)體后面的指令，繼續(xù)執(zhí)行后 面的指令重疊寄存器窗口技術(shù)（Overlapping Register Window） 原因：RISC中，子程序比CISC中多，因傳送參數(shù)而訪存的信息量很大 美國(guó)加洲大學(xué)伯克利分校的F Baskett提出 實(shí)現(xiàn)方法：設(shè)置一個(gè)數(shù)量比較大的寄存器堆，并把它劃分 成很多個(gè)窗口。 訪問(wèn)的局部性原理是構(gòu)成層次化存儲(chǔ)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。方法是：當(dāng)不命中時(shí)，在數(shù)據(jù)從主存儲(chǔ)器中取出送往CPU的同時(shí)，把主存儲(chǔ)器相鄰幾個(gè)單元中的數(shù)據(jù)（稱為一個(gè)數(shù)據(jù)塊）都取出來(lái)送入CACHE。(3) 頁(yè)面大小。在CACHE容量比較小的時(shí)候，命中率提高得非?？?，隨著Cache容量的增加，命中率提高的速度逐漸降低。? 當(dāng)組數(shù)不太大時(shí)(512組以下)，命中率的降低相當(dāng)少；? 當(dāng)組數(shù)超過(guò)一定數(shù)量時(shí)，命中率的下降很快。? (4) 硬件實(shí)現(xiàn)的代價(jià)，寫(xiě)回法要比寫(xiě)直達(dá)法好。 異步性反映了設(shè)備相對(duì)于CPU的獨(dú)立性，采用自治控制的方法來(lái)解決。中斷可以是硬件引起的，也可以是軟件引起的。數(shù)據(jù)恢復(fù)的難易程度。通道處理機(jī)例題2：某處理機(jī)共有4個(gè)中斷源DDD3和D4，它們的硬件中斷優(yōu)先級(jí)從低到高分別為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)。每次為一臺(tái)高速設(shè)備傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，并輪流為多臺(tái)外圍設(shè)備服務(wù)。D5的第一次請(qǐng)求沒(méi)有響應(yīng)，數(shù)據(jù)丟失。讀出的操作數(shù)存放在操作數(shù)寄存器中或覆蓋掉地址寄存器中的地址。(3)求最小啟動(dòng)循環(huán)和最小平均啟動(dòng)距離。主要包括：無(wú)條件轉(zhuǎn)移、一般條件轉(zhuǎn)移、復(fù)合條件轉(zhuǎn)移、中斷等。兩者相比較，加速比是多少？（2）、計(jì)算該流水線的效率和吞吐率。移數(shù)置換或PM2i或加減2i置換：PM2+i(X)=（X+2^i）mod N (N看有多少個(gè)處理機(jī)；2i同理)：假設(shè)16個(gè)處理機(jī)的編號(hào)分別為0、…、15，采用單級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)。并行處理機(jī)的兩種分類及其結(jié)構(gòu)分類：分布存儲(chǔ)器并行處理機(jī)和共享存儲(chǔ)器并行處理機(jī) ?分布式存儲(chǔ)器并行處理機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖 ?共享存儲(chǔ)器并行處理機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖第九章多處理機(jī)的定義與特點(diǎn)多處理機(jī)定義：兩個(gè)或兩個(gè)以上處理機(jī)(包括PU和CU)，通過(guò)高 速互連網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，在統(tǒng)一的操作系統(tǒng)管理下， 實(shí)現(xiàn)指令以上級(jí)（任務(wù)級(jí)、作業(yè)級(jí)）并行。先做完的要停下等待?？偺幚頃r(shí)間＝R*Max(M－K，K)＋C*(M－K)*K其中：R：每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，C：通信開(kāi)銷，K：任 務(wù)分配參數(shù)。?Ki最多有3個(gè)取值： 、 和0?當(dāng)M 是N 的倍數(shù)時(shí)，?單臺(tái)處理機(jī)執(zhí)行全部M個(gè)任務(wù)的總時(shí)間：?總處理時(shí)間＝RM?使兩者差為0，得到R/C=M/2結(jié)論：?當(dāng)R/C＞M/2時(shí)采用平均分配方法， ?當(dāng)R/C＜M/2時(shí)采用集中分配方法。在其他多處理機(jī)系統(tǒng)中，通常采用基于目錄協(xié)議。共有4種狀態(tài)(1)有效(Valid, 相當(dāng)于寫(xiě)回方式中的只讀：(2)無(wú)效(Invalid)：在Cache中找不到或數(shù)據(jù)塊已作 廢。(4)重寫(xiě)(Dirty)：Cache中的數(shù)據(jù)塊被寫(xiě)過(guò)多次，而 且是唯一正確的數(shù)據(jù)塊。方法二：寫(xiě)更新（Write Update）策略，在本地Cache 數(shù)據(jù)塊修改時(shí)通過(guò)總線把新的數(shù)據(jù)塊廣播給含該塊的所 有其他Cache?采用寫(xiě)無(wú)效或?qū)懜虏呗耘cCache采用寫(xiě)回方式（Write Back）還是寫(xiě)直達(dá)方式（Write Through）無(wú)關(guān)。(2)當(dāng)處理機(jī)臺(tái)數(shù)增加時(shí)，額外開(kāi)銷時(shí)間也增加?？倳r(shí)間最短的結(jié)論：當(dāng)R/C＜M/2時(shí)，把所有任務(wù)分配給同一臺(tái)處理機(jī)，K＝0；當(dāng)R/C＞M/2時(shí)，把任務(wù)平均分配給兩臺(tái)處理機(jī)，K＝M/2。要采取同步措施來(lái)保持程序要求的正確順序5. 資源分配和進(jìn)程調(diào)度并行處理機(jī)的PE是固定的，用屏蔽來(lái)改變實(shí)際參加操 作的PE數(shù)目。 多處理機(jī)的并行性存在于指令外部，在多個(gè)任務(wù)之間，識(shí) 別難度較大。第八章并行性的兩種類型和三種技術(shù)途徑兩種并行性概念：(1)同時(shí)性并行Simultaneity：兩個(gè)或兩個(gè)以上事件 在同一時(shí)刻發(fā)生。用結(jié)點(diǎn)間的連接邊數(shù)：(1)頻帶寬度 (Bandwidth)：傳輸信息的最大速率(2)傳輸時(shí)間 (Transmission time)：等于消息長(zhǎng)度除以頻寬。（先行指令窗口：能夠從指令Cache中預(yù)取多條指令，能夠?qū)Υ翱趦?nèi)的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析和功能部件沖突檢測(cè)，保存暫時(shí)不能進(jìn)入操作部件的指令。解：(1)禁止向量為： (2，4，6)初始沖突向量：S = 101010(2)構(gòu)造狀態(tài)圖S邏輯右移6位時(shí)，不作任何處理，邏輯右移5和大于等于7時(shí)：S右移1位之后：010101∨101010＝ 111111，S右移3位之后：000101∨101010＝ 101111，S右移5位之后：000001∨101010＝ 101011，S右移7位或大于7位后還原到它本身。指令分析器遇到向主存寫(xiě)結(jié)果的指令時(shí)，把形成的有效地址送入后行寫(xiě)