【正文】 在運(yùn)行過程中發(fā)生一定的硬件或軟件故障錯(cuò)誤時(shí)仍能保持正常工作而不影響正確結(jié)果的一種性能或措施。修復(fù)率表示在單位時(shí)間內(nèi)完成修復(fù)的概率。 搞高系統(tǒng)的可靠性一般兩種方法：避錯(cuò)法和容錯(cuò)法 硬件的避錯(cuò)技術(shù)的作用是減少系統(tǒng)失效的可能性 容錯(cuò)法有：硬件冗余、軟年冗余、信息冗余和時(shí)間冗余！計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可用性 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可用性是指該系統(tǒng)在某一時(shí)刻提供有效使用的程度，以可用度A來表示，可用度是在任意指定時(shí)刻系統(tǒng)能正確運(yùn)行的概率A=MTBF/（MTBF+MTTR） MTBF 為平均無故障時(shí)間MTTR為平均修復(fù)時(shí)間計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護(hù)性技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護(hù)性（RAS）技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)是研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要內(nèi)容，特別是由于超大規(guī)模集成電路的發(fā)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，人們對(duì)RAS的要求越來越高！松耦合多處理機(jī)：每臺(tái)處理機(jī)都有一個(gè)容量較大的局部存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)經(jīng)常用的指令和數(shù)據(jù)，以減少緊耦合系統(tǒng)中存在的訪主存沖突。 目的是：1。多處理機(jī)： 定義：是具有兩臺(tái)以上的處理機(jī)，在操作系統(tǒng)控制下通過共享的主存或輸入/出子系統(tǒng)或高速通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。 特點(diǎn)是：利用資源重復(fù)，而不是時(shí)間的重疊，利用并行中的同時(shí)性，而不是并發(fā)性！ 不精確斷點(diǎn)法: 不論指令I(lǐng)在流水線的那一段發(fā)生中斷,未進(jìn)入流水線的后續(xù)指令不再進(jìn)入,已在流水線的指令仍繼續(xù)流完,然后才轉(zhuǎn)入中斷處理程序. 實(shí)現(xiàn)簡單,但不利于編程和程序的排錯(cuò).n n 寫寫u u重復(fù)設(shè)置多套瓶頸段并聯(lián) 影響流水的主要因素:: :u u提高吞吐率的手段：1?！《鴮?duì)于光盤之類的設(shè)備是將數(shù)據(jù)以光學(xué)特征的形式存儲(chǔ)在盤片的表面。若已裝入，同時(shí)指明其要主存中的起始地址；若未裝入，就去輔存中調(diào)段或調(diào)頁，裝入主存后在映象表中建立好程序空間和實(shí)存空間的地址映象關(guān)系。 CACHE速度的計(jì)算： 實(shí)際速度=cache的速度*命中率+（1命中率）*主存的速度！ 多層次CACHE 當(dāng)芯片的集成度提高后,可以將更多的電路集成在一個(gè)微處理器芯片中,于是近年來新設(shè)計(jì)的高速微處理器芯片都將CACHE集成在片內(nèi),片內(nèi)CACHE的讀取速度要比片外CACHE快得多,但片內(nèi)CACHE的容量受芯片集成度的限制,其命中率比大容量的CACHE低,于是推出了二級(jí)CACHE方案,其中第一級(jí)CACHE(L1)設(shè)置成處理器芯片內(nèi),第二級(jí)設(shè)置成片外,(也有在片內(nèi)的)二級(jí)CACHE容量可以從幾百K到幾M字節(jié),有的系統(tǒng)還用了三級(jí)CACHE方案. 數(shù)據(jù)只寫入存儲(chǔ)器中，并將CACHE中有關(guān)數(shù)據(jù)位清零。2． 2．工作原理為：數(shù)據(jù)的局部性原理。 頁式：把主存分成固定大小的頁面，每頁內(nèi)的地址是連續(xù)！一個(gè)程序可以占用多個(gè)頁面 段頁式：是段式和頁式管理的結(jié)合，每道程序有一個(gè)段表和一組頁表，程序按模塊分段，每個(gè)段含若干個(gè)頁面。 較移指令4．6存儲(chǔ)管理： 段式：一個(gè)程序可以由幾個(gè)基本獨(dú)立的程序模塊和數(shù)據(jù)塊組成。 多體存儲(chǔ)的模值Mn n通常讀一次存儲(chǔ)器取出一個(gè)字，當(dāng)字長為32位時(shí)，一次可讀出四個(gè)字節(jié)！其最大容量受計(jì)算機(jī)字長所限制，如現(xiàn)在32位的微機(jī)，最大的內(nèi)存極限為：2 32 =4G所以就提出了多層次的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)（即：寄存器Cache主存—外存） 主存儲(chǔ)器 在計(jì)算機(jī)中存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序以及被程序所使用的數(shù)據(jù)（包括運(yùn)算結(jié)果）原存儲(chǔ)器稱為主存儲(chǔ)器。對(duì)存儲(chǔ)器的基本要求是增大容量、提高速度、降低價(jià)格。　 216。 216。 數(shù)組通道：連接多臺(tái)高速設(shè)備，開始尋址輔助時(shí)間長，但傳送速成率高，采用成組交叉方式工作，傳送定長塊，可以多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行工作n nn n通道的分類及計(jì)算 通道處理機(jī)是IBM公司首先提出來的一種I/O處理機(jī)方式。 復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）：隨著硬件成本的不斷下降，軟件成本的不斷提高，使得人們熱衷于在指令系統(tǒng)中增加更多的指令和復(fù)雜的指令，來提高操作系統(tǒng)的效率，并盡量縮短指令系統(tǒng)與高級(jí)語言的語義差別，以便高級(jí)語言的編譯和降低軟件成本，同時(shí)為了保證程序兼容，新的計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)只能增加而不能減少，所以就使得指令系統(tǒng)越來越來復(fù)雜！ 精簡指令系統(tǒng)（RISC）：通過簡化指令使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理，從而提高運(yùn)算速度， 特點(diǎn)：優(yōu)先選取使用頻率最高的一些簡單指令 指令長度固定，指令格式種類少 3．只有取/存數(shù)訪問存儲(chǔ)器，其余指令的操作都在寄存器之間進(jìn)行！ 4．CPU中通用寄存器數(shù)量相當(dāng)多。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)是：進(jìn)行軟硬件的功能分配，確定傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的軟硬件界面！ 計(jì)算機(jī)中有關(guān)邏輯功能等效的計(jì)算　 附例題： 2．指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)所有指令的集合。專用器件的設(shè)計(jì)，微組裝技術(shù)，信號(hào)傳輸，電源，冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。 計(jì)算機(jī)組成是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包括機(jī)器級(jí)內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等 計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括外理機(jī)。專題一：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 1．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也稱計(jì)算機(jī)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這只是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一部分，指的是傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其界面之上包括操作系統(tǒng)、匯編語言級(jí)、高級(jí)語言級(jí)和應(yīng)用語言級(jí)中所有；軟件功能，界面之下包括所有硬件和固件的功能。主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接。 組成設(shè)計(jì)上面決定于結(jié)構(gòu)，下面受限于實(shí)現(xiàn)技術(shù)。程序員用各種語言編寫的程序都有翻譯成以指令形式表示的機(jī)器語言后才能運(yùn)行，所以指令系統(tǒng)反映了計(jì)算機(jī)的基本功能，是硬件設(shè)計(jì)人員和程序員都能看到的機(jī)器的主要屬性。 5. 以硬布線控制邏輯為主 好處：簡化指令系統(tǒng)設(shè)計(jì) 提高機(jī)器的執(zhí)行速度和效率 降低設(shè)計(jì)成本！提高系統(tǒng)可靠性 可直接支持高級(jí)語言的實(shí)現(xiàn)，簡化編譯程序的設(shè)計(jì) 不足：指令少，占用存儲(chǔ)空間多，加大了指令的信息流量 對(duì)浮點(diǎn)和虛擬存儲(chǔ)器的支持有待加強(qiáng) 機(jī)器編譯程序比CISC難寫3．總線輸入輸出系統(tǒng) 總線是從兩個(gè)或兩個(gè)以上源部件傳送信息到一個(gè)或多個(gè)部件的一組傳輸線,如果一根傳輸線僅用于連接一個(gè)源部件(輸出)和一個(gè)或多個(gè)目的部件(輸入)則不稱為總線. 常用的總線有:ISA EISA PCI等 計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備,如磁盤驅(qū)動(dòng)器,鍵盤和顯示器等,都是獨(dú)立的設(shè)備,這些獨(dú)立設(shè)備與主機(jī)相連時(shí),必須按照規(guī)定的物理互連特性,電氣特性等進(jìn)行連接,這些特性的技術(shù)規(guī)范稱為外設(shè)接口. 常用的外設(shè)接口有:IDE 接口 SCSI接口 USB接口 RS232接口 和PCMCIA接口等! 輸入輸出系統(tǒng)包括輸入輸出沒備、設(shè)備控制器及輸入輸出操作有關(guān)的軟硬件 輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段： 程序控制I/O 直接存儲(chǔ)器訪問 I/O處理機(jī)根據(jù)通道數(shù)據(jù)傳送方式的不同，可分為字節(jié)多路、選擇和數(shù)組多路三類通道。 字節(jié)多路通道：適用于連接大量低速設(shè)備，傳送一個(gè)字的時(shí)間短，但等待的時(shí)間長，可以多臺(tái)設(shè)備同時(shí)時(shí)行工作n n 選對(duì)通道：優(yōu)先級(jí)高的磁盤等高速設(shè)備，獨(dú)占通道，傳送不定長塊！最大流量的計(jì)算：216。 字節(jié)多路通道的最大流量為各個(gè)設(shè)備的流量之和216。 數(shù)組和選擇通道的最大流量為其中所掛載設(shè)備的最大流量存儲(chǔ)體系統(tǒng)4．1概述 存儲(chǔ)器主要用于存放計(jì)算機(jī)的程序和數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)器系統(tǒng)指的是存儲(chǔ)器硬件設(shè)備以及管理該存儲(chǔ)器的軟、硬件設(shè)備。單一的存儲(chǔ)器硬件（主存儲(chǔ)器）難以滿足要求。 主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)1． 1． 存儲(chǔ)器的容量存儲(chǔ)器容量是指存放信息的總量，通常以字節(jié)為單位。2． 2． 讀寫時(shí)間從主存儲(chǔ)器讀出一個(gè)字或?qū)懭胍粋€(gè)字所需的時(shí)間稱為讀寫時(shí)間。4．2主存儲(chǔ)器的種類是否需要定期刷新： 靜態(tài)：不停電情況下能長時(shí)間保留不變，速度快，但容量小，成本高 動(dòng)態(tài)：不停電的情況下也要定期刷新，容量大，成本高，常用在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，常見的有：EDO，SDRAM、 DDR等按讀寫功能來分： 可讀寫（RAM） 可擦寫只讀：EPROM（可擦寫，用紫外線擦寫）、EEROM（可用電擦寫）、FLASH（電讀寫，但只能以塊為單位，速度快，成本低，現(xiàn)在最常用） 可編程：EROM（通過編程一次性寫入） 只讀：ROM（制造時(shí)）4．3存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展 位擴(kuò)展:位擴(kuò)展是對(duì)存儲(chǔ)器的位數(shù)進(jìn)行擴(kuò)充！ 字?jǐn)U展：是對(duì)存儲(chǔ)器的容量進(jìn)行擴(kuò)展 位、字?jǐn)U展：對(duì)位數(shù)和容量都進(jìn)行擴(kuò)展4．4存儲(chǔ)器的校驗(yàn)（硬件實(shí)現(xiàn)） 奇偶： 海明碼：4．5多體交叉存儲(chǔ)： 為了協(xié)調(diào)存儲(chǔ)器與CPU速度的，其工作原理是：將存儲(chǔ)器分成幾個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，這樣每次就能進(jìn)行多個(gè)字的數(shù)據(jù)讀寫！ 影響多體交叉效率的因素：n n 數(shù)據(jù)的分布情況n n每個(gè)模塊是一個(gè)段，第個(gè)段是連續(xù)的地址空間。4．7 Cache 在多級(jí)存儲(chǔ)體系中，Cache處于CPU與存儲(chǔ)器之間，其目的是使程序員能使作一個(gè)速度與CACHE相當(dāng)而容量與主存相當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器。工作方式：當(dāng)存儲(chǔ)器接收到讀命令后，先在CACHE中查找此信息，若在（又叫命中），則從CACHE中取出，不中才從主存中取出！當(dāng)要寫數(shù)據(jù)時(shí)，為了保證CACHE的內(nèi)容與主存內(nèi)容的一致性，經(jīng)常采用以下方法中的一種：1． 1． 寫通：同時(shí)寫入CACHE和主存。3． 3． 數(shù)據(jù)只入CACHE ，只有當(dāng)CACHE要失效時(shí)，才將數(shù)據(jù)寫回主存，又叫“寫回”！4． 4． 假如命中，則兩個(gè)都要寫，如果不命中，則只寫入主存！4．8 虛擬存儲(chǔ)器： 虛擬存儲(chǔ)器通過增設(shè)地址映象表機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)程序在主存中的定位，將程序分割成若干段或頁，用相應(yīng)的映象表指明該程序的某段或某頁是否已裝入主存。 虛擬存儲(chǔ)依主存的存儲(chǔ)管理而有三種不同方式：1． 1． 段式管理2． 2． 頁式管理3． 3． 段頁式管理頁面失效替換算法：1． 1． 隨機(jī)算法：2． 2． 先進(jìn)先出：3． 3． 近期最少使用算法：4．9外存儲(chǔ)設(shè)備 計(jì)算機(jī)的內(nèi)存是動(dòng)態(tài)RAM，當(dāng)停機(jī)后其數(shù)據(jù)將丟失，而且RAM的大小有限，所以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要一種能長久保存數(shù)據(jù)，且容量大的存儲(chǔ)設(shè)備，一般我們常說外存設(shè)備主要是指：磁盤、磁帶和光盤！ 工作原理：對(duì)于磁盤之類的磁表面計(jì)錄方式是利用磁性材料的磁滯回歸線特征將數(shù)據(jù)記錄在磁性物體的表面。 技術(shù)指標(biāo)： 存儲(chǔ)密度：是指單位長度或面積磁層表面所存儲(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)量 存儲(chǔ)容量：是指設(shè)備能存儲(chǔ)的信息的總量 平均訪問時(shí)間：是指磁盤從發(fā)出讀寫命令到讀出或?qū)懭胄畔⑺ǖ臅r(shí)間 計(jì)算： 容量的計(jì)算： 訪問時(shí)間的計(jì)算：重疊和流水重疊（流水）是指通過控制機(jī)構(gòu)同進(jìn)解釋兩條（多條以至整個(gè)段）程序的方式，從而加快整個(gè)機(jī)器語言程序的解釋！流水線的吞吐率：流水線的最大吞吐率為流水線中最慢子過程經(jīng)過的時(shí)間。細(xì)分瓶頸子過程2。 先讀后寫u u 先寫后讀先讀后寫、寫寫是異步流動(dòng)可能發(fā)生的、先寫后讀兩種都有! : 處理方法: 1)猜測法 2)加快和提前形成條件碼 3)采用延遲轉(zhuǎn)移 4)加快短循環(huán)程序處理 流水線中斷處理:n n 精確斷點(diǎn)法:陣列處理機(jī) 定義：陣列處理機(jī)也稱并行處理機(jī)，它將大量重復(fù)設(shè)置的處理單元，按一定方式互連成陳列，在單一控制部件控制下對(duì)各自所分配的不同數(shù)據(jù)并行執(zhí)行同一指令規(guī)定的操作，是操作級(jí)并行的SIMD計(jì)算機(jī)，處理單元是不帶指令控制部件的算術(shù)邏輯部件。多處理機(jī)是屬于多控制流多數(shù)據(jù)流系統(tǒng)。用多臺(tái)處理機(jī)進(jìn)行多任務(wù)處理協(xié)同求解一個(gè)大而復(fù)雜的問題來提高速度依靠冗余的處理機(jī)及重組來提高系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)性和可用性處理機(jī)有緊耦合和松耦合兩種緊耦合多處理機(jī)：是通過共享主存來實(shí)現(xiàn)處理機(jī)間通訊的，其通訊速率受限于主存頻寬，各處理機(jī)與主存經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)連接，處理數(shù)受限于互連網(wǎng)絡(luò)帶寬及各處理機(jī)訪主存沖突的概率。不同處理機(jī)間或通過通道互連實(shí)現(xiàn)通訊，以共享某些外部設(shè)備；或都通過消息傳送系統(tǒng)來交換信息。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 定義：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性是指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能正確運(yùn)行的概率。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可維護(hù)性 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可維護(hù)性是指該系統(tǒng)失效后在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可修復(fù)到規(guī)定功能的能力，反映系統(tǒng)可維護(hù)性高低的參數(shù)是修復(fù)率秒平均修復(fù)時(shí)間MTTR。 容錯(cuò)技術(shù)主要是為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性和可用性，常用冗余技術(shù)來抵消由于故障而引起的影響。 軟件冗余：為了檢測或屏蔽軟件中的差錯(cuò)而嗇一些在正常運(yùn)行時(shí)所不需要的軟件的方法 信息冗余：在實(shí)現(xiàn)正常功能所需要的信息外，再添加一些信息，以保證運(yùn)行結(jié)果正確性的方法，糾錯(cuò)碼就是信息冗余的例子 時(shí)間冗余：使用附加一定時(shí)間的方法來完成系統(tǒng)的功能。性能評(píng)估1 1 MIPS 和MFLOPS9（每秒百萬次指令和每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算）2 2 吉普森混合法3 3 RDR法： PDR=L/R （L為指令操作數(shù)平均長度，R為平均指令執(zhí)行時(shí)間）4 4 綜全理論性能基準(zhǔn)測試程序：1． 1． Wh