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专题一:计算机系统结构
计算机系统结构基础
:
计算机系统结构也称计算机体系统结构,这只是系统结构中的一部分,指的是传统机器级的系统结构,其界面之上包括操作系统、汇编语言级、高级语言级和应用语言级中所有;软件功能,界面之下包括所有硬件和固件的功能。
计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现,包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等
计算机的实现是指计算机组成的物理实现,包括外理机。主存等部件的物理结构,器件的集成度和速度,器件、模块、插件、底板的划分与连接。专用器件的设计,微组装技术,信号传输,电源,冷却及整机装配技术等。
组成设计上面决定于结构,下面受限于实现技术。系统设计的任务是:进行软硬件的功能分配,确定传统机器级的软硬件界面!
计算机中有关逻辑功能等效的计算
附例题:
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指令系统是计算机所有指令的集合。程序员用各种语言编写的程序都有翻译成以指令形式表示的机器语言后才能运行,所以指令系统反映了计算机的基本功能,是硬件设计人员和程序员都能看到的机器的主要属性。
复杂指令系统(CISC):随着硬件成本的不断下降,软件成本的不断提高,使得人们热衷于在指令系统中增加更多的指令和复杂的指令,来提高操作系统的效率,并尽量缩短指令系统与高级语言的语义差别,以便高级语言的编译和降低软件成本,同时为了保证程序兼容,新的计算机的指令系统只能增加而不能减少,所以就使得指令系统越来越来复杂!
精简指令系统(RISC):通过简化指令使计算机的结构更加简单合理,从而提高运算速度,
特点:1、优先选取使用频率最高的一些简单指令
2、指令长度固定,指令格式种类少
,其余指令的操作都在寄存器之间进行!
。
好处:1、简化指令系统设计
2、提高机器的执行速度和效率
3、降低设计成本!提高系统可靠性
4、可直接支持高级语言的实现,简化编译程序的设计
不足:1、指令少,占用存储空间多,加大了指令的信息流量
2、对浮点和虚拟存储器的支持有待加强
3、机器编译程序比CISC难写
总线是从两个或两个以上源部件传送信息到一个或多个部件的一组传输线,如果一根传输线仅用于连接一个源部件(输出)和一个或多个目的部件(输入)则不称为总线.
常用的总线有:ISAEISAPCI等
计算机的外部设备,如磁盘驱动器,键盘和显示器等,都是独立的设备,这些独立设备与主机相连时,必须按照规定的物理互连特性,电气特性等进行连接,这些特性的技术规范称为外设接口.
常用的外设接口有:IDE接口SCSI接口USB接口RS232接口和PCMCIA接口等!
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输入输出系统包括输入输出没备、设备控制器及输入输出操作有关的软硬件
输入输出系统的发展经历了3个阶段:
1、 程序控制I/O
2、 直接存储器访问
3、 I/O处理机
通道的分类及计算
通道处理机是IBM公司首先提出来的一种I/O处理机方式。根据通道数据传送方式的不同,可分为字节多路、选择和数组多路三类通道。
n 字节多路通道:适用于连接大量低速设备,传送一个字的时间短,但等待的时间长,可以多台设备同时时行工作
n 数组通道:连接多台高速设备,开始寻址辅助时间长,但传送速成率高,采用成组交叉方式工作,传送定长块,可以多台设备进行工作
n 选对通道:优先级高的磁盘等高速设备,独占通道,传送不定长块!
最大流量的计算:
Ø 字节多路通道的最大流量为各个设备的流量之和
Ø 数组和选择通道的最大流量为其中所挂载设备的最大流量
4、存储体系统
存储器主要用于存放计算机的程序和数据,存储器系统指的是存储器硬件设备以及管理该存储器的软、硬件设备。对存储器的基本要求是增大容量、提高速度、降低价格。单一的存储器硬件(主存储器)难以满足要求。所以就提出了多层次的存储体系结构(即:寄存器---Cache--主存—外存)
主存储器
在计算机中存放当前正在执行的程序以及被程序所使用的数据(包括运算结果)原存储器称为主存储器。
主存储器的技术指标
1. 存储器的容量
存储器容量是指存放信息的总量,通常以字节为单位。其最大容量受计算机字长所限制,如现在32位的微机,最大的内存极限为:232=4G
2. 读写时间
从主存储器读出一个字或写入一个字所需的时间称为读写时间。通常读一次存储器取出一个字,当字长为32位时,一次可读出四个字节!
是否需要定期刷新:
静态:不停电情况下能长时间保留不变,速度快,但容量小,成本高
动态:不停电的情况下也要定期刷新,容量大,成本高,常用在计算机系统中,常见的有:EDO,SDRAM、DDR等
按读写功能来分:
可读写(RAM)
可擦写只读:EPROM(可擦写,用紫外线擦写)、EEROM(可用电擦写)、FLASH(电读写,但只能以块为单位,速度快,成本低,现在最常用)
可编程:EROM(通过编程一次性写入)
只读:ROM(制造时)
位扩展:位扩展是对存储器的位数进行扩充!
字扩展:是对存储器的容量进行扩展
位、字扩展:对位数和容量都进行扩展
(硬件实现)
奇偶:
海明码:
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为了协调存储器与CPU速度的,其工作原理是:将存储器分成几个独立的个体,这样每次就能进行多个字的数据读写!
影响多体交叉效率的因素:
n 多体存储的模值M
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n 数据的分布情况
n 较移指令
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段式:一个程序可以由几个基本独立的程序模块和数据块组成。每个模块是一个段,第个段是连续的地址空间。
页式:把主存分成固定大小的页面,每页内的地址是连续!一个程序可以占用多个页面
段页式:是段式和页式管理的结合,每道程序有一个段表和一组页表,程序按模块分段,每个段含若干个页面。
在多级存储体系中,Cache处于CPU与存储器之间,其目的是使程序员能使作一个速度与CACHE相当而容量与主存相当的存储器。
工作原理为:数据的局部性原理。
工作方式:当存储器接收到读命令后,先在CACHE中查找此信息,若在(又叫命中),则从CACHE中取出,不中才从主存中取出!
当要写数据时,为了保证CACHE的内容与主存内容的一致性,经常采用以下方法中的一种:
1. 写通:同时写入CACHE和主存。
2. 数据只写入存储器中,并将CACHE中有关数据位清零。
3. 数据只入CACHE,只有当CACHE要失效时,才将数据写回主存,又叫“写回”!
4. 假如命中,则两个都要写,如果不命中,则只写入主存!
CACHE速度的计算:
实际速度=cache的速度*命中率+(1-命中率)*主存的速度!
多层次CACHE
当芯片的集成度提高后,可以将更多的电路集成在一个微处理器芯片中,于是近年来新设计的高速微处理器芯片都将CACHE集成在片内,片内CACHE的读取速度要比片外CACHE快得多,但片内CACHE的容量受芯片集成度的限制,其命中率比大容量的CACHE低,于是推出了二级CACHE方案,其中第一级CACHE(L1)设置成处理器芯片内,第二级设置成片外,(也有在片内的)二级CACHE容量可以从几百K到几M字节,有的系统还用了三级CACHE方案.
:
虚拟存储器通过增设地址映象表机构来实现程序在主存中的定位,将程序分割成若干段或页,用相应的映象表指明该程序的某段或某页是否已装入主存。若已装入,同时指明其要主存中的起始地址;若未装入,就去辅存中调段或调页,装入主存后在映象表中建立好程序空间和实存空间的地址映象关系。
虚拟存储依主存的存储管理而有三种不同方式:
1. 段式管理
2. 页式管理
3. 段页式管理
页面失效替换算法:
1. 随机算法:
2. 先进先出:
3. 近期最少使用算法:
计算机的内存是动态RAM,当停机后其数据将丢失,而且RAM的大小有限,所以计算机系统需要一种能长久保存数据,且容量大的存储设备,一般我们常说外存设备主要是指:磁盘、磁带和光盘!
工作原理:对于磁盘之类的磁表面计录方式是利用磁性材料的磁滞回归线特征将数据记录在磁性物体的表面。而对于光盘之类的设备是将数据以光学特征的形式存储在盘片的表面。
技术指标:
存储密度:是指单位长度或面积磁层表面所存储的二进制数据量
存储容量:是指设备能存储的信息的总量
平均访问时间:是指磁盘从发出读写命令到读出或写入信息所花的时间
计算:
容量的计算:
访问时间的计算:
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