计算机系统结构gai

第1章计算机系统结构的基本概念1. 什么是计算机系统的多级层次结构？第6级L6：应用语言虚拟机第5级L5：高级语言虚拟机第4级L4：汇编语言虚拟机第3级L3：操作系统虚拟机第2级L2：机器语言(传统机器级)第1级L1：微程序机器级从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成以下多级层次结构：2. 硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上是不等效的？硬件和软件在功能实现上是等效的，即一种功能可以由软件实现，也可以由硬件实现。

在实现性能上是不等效的。

软件实现的优点是设计容易、改进简单；硬件实现的优点是速度快。

3. 经典计算机系统结构的实质是什么？计算机系统中软、硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。

4. 语言实现的两种基本技术是什么？翻译和解释是语言实现的两种基本技术。

它们都是以执行一串Ｎ级指令来实现N+1级指令，但二者存在着差别：翻译技术是先把N+1级程序全部变换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。

而解释技术是每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N 级指令，然后再去取下一条 N+1级的指令，依此重复进行。

在这个过程中不产生翻译出来的程序，因此解释过程是边变换边执行的过程。

5. 对于通用寄存器型机器来说，机器语言程序设计者所看到的计算机的属性主要有哪些？(1) 数据表示(2) 寻址规则(3) 寄存器定义(4) 指令集(5) 中断系统(6) 机器工作状态的定义和切换(7) 存储系统(8) 信息保护(9) I/O 结构6. 什么是软件兼容？软件兼容有几种？其中哪一种是软件兼容的根本特征？同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各档机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。

软件兼容分为向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。

其中向后兼容是软件兼容的根本特征。

7. 什么是系列机？它的出现较好地解决了什么矛盾？系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。

02325计算机系统结构计算机系统结构第1章计算机系统结构的基本概念1.1计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构 1.2计算机系统结构、组成与实现1.2.1结构、组成、实现的定义与内涵内涵1.2.2计算机系统结构、组成和实现三者的相互影响现三者的相互影响1.3软硬件取舍与计算机系统设计思路思路1.3.1软硬件取舍的基本原则软硬件取舍的基本原则1.3.2计算机系统的设计思路计算机系统的设计思路1.4结构设计要解决好软件的可移植性植性1.4.1统一高级语言统一高级语言1.4.2采用系列机采用系列机1.4.3模拟与仿真模拟与仿真1.5应用与器件的发展对系统结构的影响的影响1.5.1应用的发展对系统结构的影响1.5.2器件的发展对系统结构的影响1.6系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类算机系统的分类1.6.1并行性概念并行性概念1.6.2并行处理系统的结构与多机系统的耦合度系统的耦合度1.6.3计算机系统的分类计算机系统的分类第2章数据表示与指令系统章数据表示与指令系统2.1数据表示数据表示2.1.1数据表示与数据结构数据表示与数据结构2.1.2高级数据表示高级数据表示2.1.3引入数据表示的原则引入数据表示的原则2.1.4浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择处理方法的选择2.2寻址方式寻址方式2.2.1寻址方式分析寻址方式分析2.2.2逻辑地址与主存物理地址逻辑地址与主存物理地址 2.3指令格式的优化设计指令格式的优化设计2.3.1操作码的优化操作码的优化2.3.2指令字格式的优化指令字格式的优化2.4按CISC方向发展与改进指令系统系统2.4.1面向目标程序优化实现改进2.4.2面向高级语言优化实现改进2.4.3面向操作系统优化实现改进2.5按RISC方向发展与改进指令系统系统2.5.1 RISC的提出的提出2.5.2设计RISC的原则的原则2.5.3设计RISC结构用的基本技术2.5.4 RISC技术的发展技术的发展第3章总线、中断与输入输出系统中断与输入输出系统 3.1输入输出系统的基本概念输入输出系统的基本概念3.2总线设计总线设计3.2.1总线的类型总线的类型3.2.2总线的控制方式总线的控制方式3.2.3总线的通讯技术总线的通讯技术3.2.4数据宽度与总线线数数据宽度与总线线数3.3中断系统中断系统3.3.1中断的分类和分级中断的分类和分级3.3.2中断系统的软硬件功能分配3.4通道处理机通道处理机 3.4.1工作原理工作原理3.4.2通道流量的分析通道流量的分析第4章存储体系章存储体系4.1存储体系概念与并行主存系统4.1.1发展存储体系的必要性发展存储体系的必要性4.1.2并行主存系统频宽的分析并行主存系统频宽的分析4.1.3存储体系的形成与分支存储体系的形成与分支4.1.4存储体系的性能参数存储体系的性能参数4.2虚拟存储器虚拟存储器4.2.1不同的虚拟存储管理方式不同的虚拟存储管理方式4.2.2页式虚拟存储器的构成页式虚拟存储器的构成4.2.3页式虚拟存储器实现中的问题4.3高速缓冲高速缓冲(Cache)(Cache)(Cache)存储器存储器存储器4.3.1基本结构基本结构4.3.2地址的映象与变换地址的映象与变换4.3.3替换算法的实现替换算法的实现4.3.4 Cache存储器的透明性及性能分析性能分析第5章重叠、流水和向量处理机章重叠、流水和向量处理机5.1重叠方式重叠方式5.1.1基本思想和一次重叠基本思想和一次重叠5.1.2相关处理相关处理5.2流水方式流水方式5.2.1基本概念基本概念5.2.2流水线处理机的主要性能流水线处理机的主要性能5.2.3流水机器的相关处理和控制机构机构5.3向量的流水处理与向量流水处理机理机5.3.1向量的流水处理向量的流水处理5.3.2向量流水处理机向量流水处理机5.4指令级高度并行的超级处理机5.4.1超标量处理机超标量处理机5.4.2超长指令字超长指令字(VLIW)(VLIW)(VLIW)处理机处理机处理机5.4.3超流水线处理机超流水线处理机第6章阵列处理机章阵列处理机6.1阵列处理机原理阵列处理机原理6.1.1阵列处理机的基本构形阵列处理机的基本构形6.1.2阵列处理机的特点阵列处理机的特点6.2阵列处理机的并行算法阵列处理机的并行算法6.2.1 ILLIACⅣ的处理单元阵列结构结构6.2.2阵列处理机的并行算法举例6.3 SIMD计算机的互连网络计算机的互连网络6.3.1互连网络的设计目标及互连函数函数6.3.2基本的单级互连网络基本的单级互连网络6.3.3多级互连网络多级互连网络6.4并行存储器的无冲突访问并行存储器的无冲突访问6.5并行处理机举例并行处理机举例6.5.1 MPP位平面阵列处理机位平面阵列处理机6.5.2 CM连接机连接机第7章多处理机章多处理机7.1多处理机的特点及主要技术问题7.2多处理机的硬件结构多处理机的硬件结构7.2.1紧耦合和松耦合紧耦合和松耦合7.2.2机间互连形式机间互连形式7.3程序并行性程序并行性7.3.1并行算法并行算法7.3.2程序并行性的分析程序并行性的分析7.3.3并行程序设计语言并行程序设计语言7.4多处理机的性能多处理机的性能7.4.1任务粒度与系统性能任务粒度与系统性能7.4.2性能模型与分析性能模型与分析7.5多处理机的操作系统多处理机的操作系统7.5.1主从型操作系统主从型操作系统7.5.2各自独立型操作系统各自独立型操作系统7.5.3浮动型操作系统浮动型操作系统第8章其它计算机结构章其它计算机结构8.1脉动阵列机脉动阵列机8.1.1脉动阵列结构的原理和特点8.1.2通用的脉动阵列结构通用的脉动阵列结构8.2大规模并行处理机MPP与机群系统系统8.2.1大规模并行处理机MPP8.2.2机群系统机群系统8.3数据流机数据流机8.3.1数据驱动的概念数据驱动的概念8.3.2数据流程序图和语言数据流程序图和语言8.3.3数据流计算机的结构数据流计算机的结构8.3.4数据流机器存在的问题数据流机器存在的问题8.4归约机归约机8.5智能机智能机8.5.1智能信息处理与智能机智能信息处理与智能机8.5.2智能机的结构和机器语言智能机的结构和机器语言★翻译和解释的区别和联系？区别：区别：翻译是整个程序转换，翻译是整个程序转换，翻译是整个程序转换，解释解释是低级机器的一串语句仿真高级机器的一条语句。

计算机系统结构前四章知识总结第一章计算机系统结构的基本概念1、层次结构：计算机系统由硬件/器件和软件组成，按功能划分成多级层次结构。

每一级对应一种机器：第0级和第1级是具体实现机器指定功能的中央控制部分；第2级是传统机器语言及其；第3级是操作系统机器；第4级是汇编语言机器；第5级是高级语言机器；第6级是应用语言机器。

2、计算机系统结构：由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。

但按照计算机层次结构，不同程序者所看到的计算机有不同的属性。

主要研究软件、硬件功能分配和对软、硬件界面的确定。

3、计算机组成：计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

4、计算机实现：是指计算机组成的物理实现。

5、透明性：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，成为透明性现象。

6、由上往下设计（自上而下设计）：首先确定用户级虚拟机器的基本特征、数据类型和基本命令等，而后再逐级向下设计，直到由硬件执行或解释那级为止。

7、由下往上设计（自下而上设计）：根据硬件技术条件，特别是器件水平，首先把微程序机器级和传统机器研制出来。

在此基础上，再设计操作系统、汇编语言、高级语言等虚拟机器级。

最后设计面向应用的虚拟机器级。

8、系列机：是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。

9、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各挡机器，可获得相同的结果，差别只在于不同的运行时间。

10、兼容机：不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。

11、模拟：是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。

12、仿真：用程序直接解释另一种机器指令系统的方法。

13、虚拟机和宿主机：在A计算机上要实现B计算机的指令系统，通常采用解释方法来完成，即B机器的每一条指令用一段A机器的指令进行解释执行，如同A机器上也有B机器的指令系统一样，A机器称为宿主机，B机器称为虚拟机。

第一章计算机系统结构定义计算机＝软件＋硬件（+网络）两种定义：定义1：Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出：程序员所看到的计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性定义2：计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定计算机系统的多级层次模型第6级专用应用语言机器特定应用用户（使用特定应用语言）（经应用程序翻译成高级语言）第5级通用高级语言机器高级语言程序员（使用通用高级语言）（经编译程序翻译成汇编语言）第4级汇编语言机器汇编语言程序员（使用汇编语言）（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）第3级操作系统语言机器操作系统用户（使用操作系统原语）（经原语解释子程序翻译成机器语言）第2级传统机器语言机器传统机器程序员（使用二进制机器语言）（由微程序解释成微指令序列）第1级微指令语言机器微指令程序员（使用微指令语言）（由硬件译码器解释成控制信号序列）第0级硬联逻辑硬件设计员第0级由硬件实现，第1级由微程序实现，第2级至第6级由软件实现，由软件实现的机器称为：虚拟机从学科领域来划分：第0和第1级属于计算机组织与结构，第3至第5级是系统软件，第6级是应用软件。

它们之间仍有交叉。

第0级要求一定的数字逻辑基础；第2级涉及汇编语言程序设计的内容；第3级与计算机系统结构密切相关。

在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在。

计算机组成：是计算机系统结构的逻辑实现确定数据通路的宽度•确定各种操作对功能部件的共享程度•确定专用的功能部件•确定功能部件的并行度•设计缓冲和排队策略•设计控制机构•确定采用何种可靠性技术计算机实现：是指计算机组成的物理实现处理机、主存储器等部件的物理结构•器件的集成度和速度•专用器件的设计•器件、模块、插件、底版的划分与连接•信号传输技术•电源、冷却及装配技术，相关制造工艺及技术等计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。

系统结构是计算机系统的软硬件的界面；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。

计算机系统结构的组成
计算机系统结构通常包括以下几个主要组成部分：
1. 处理器：处理器是计算机的核心部分，负责执行程序中的指令。

它从内存中获取指令并执行，然后处理数据，并将结果存储回内存中。

处理器的能力决定了计算机的速度和性能。

2. 内存：内存是计算机的临时存储设备，用于存储正在处理的程序和数据。

内存分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

RAM可以随时读写，而ROM只能读取不能写入。

3. 输入/输出设备：输入/输出设备是计算机与外部世界交互的工具。

常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸屏等，常见的输出设备包括显示器、打印机、音响等。

4. 存储器：存储器是计算机的永久性存储设备，用于长期存储数据和程序。

常见的存储器包括硬盘、闪存盘、光盘等。

5. 总线：总线是计算机中各个部分之间传输数据的通道。

总线带宽决定了数据传输的速度，总线类型决定了计算机各个部分之间的连接方式。

6. 操作系统：操作系统是计算机的管理和控制软件，
负责管理计算机的资源，控制程序的执行，并提供用户界面。

操作系统是计算机的重要组成部分，它使得计算机更易于使用和管理。

7. 应用软件：应用软件是为特定目的而编写的程序，例如办公软件、图像处理软件等。

应用软件使计算机具有各种功能和用途。

以上这些部分共同构成了计算机系统结构的主要组成部分。

在实际应用中，根据不同的需求和用途，还可以对计算机系统结构进行更详细或更概括的分类。

计算机系统结构自考笔记一、计算机系统结构概述。

1. 计算机系统的层次结构。

- 从底层到高层：硬件、操作系统、系统软件、应用软件。

- 各层次的功能及相互关系。

例如，硬件为软件提供运行平台，软件控制硬件资源的使用等。

2. 计算机系统结构的定义。

- 经典定义：程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。

- 包括指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机制等方面的属性。

3. 计算机系统结构的分类。

- 按指令流和数据流的多倍性分类。

- 单指令流单数据流（SISD）：传统的单处理器计算机。

- 单指令流多数据流（SIMD）：如阵列处理机，适合进行数据并行处理。

- 多指令流单数据流（MISD）：较少见的结构。

- 多指令流多数据流（MIMD）：多处理器系统，如对称多处理机（SMP）。

- 按存储程序原理分类。

- 冯·诺依曼结构：程序和数据存储在同一存储器中，按地址访问。

- 哈佛结构：程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的地址空间。

二、数据表示与指令系统。

1. 数据表示。

- 数据类型。

- 数值型数据（整数、浮点数）：不同的表示格式，如定点数的原码、反码、补码表示；浮点数的IEEE 754标准表示。

- 非数值型数据（字符、字符串、逻辑数据等）。

- 数据的存储方式。

- 大端存储与小端存储：大端存储是高位字节存于低地址，小端存储是低位字节存于低地址。

2. 指令系统。

- 指令格式。

- 操作码：表示指令的操作类型，如加法、减法等操作。

- 地址码：指出操作数的地址或操作数本身。

有零地址、一地址、二地址、三地址等指令格式，每种格式的特点及适用场景。

- 指令类型。

- 数据传送指令：在寄存器、存储器等之间传送数据。

- 算术运算指令：加、减、乘、除等运算。

- 逻辑运算指令：与、或、非等逻辑操作。

- 控制转移指令：如无条件转移、条件转移、子程序调用与返回等，用于改变程序的执行顺序。

三、存储系统。

1. 存储器层次结构。

- 高速缓冲存储器（Cache） - 主存储器 - 辅助存储器的层次结构。

填空1.8088中，AD7 -AD0 是地址/数据复用线。

2.8088的段寄存器是16位的寄存器。

3.在IBM-PC/XT中，地址FFFFOH是重启地址。

4.8088的中断向量表在内存的0x00000到0x0003FF区域，它可以容纳25个中断向量，每个中断向量占4个字节。

5.8255A有3个8位端口，其中端口A可以以双向方式工作。

6.在串行异步通信时，接收端只要采样到起始位，就知道有一个有效的字符。

7.十进制数61.5转换为二进制是111101.1，转换为十六进制是3D.8。

8.已知X的原码是10001000，则X的反码是11110111，补码是11111000。

9.逻辑运算11110101和11101110的相“或”的结果是11111111。

10.微机硬件系统是指构成微机系统的物理装置，微机软件系统是指各种程序和相应文档。

软件系统包括系统软件和应用软件两大类。

11.高速缓冲存储器的英文名称是cache。

12.8086 CPU通过CS寄存器和IP寄存器能准确找到指令代码。

13.8086中地址/数据线分时复用，为保证总线周期内地址稳定，应配置8282，为提高总线驱动能力，应配置8288。

14.类型码为16H的中断所对应的中断向量存放在0000H：0058H开始的4个连续单元中，若这4个单元的内容分别为80H、70H、60H、50H，则相应的中断服务程序入口地址为5060H：7080H。

15.CPU 在指令的最后一个时钟周期检测INTR引脚，若测得INTR为1且IF为1，则CPU在结束当前指令后响应中断请求。

16.设8251A工作于异步方式，收发时钟频率为38.4KHz，波特率为2400。

数据格式为7位数据位，1位停止位，偶校验，则8251A的方式字为7AH。

17.CPU从I/O接口中的状态端口获取外设的“准备就绪”或“忙/闲”状态信息。

18.当存储器的读出时间大于CPU所要求的时间，为保证CPU与存储器的周期配合，就需要用READY信号，使CPU插入一个T w 状态。

计算机系统结构与组成了解计算机的层次结构和各个组成部分的功能与相互关系计算机系统结构与组成：了解计算机的层次结构和各个组成部分的功能与相互关系计算机系统是由硬件和软件两部分组成的，它们共同实现计算、控制、存储和输入/输出等功能。

在这个系统中，计算机的层次结构和各个组成部分具有紧密的功能联系和相互依赖关系，下面将介绍计算机系统结构的层次和各个组成部分的功能。

一、计算机系统结构的层次计算机系统结构可以划分为五个层次：硬件层、微程序层、指令系统层、操作系统层和应用层。

1. 硬件层：硬件层包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等，它们是计算机系统的基本组成部分，负责数据的处理和信息的存储。

2. 微程序层：微程序层主要包括微操作和微指令，它们是控制中央处理器工作的关键，通过微指令的执行来完成指令的解码和执行操作。

3. 指令系统层：指令系统层包括指令格式、寻址方式、指令集等，它规定了计算机的指令集和指令执行的方式，为高级语言提供了底层支持。

调计算机硬件和软件资源，提供用户与计算机系统之间的接口，为应用程序提供服务。

5. 应用层：应用层是计算机系统的最上层，包括各种应用软件（如文字处理、电子表格、数据库等），它们通过操作系统层来实现与底层硬件的交互。

二、计算机系统各部分的功能与相互关系1. 中央处理器（CPU）：CPU是计算机的核心，它负责进行算术逻辑运算、控制计算机的工作流程和解释执行指令等。

CPU由运算器和控制器组成，其中运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责指令的解码和执行。

2. 存储器：存储器用于存储数据和程序，包括主存储器（例如RAM）和辅助存储器（例如硬盘、光盘等）。

主存储器是CPU直接访问的存储空间，而辅助存储器用于长期存储和备份数据。

3. 输入输出设备：输入设备用于将外部数据输入到计算机系统中，如键盘、鼠标等；输出设备则用于将计算机处理的结果输出到外部，如显示器、打印机等。

输入输出设备与计算机系统通过接口进行数据传输和控制操作。