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第1章运算机构成与构造3
1.1运算机构成3
1.1.1运算器3
1.1.2操纵器3
1.1.3储备器体系5
1.1.4时序产生器和操纵方法5
1.1.5指令流、数据流和运算机的分类6
1.1.6处理器机能7
1.2指令体系9
1.2.1寻址方法9
1.2.2指令类型10
1.2.3CISC和RISC10
1.2.4RISC构造特点11
1.3并行处理和并行处理机12
1.3.1并行性概念13
1.3.2并行性的等级13
1.3.3进步运算机并行性的方法14
1.3.4并行处理机14
1.3.5双机体系16
1.4多处理机体系16
1.4.1拜望储备器方法17
1.4.2互联方法19
1.5输入/输出及其操纵20
1.5.1重要输入/输出设备20
1.5.2输入/输出操纵器21
1.5.3外设的辨认21
1.5.4外设的拜望22
1.5.5常见输入/输出接口26
1.5.6联机、脱机和假脱机28
1.6流水线技巧28
1.6.1流水线28
1.6.2阻碍流水线效力的身分30
1.7例题分析31
第2章储备器体系41
2.1主储备器41
2.1.1重要常识点41
2.1.2本节例题分析42 2.2关心储备器44
2.2.1磁带储备器44
2.2.2磁盘储备器45
2.2.3RAID储备器45
2.2.4光盘储备器47
2.2.5储备收集47
2.2.6本节例题分析48
2.3Cache储备器52
2.3.1Cache的实现52
2.3.2Cache的机能55
2.3.3本节例题分析56
第3章嵌入式体系差不多常识59
第一章、概论
1、在计算机系统的层次结构中，从低层到高层，各层相对顺序正确的是（ ）。
A．汇编语言机器级——操作系统机器级——高级语言机器级
B．微程序机器级——传统机器语言机器级——汇编语言机器级
C．传统机器语言机器级——高级语言机器级——汇编语言机器级
D．汇编语言机器级——应用语言机器级——高级语言机器级
2、直接执行微指令的是（ ）。
A．汇编程序 B．编译程序 C．硬件 D．微指令程序
3、在计算机的系统结构设计中，提高硬件功能实现的比例会（ ）。
A．提高硬件利用率 B．提高系统的运行速度
C．减少需要的存储器量 D．提高系统的性能价格比
4、在计算机的系统结构设计中，提高软件功能实现的比例会（ ）。
A．提高解题速度 B．减少需要的存储器量
C．提高系统的灵活性 D．提高系统的性能价格比
5、在CISC中，各种指令的使用频度相差悬殊，大致有以下的结果。大约有 （比例）的指令使用频度较高，占据了 （比例）的处理机时间。
名词解释：CPI、 Amdahl定律、局部性原理、透明性
1、 计算机系统的Flynn分类法是按什么来分类的，共分为哪几类，简要说明各类的特征。
2、如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。若执行第一级的一条指令需K ns时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需用多少时间。
4、用一台40MHZ处理机执行标准测试程序，它含的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下：
求有效CPI、MIPS速率和程序的执行时间。
5、假设高速缓存Cache的工作速度为主存的5倍，且Cache被访问命中的概率为90%，那么采用Cache后能使整个存储系统获得多高的加速币？
1 / 142 第一章 计算机硬件基础 1.1 计算机基本组成 1一个完整的计算机系统由：控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成。 2运算器和控制器合称为中央处理器。内存储器和中央处理器合称为主机。 3控制器包括：指令寄存器、指令译码器、时序控制。 1.1.1 中央处理器 1运算器通常由算术运算部件（ALU）和一些寄存器组成。 2累加器除了存放参加运算的操作数外，在连续运算中，还用于存放中间结果和最终结果。 3为了使计算机能够正确执行指令，CPU必须能够按正确的时序产生操作控制信号，这是控制器的主要任务。 4控制器组成：①程序计数器(PC)；②指令寄存器（IR）；③指令译码器；④脉冲源及启停控制线路；⑤时序信号产生部件；⑥操作控制信号形成部件；⑦中断机构；⑧总线控制逻辑。 1.1.2 存储器 1按存储器在计算机中的功能分类：高速缓冲存储器（Cache），由双极型半导体；主存储器，由MOS半导体存储器构成；辅助存储器，又称为外存储器。 1.1.3 常用I/O设备 1按信息的传输方向来分可分为：输入、输出与输入输出设备。 2 / 142 2输入设备：键盘、鼠标、光标、触摸屏、跟踪球、控制杆、数字化仪、语言输入、手写汉字识别、光学字符阅读机（OCK）。 分为两类：媒体输入设备和交互式输入设备。媒体输入设备：纸带输入机、卡片输入机、光学字符阅读机；交互式输入设备：键盘、鼠标、触屏、光屏、跟踪球。 3输出设备：显示器、打印机、绘图仪、语音输出设备、卡片穿孔机、纸带穿孔机、数模转换设备。 4输入输出设备：磁盘机、磁带、可读写光盘、CRT显示器、通信设备。 5输入输出设备按功能分为三类：用于人机接口、用于存储信息、机—机联系。 6键盘：按键开关可分为两类：触点式、非触点式。 7键盘控制器的构成方式不同，可分为编码键盘和非编码键盘两类。 8根据鼠标器锁采用的传感技术的不同，鼠标器可分为两类：机械式与光电式。 9鼠标与主机相连有两种方式：总线接口和通信接口。 10目前大部分计算机把鼠标接在串行通信口：COM1和COM2上。 11打印机以印字原理可分为：击打式打印机和非击打式打印机；以输出方式可分为串行打印机和并行打印机。 12击打式打印机按字锤或字模的构成方式来分，可分为整字形击打印设备（按字模载体的形态分为：球形、菊花瓣形、轮式、鼓式）和点阵打印设备两类。 13非击打式打印机类型：激光印字机、喷墨打印机、热敏打印机。 3 / 142 14显示器由监视器和显示控制器组成。监视器由阴极射线管（CRT）、亮度控制电路（控制栅）、扫描偏转电路（水平/垂直扫描偏转线圈）组成。 15为保证屏幕上显示的图像不产生闪烁，图像必须以50帧/秒至70帧/秒的速度进行刷新。 16计算题举例：如当分辨率为640×480，帧频为50帧/秒，且水平回扫期和垂直回扫期各占水平扫描周期和垂直扫描周期的20%，则 行频=480线÷80%×50帧/s=30kHz 水平扫描周期=1÷30kHz=33μs 每一像素读出的时间=33μs×80%÷640线=40-50ns 若分辨率提高到1024×768，帧频为60帧/秒，则行频提高到57.6kHz，水平扫描周期（HC）为17.4μs，每像素读出时间减少到13.6ns。 分辨率要求越高，为保证图像不闪烁，则时间要求越高（每一像素读出显示的时间越短）。 光栅扫描显示器的扫描方式还可以分成逐行扫描和隔行扫描方式两种。 1.2 计算机的系统结构 1.2.1 并行处理的概念 1并行性包括同时性和并发性两种含义。 2计算机中提高并行性的措施：时间重叠（时间并行技术）；资源重复（空间并行技术）；资源共享（一种软件方法）。 4 / 142 3指令流：计算机执行的指令序列；数据流：指令流调用的数据序列；多重性：计算机同时可处理的指令或数据的个数。 4（S-single、单一的，I-instruction、指令，M-multiple、多倍的，D-data、数据）根据指令流和数据流的多重性，可以把计算机分为4类： ①单指令流单数据流（SISD）②单指令流多数据流（SIMD）③多指令流单数据流（MISD）④多指令流多数据流（MIMD）。 1.2.2 流水线处理机系统 若假定图中取指令、分析指令、执行指令的时间相同，均为t，则完成n条指令的时间T分别为 T=3nt；T=（n+2）t。 1.2.3 并行处理机系统 1并行处理机也称为阵列式计算机，是操作并行的SMID计算机，采用资源重复的措施开发并行性。并行处理机通常有一个控制器CU，N个处理单元（PE）（包括处理器和存储模块），以及一个互联网络部件（IN）组成。 2并行处理机的主要特点：以单指令流多数据流方式工作；采用资源重复方法引用空间因素；是以某一类算法为背景的专用计算机；并行处理机的研究必须与并行算法的研究密切结合；处理单元结构相同是同构型并行机，同时是异构型多处理机系统。 1.2.4 多处理机系统 1多处理机属于MIMD计算机。和SIMD计算机的区别：多处理机实现任务或作业一级的并行，而并行处理机只实现指令一级的并行。 5 / 142 2多处理机的特点：结构灵活性、程序并行性、并行任务派生、进程同步、资源分配和进程调度。 1.2.5 CISC/RISC指令系统 RISC与CISC比较，指令系统的主要特点：指令数目少；指令长度固定、指令格式种类少、寻址方式种类少；大多数指令可在一个机器周期内完成；通用寄存器数量多。 1.3 计算机存储系统 1.3.3 主存储器 1半导体读写存储器简称RWM，习惯上称为RAM，按工艺不同可分为：双极型RAM和MOS型RAM。 2静态MOS存储芯片由：存储体、读写电路、地址译码、控制电路（存储体、地址译码器、驱动器、I/O控制、片选控制、读/写控制）组成。 3存储器主要技术指标：存储容量、存取速度、可靠性。 4存储器的速度可用访问时间、存储周期和频宽来描述。 Tm（存储周期）＞Ta（读出时间），Tm＞Tw（写入时间）。 1.3.4 高速缓冲存储器 1访问高速缓冲存储器的时间一般为访问主存时间的1/4-1/10。 1.3.5 辅助存储器 1常用的辅助存储器包括：磁带、磁盘、光盘。 2磁表面存储器的存储原理：磁层由非矩形剩磁特性的导磁材料（氧化铁、镍钴合金）构成；磁层材料的剩磁要大（读出信息大），矫 6 / 142 顽力HC要合适，才有足够的抗干扰能力和使用较小写电流，磁层厚度要薄，才能提高记录密度。 3磁头由高导磁率的软磁材料（如坡莫合金和具有高频特性的帖氧体）做铁心，在铁心上开有缝隙并绕有线圈。 4在磁表面存储器中一般都是磁头固定。 5磁盘存储器由磁记录介质、磁盘存储器、磁盘控制器3部分组成；磁盘控制器包括控制逻辑、时序电路、“并—串”转换和“串—并”转换电路；磁盘驱动器包括：读写电路、读写转换开关、读写磁头和磁头定位伺服系统。 6按读写类型，光盘可分为：之都型、一次性写入型和可重写型。 1.4 计算机应用领域 1计算机应用领域包括：(1) 科学计算；(2) 信息管理；(3) 计算机图形学与多媒体技术；(4) 语言与文字的处理；(5) 人工智能； 第二章 操作系统知识 2.1 操作系统简介 2.1.1 操作系统的定义与作用 1操作系统是管理软硬件资源，控制程序执行、改善人机界面、合理组织计算机工作流程和为用户使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件。 2操作系统2个重要的作用：(1)通过资源管理，提高计算机系统的效率；(2)改善人机界面，向用户提供友好的工作环境。 7 / 142 3资源：在计算机系统中，能分配给用户使用的各种硬件和软件设施。包括2大类：硬件资源和信息资源。 2.1.2 操作系统的功能特征 1操作系统的主要特性：并发性、共享性和异步性。 并发性：指两个或两个以上的运行程序在同一时间间隔内同时执行。 共享性：指操作系统中的资源，可被多个并发的程序使用。 异步性：又称为随机性。 2从资源管理的观点来了解操作系统的6个主要功能： ①处理器管理；②存储管理；③设备管理；④文件管理；⑤作业管理；⑥网络与通信管理。 2.1.3 操作系统的类型 1操作系统的类型：批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统。 2批处理系统的主要特征：用户脱机工作、成批处理作业、多道程序设计、作业周转时间长。 3分时操作系统特性：同时性、独立性、及时性、交互性。 4实时操作系统组成：数据采集、加工处理、操作控制、反馈处理。 2.2 处理机管理 2.2.1 进程的基本概念 1进程：一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。 2进程属性：结构性、共享性、动态性、独立性、制约性、并发性。 2.2.2 进程的状态和转换 8 / 142 1 3种不同的进程状态：运行态（running）、就绪态（ready）、等待态（wait）（又称为阻塞态，blocked；或睡眠态，sleep）。 2.2.3 进程的描述 1进程上下文：操作系统中把进程物理实体和支持进程运行的环境合称为上下文（Context）。 2一个进程映像包括：进程程序块、进程数据块、系统/用户堆栈、进程控制块（PCB）。 3进程控制块包括3类信息：标示信息、现场信息、控制信息。 4常用的现场信息包括：通用寄存器的内容、控制寄存器（PSW）的内容、用户堆栈指针、系统堆栈指针。 5常用的控制信息包括：进程的调度相关信息、进程组成信息、进程间通信相关信息、进程在二级存储器内的地址、CPU资源的占用和使用信息、进程特权信息、资源清单。 2.2.4 进程的同步与互斥 1进程之间存在两种基本关系：竞争关系和协作关系。 2进程的互斥是解决进程间竞争关系的手段；进程的同步是解决进程间协作关系的手段。进程的互斥是一种特殊的进程同步关系，即逐次使用互斥共享资源。 3典型的进程间同步问题：生产者—消费者问题。 4最常用的同步机制：信号量即PV，管程。 5原语是操作系统中执行时不可中断的过程，即原子操作两个同步原语：P（测试）操作和V（增量）操作。 2.2.5 死锁 9 / 142 1死锁：两个进程分别等待对方占用的一个资源，于是两者都不能执行而处于永远等待。 2死锁产生的条件：①互斥的条件；②占有和等待条件；③不剥夺条件；④循环等待条件。 2.3 存储管理 1存储管理的功能：①主存空间的分配与回收；②地址转换和存储保护；③主存空间的共享；④主存空间的扩充。 2.3.1 存储器的层次 1计算机系统的存储器可分为：寄存器、高速缓存、主存储器、磁盘缓存、固定磁盘、可移动磁盘介质6个层次结构。 2逻辑地址转化为物理地址，称为地址转换或重定位。 2.3.2 地址转换与存储保护 1存储管理类型：分区存储管理、分段存储管理、分页存储管理、虚拟存储管理。 2.3.3 分区存储管理 1分区存储管理分为：固定和可变分区管理。 2可变分区管理的分配算法：最先适用分配算法、最优适用分配算法、最坏适用分配算法。 2.4 设备管理 1外围设备分类：存储型设备、输入输出型设备。 2设备管理应具有以下功能：外围设备中断处理；缓冲区处理；外围设备的分配；外围设备驱动调度。 2.4.1 I/O硬件原理 10 / 142 1按照输入输出特性，I/O设备可划分为：输入型外围设备、输出型外围设备和存储型外围设备。 2按I/O控制器功能的强弱以及和CPU之间联系方式的不同，I/O设备控制方式可分为：询问方式、中断方式、DMA方式、通道方式。 3访问方式又称为程序直接控制方式。 4 DMA，直接存储器存取方式。 5通道又称为输入输出处理器。 2.4.2 I/O软件原理 1操作系统通常把I/O软件组织成4个层次：I/O中断处理程序（底层）、设备驱动程序、与硬件无关的操作系统I/O软件、用户层的I/O软件。 2输入输出中断的类型和功能：通知用户程序输入输出操作延链推进的程度；通知用户程序输入输出正常结束；通知用户程序发现的输入输出操作异常；通知程序外围设备上重要的异步信号。 3由设备无关软件完成的功能：对设备驱动程序的统一接口；设备命名；设备保护；提供独立于设备的块大小；缓冲区管理；块设备的存储分配；独占性外围设备的分配和释放；错误报告。 2.4.3 Spooling系统 1外围设备联机操作，简称为Spooling系统或假脱机操作系统，是用一类物理设备模拟另一类物理设备的的技术，是使独占使用的设备变成多台虚拟设备的一种技术，也是一种速度匹配技术。 2“井管理程序”控制作业和辅助存储器缓冲区域之间交换信息。
高等理科教育 提高“计算机系统结构”课程授课质量初探
提高“计算机系统结构”课程授课质量初探
尚艳艳陈国龙
（福州大学计算机科学与技术系，福建福州３５０００２）
摘要文章针对“计算机系统结构”课程的特点，从组织课程内容、明确学习目标、选择
授课方法、加强实践环节和师资队伍建设等多个方面来探讨如何提高这门课的授课质量。经过四
年的教学实践，取得了明显的教学效果。 关键词 系统结构授课质量专题讨论 实践
中图分类号Ｇ６４２．０ 文献标识码Ａ
计算机系统结构（以下简称“系统结构”）从分析和评测的角度来介绍计算机的结构原理，
学生可以对计算机的设计、实现知其所以然，所以本课程的学习将为今后从事计算机系统硬件、
软件的研究与开发及与此相关的工作打下良好的基础。正是因为本课程不仅是计算机科学与技术
专业的－－￣＇Ｊ关键性课程，而且也是培养合格ＩＴ产业人才不可或缺的课程，国内外各个院校多年 来一直十分重视“系统结构”的教学工作。由于“系统结构”内容抽象、枯燥，教学难度比较
大，但其又是计算机专业承上启下的课程及与其他专业区别的重要课程之一，因而上好本课程、
提高本课程的课程质量有着重要的意义。
一、组织课程内容
在课程内容的选择上，必须以教学大纲为依据，按照学科知识体系的完整性和适时性原
则…组织课程内容。在内容上做到没有知识的简单重复、没有熏要知识的缺失，同时删除已过
时知识，并补充新知识，从内容方面激发、吸引学生的学习兴趣。下面以西安电子科技大学出版
社出版的《计算机系统结构》（第三版，李学干编著）教材为例，探讨一下“系统结构”课程内 容的组织。
第一章讲述计算机系统结构的基本知识，缺少计算机设计中最重要也是最广泛采用的设计原
则——Ａｍｄａｈｌ定律，应该补上。在第二章数据表示与指令系统部分，我们删除了在《计算机组
成原理》（以下简称“组成”）中讲授过的内容，着重讲述指令系统分析和设计的有关技术。在第 三章总线、中断与输入输出系统部分，熏点讲述怎样确定总线和中断的软、硬功能的分配，而精
