习题第二章第三章一个虚拟存储系统最多有64个用户每个用户程序最大不超过8192页每页4KB主存储器的容量为64MB。为了加快地址变换过程采用快慢表结构快表的容量为64个存储字快表地址经散列函数交换得到。为避免散列冲突需要一个相等比较器。(1)写出虚拟地址的格式标出各字段的名称和长度。(2)写出主存地址的格式标出各字段的名称和长度。(3)散列变换部件的输入位数和输出位数各为多少。(4)相等比较器的位数是多少。(5)写出快表每个存储字的格式标出各字段的名称和长度。散列变换部件的输入是多用户虚页号Pv用户号虚页号散列变换部件的输出是快表地址Ah相等比较器的位数是多用户虚页号Pv用户号虚页号快表字段多用户虚页号用户号虚页号实页号没写完回头写第四章练 习在程序查询的输入输出方式的系统中有三个不同的外围设备。假定一个查询操作需要100个时钟周期CPU的时钟频率为50MHz。求CPU在以下三种情况下为I/O查询所花费的时间比率假定进行足够的查询以避免数据丢失。(1) 鼠标器必须在每秒进行30次查询。(2) 软盘与CPU的数据传输以16位的单位进行数据传输速率为50KB/S。(3) 硬盘传输数据以32位的字为单位传输速率为2MB/S。下面又是一道题题目没记大致题目就是中断优先级1234开始32来之后4来1再来...第五章期末复习-1的移码怎么算-11001假如4位2的3次幂8-1877变成二进制是0111所以-1的移码是01114的移码怎么算40100假如4位2的4-1次8481212变成二进制是1100所以4的移码是1100补充负数的补码原码取反1-69的补码就是先算69的二进制数01000101每位取反10111010最后1101111011浮点数的舍入处理pg只要p位恒舍法截断法只要前p位恒置法恒指r/2强制最后一位最低位是1不是计组学的隐藏最高位的1下舍上入法4舍5入、0舍1入法被舍弃的部分最高位是0不变不进位是1进位。R*舍入法书上是下舍上入恒置1寻址操作寻找操作数和它们的地址的方式我们这个指令肯定要先有指令所以我们先编址编址之后就可以找了我们叫寻址。哦还有定位。堆栈没有零地址寻址方式寄存器的寻址有一地址、二地址、三地址、寄存器和内存面向主存储器寻址有立即数寻址、间接寻址、变址寻址、基址寻址、相对寻址、自动变址立即数寻址咋回事呢直接指出操作数在内存的地址间接寻址呢指出操作数地址的地址变址寻址呢有效地址变址寄存器内容指令格式的形式地址基址寻址呢有效地址基址寄存器内容指令格式的形式地址相对寻址呢有效地址PC的内容指令格式中的地址自动变址支持数组运算每访问一次下标自动增加或减少这个定位是怎么回事呢就是把逻辑地址转换成物理地址。有直接定位还没把程序装进主存储器物理位置就确定了、静态定位装的过程随机进行地址变换、动态定位当访问到响应指令或数据时才进行地址变换。前面咱们一直提指令这个指令一般由两部分组成操作码OPC和地址码A我们的操作码需要优化有三种操作码编码方式固定长度Huffman编码扩展编码Huffman编码我们要学会计算操作码的最短平均长度、固定长编码的信息冗余量例题基本就是让你设计n种操作码固定码长你可以算出来log以2为底n的对数可能1正好就不加。然后给你频率各种指令频率I1~In你计算一下采用Huffman编码的操作码平均长度计算固定长操作码和Huffman操作码的信息冗余量给了指令概率我们就排序吧构造一棵哈夫曼树。Huffman编码法平均长度为H所有指令概率*长度的和而操作码的最短平均长度是有一个公式的而且操作码最短平均长度肯定比Huffman编码平均长度要短信息冗余量我们一般用字母R来表示例题我没抄H是最短平均长度1.951.97是Huffman算出来的平均长度[log以2为底7题中n7的对数]是固定长度算出来的平均长度然后是扩展编码法比如1-2-3-5扩展编码法一般这种题先指令设计好然后H还是概率*长度平均长度信息冗余量R还是1-(最短的H/你算出来的平均长度H)然后指令是包括两部分一个操作码一个地址码刚刚编码编的是操作码。地址码可以按照个数划分零地址、一地址、二地址、三地址我们有三种方法来缩短地址码长度间接寻址方式、变址寻址方式、寄存器间接寻址方式如果你想要设计一个指令系统要知道通用计算机一般有5类基本指令数据传送类指令、运算类指令、程序控制指令、输入输出指令、处理机控制和调试指令了解精简指令集系统RISC从复杂指令系统计算机CISC到精简指令集系统计算机RISCCISC有问题比如28定理还有技术上的进步更适合RISC、软硬件功能分配减少CPI是RISC的精华实现RISC的关键技术延迟转移技术、指令取消技术、重叠寄存器窗口技术、流水线调整技术16右上角的4是怎么来的e0001004rm16rm是位数的基值接下来是存储系统终于到第三章了前面我跳了就是Cache和虚拟存储系统我们看存储系统的好坏有几个指标容量、单位容量平均价格、命中率H、等效访问周期THT1(1-H)T2、访问效率eT1/T先讲虚拟存储这个设计到虚拟存储器工作原理地址映像/变换如何加快内部地址变换页面替换算法如何提高主存命中率映像就是虚地址和实地址如何对应变换就是多用户虚地址变换成主存实地址内部地址变换、磁盘存储器地址外部地址变换内部地址变换外部地址变换地址映像、地址变换地址映像把虚拟地址空间影响到主存地址空间地址变换在程序运行时把虚地址变换成主存实地址或磁盘存储器地址三种虚拟存储器段式虚拟存储器、页式虚拟存储器、段页式虚拟存储器页表级数计算公式第三章cache、虚拟存储各种页面替换cache加速比页面命中率虚拟地址和主存地址的格式标出长度和名称虚地址用户号、虚页号、页内地址主存实地址主存实页号、页内地址地址映像和变换方法全相联、直接、组相联第四章输入输出系统程序控制、中断、DMA中断给你中断源优先级有时候有屏蔽码算一下请求处理的图处理机与外部设备连接方式想一想那个图下面这个图还有下面第三个图直接连接、通道处理机、输入输出处理机通道的3个种类下面第二个图通道流量分析感觉不能考有点像计网说的那个流量计网有一个知识是流量控制和拥塞处理水龙头我一科也没复习感觉有的极限了不同种通道可能会有计算题算流量、工作周期时间这种。直接连和通道三种通道输入输出处理机连接还是这种快速看一眼不细看来得快一点不然卡死了。可惜知识不进脑但是慢慢看也不进脑这样起码还能快点。接下来是第五章第五章标量处理机流水线处理机、超流水线处理机和超标量处理机这仨是这章的主要内容时间并行性和空间并行性俩概念指令重叠执行和流水线性能分析重叠顺序、一次重叠、二次重叠时空图一般用来算Tk也就是所用时间指标吞吐率TPn/Tk任务数n除以完成n个任务所用的时间、最大吞吐率吞吐率max为1/derta t、加速比S、效率E刚刚说的这个肯定有计算非流水线有前馈或反馈超标量超流水线超标量超流水线超标量是每个时钟周期可并发多条独立指令配置多个功能部件。超流水线是在一个时钟周期内分段在一个时钟周期内一个部件使用多次流水线的分类有单功能多功能的能完成几种功能运算。静态动态的是看同一时间内只能用一种功能还是多种功能同时。标量or向量?一般数据还是矢量数据。流水线or非流水线有无反馈。超标量超流水线超标量超流水线第三章 存储系统本章主要介绍两种存储系统一种是由Cache高速缓存存储器/缓存和主存储器内存构成的Cache存储系统另一种是由主存储器和磁盘存储器构成的虚拟存储系统。Cache存储系统的主要目标是为了提高存储器的速度而虚拟存储系统的只要目标是为了增加存储器的存储容量。Cache存储系统不存在进程切换而虚拟存储系统会切换到其他进程。从应用程序员看这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器存储容量与容量最大的那个存储器相等或接近单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。很明显接下来要学的是Cache替换算法Cache页面替换算法虚拟速度寄存器buffer缓冲栈cache主存磁盘虚拟存储器3种地址映象是把虚拟地址空间映象到主存地址空间。地址变换是在程序被装入主存储器之后在实际运行时把用户虚地址变换成主存实地址内部地址变换或磁盘存储器地址外部地址变换。段式页式段页式加快内部地址变换的方法PS.什么是内部地址映像和变换把虚拟地址空间映象到主存物理地址空间、以及把虚拟地址变换成主存实地址的方法。PS.什么是外部地址变换找到辅存磁盘存储器的实地址并且把需要访问的那一页或那一个程序段调入到主存储器中。多级页表一个公式计算页表的级数g重点目录表快慢表散列函数目录表的基本思想压缩页表的存储容量用一个容量比较小的高速存储器来存放页表从而加快查表的速度。由于程序在执行过程中具有局限性因此对页表中各存储字的访问并不是完全随机的。也就是说在一段时间内对页表的访问只是局限在少数几个存储字内。慢表是一个全表快表是常用的几个。快表采用相联方式访问慢表用地址访问。散列函数的目的把相联访问变成地址访问。散列变换实现快表按地址访问。多对1避免散列冲突相等比较器。页面替换算法随机算法RAND先进先出FIFO最近最少使用算法LRU最久没有使用算法LFU最优替换算法OPT(选择将来最久不被访问的页面替换最好让程序先执行一遍记录页地址流顺序)命中率的计算影响命中率因素页面大小的选择页面调度方法高速缓冲存储器CacheCache全部用硬件来调度因此它不仅对应用程序员是透明的而且对系统程序员也是透明的。相邻层之间的数据传送单位CPU与高速缓存之间字高速缓存与主存之间块主存与硬盘之间页面磁盘与磁带之间段Cache与虚拟存储系统区别信息交换单位不同一个块一个是页速度不同主存是磁盘的倍cache是主存的3到5倍。CPU与Cache及主存均有直接通路主存可以不通过Cache直接装CPUcache-主存硬件实现。主-辅存软件。Cache-主对应用程序员和系统程序员是透明的。主-辅对应用程序员透明。还有就是不命中时的处理关系Cache是等待主存储器、直接访存虚拟存储器是任务/进程切换。地址映象与变换方法在Cache中地址映象是指把主存地址空间映象到Cache地址空间具体地说就是把存放在主存中的程序按照某种规则装入到Cache中并建立主存地址与Cache地址之间的对应关系。而地址变换则是指当程序已经装入到Cache之后在实际运行过程中把主存地址如何变换成Cache地址。全相联映像及其变换直接映像及其变换组相联映像及其变换全相联主存中任意一块可以映象到Cache中任意一块的位置上。映像关系有种Cache块容量主存块容量目录表每一个存储字由三部分组成主存块号、Cache块号、一个有效位。直接映像组相联一种折中的方式组与组间采用直接相联组内采用全相联。Cache替换算法及其实现直接映象及变换方式实际上不需要替换算法这是因为主存中的一块只能转入到Cache的唯一一个块中。如果Cache的这一块是空的则可以装入如果Cache的这一块已经被占用唯一的办法是把它替换出去。在全相联映象及变换方式中由于主存中的一块可以装入到Cache中任意一块的位置上因此它的替换算法也就最复杂。在组相联和位选择组相联映象及地址变换方式中需要从Cache同一组内的几个块中选择一块替换出去。1.轮换法类似FIFO通常用于组相联映象及地址变换方式中。P187每块一个计数器那个块的计数器最大说明时间最久每组一个计数器2.LFU算法最久没有使用算法LFU与前两种轮换法比控制逻辑更复杂增加了判断和处理命中的情况。因此LFU算法的命中率是比较高的。Cache性能分析Cache的加速比Cache命中率与容量的关系Cache命中率随它的容量的增加而提高。当Cache容量怎加到无穷大时命中率可望达到100%但是这实际上是做不到的。Cache命中率与块大小的关系Cache命中率与组数的关系随着组数的增加Cache的命中率要降低。当组数不太大时如512组以下命中率降低的少当组数超过一定数量时命中率下降的快。Cache的一致性由于主存和Cache都可直接装CPUCache更新算法有两种写直达法和写回法。写直达法又称为写通过法写回法又称为抵触修改法。写回法是指CPU在执行写操作时被写数据只写入Cache不写入主存。仅当需要替换时才把已经修改过的Cache块写回主存。写直达法是指CPU在执行写操作时必须把数据同时写入Cache和主存。优缺点1.可靠性写直达法优于写回法。2.与主存的通信量一般情况下写回法少于写直达法。据统计在访问存储器的操作中写操作一般要占 10%到 34%。这里假设为 20%Cache 的命中率为 99%。每块为 4 个字主存的字长为一个字。当 Cache 发生块替换时有 30%的块需要写回到主存其余的块因为没有被修改过而不必写回主存。对于写直达法写主存次数占总访存次数的 20%。而对于写回法写主存次数占总访存次数的比例可以这样计算(1 - 99%)×30%×4 1.2%。因此与主存的通信量写回法仅是写直达法的十几分之一。3.控制的复杂性写直达法比写回法简单。4.硬件实现的代价写回法要比写直达好。因为在写直达中通常要采用一个高速小容量的缓冲存储器。Cache的预取算法预期能大幅度提高Cache的命中率。预期算法有下面几种按需取恒预取不命中预取采用不命中预取能使 Cache 的不命中率降低 75%~85%而采用不命中预取能使 Cache 的不命中率降低 30%~40%。但是恒预取所增加的 Cache 与主存之间的通信量要比不命中预取大很多。总结本章讲了存储系统。涉及到内存地址和主存实地址的相互转换内部/外部地址变换///地址映像和地址变换比如页式段式段页式。讲了常用的页面替换算法。然后还有高速缓存cache...第四章 输入输出系统在计算机系统中通常把处理机和主存储器之外的部分统称为输入输出系统它包括输入输出设备输入输出接口和输入输出软件。总线属于输入输出系统输入输出系统的特点集中反映在异步性、实时性和与设备无关性三个基本要求上。1.异步性输入输出设备的工作在很大程度上独立于处理机之外通常不使用统一的中央时钟各个设备按照自己的时钟工作但又要在某些时刻接受处理机的控制。2.实时性3.与设备无关性根据各种外围设备的不同特点处理好这三方面的关系就成为输入输出系统组织的基本内容输入输出系统的组织方式。具体地说针对异步法采用自治控制的方法针对实时性采用层次结构的方法针对与设备无关性采用分类处理的方法。自治控制在一般计算机系统中输入输出系统是一个独立于处理机之外的自治系统。层次结构在外围设备比较多的情况下输入输出系统一般要采用层次结构来进行组织。对于工作速度、工作方式和工作性质不同的外围设备通常要采用不同的输入输出方式。目前常用的基本输入输出设备方式有如下三种1.程序控制输入输出方式处理机轮询方式分时访问多台外围设备。CPU隔一段时间就来问外围设备你有事吗2.中断输入输出方式它的特点CPU与外围设备能够并行工作能够处理例外事件数据的输入和输出都要经过CPU一般用于连接低速外围设备。CPU说有事你说话。3.直接存储器访问DMA方式DMA方式特点1.主存储器既可以被CPU访问也可以被外围设备访问。2.由于在外围设备与主存储器直接传送数据不需要执行程序也不动用CPU中的数据寄存器和指令计数器等因此不需要做保存现场和恢复现场等工作从而使DMA方式的工作速度大大加快。3.在DMA控制器中除了需要设置数据缓冲寄存器、设备状态寄存器或控制寄存器之外还要设置主存储器地址寄存器、设备地址寄存器和数据交换个数计数器。4.不需要CPU的干预。目前使用的DMA方式有三种1.周期窃取方式只是借用了一个CPU的周期来完成DMA流程。因此其工作速度是极快的。而且它的硬件结构很简单比较容易实现。缺点是数据输入或输出过程中实际上占用了CPU的时间。2.直接存取方式(不用CPU)DMA控制器的数据传送申请不是发向CPU而是直接发往主存储器。它的优点与缺点正好和周期窃取方式相反。3.数据块传送方式在设备控制器中设置一个比较大的数据缓冲存储器设备控制器与主存储器之间的数据交换以数据块为单位并采用程序中断方式进行。中断系统需要硬件和软件共同来实现中断源的组织来个中断我们知道了它的种类第一时间就可以找到它。引起中断的各种事件称为中断源。中断系统的复杂性实际上是由中断源的多样性引起的。中断源可以来自系统外部也可以来自机器内部甚至处理机本身。中断可以是硬件引起的也可以是软件引起的。把各种各样的中断源分类、分级组织好是设计中断系统时首先要做好的一件事情。1.中断源的种类由外围设备引起的中断由处理机产生的中断由存储器产生的中断由控制器产生的中断由总线产生的中断实时过程控制产生的中断实时钟的定时中断多处理机系统中从其他处理机发送来的中断程序调试过程中事先设置的断点硬件故障中断电源故障中断2.中断源的分类组织为了在响应中断后处理机能够尽快找到中断入口必须对这些中断源进行分类。通常根据中断事件的紧迫程度、中断源工作速度的高低、中断源的性质等进行分类。对每一类中断源分配一个硬件的中断入口在进入这个入口之后再通过软件找到具体的中断源。IBM公司的机器通常把中断源分成6类重新启动中断机器检验出错中断。当硬件或软件故障时产生。程序性错误引起的中断访问管理程序错误外部事件中断输入输出中断3.中断优先级中断源的中断请求一般是随机的在中断源比较多的情况下很可能同时发生多个中断请求。CPU必须安排一个响应和处理中断的优先顺序。中断优先级由下列因素决定1.中断源的急迫性2.设备的工作速度3.数据恢复的难易程度4.要求处理机提供的服务量中断服务顺序和中断优先级不是一个概念而且前者时基于软件实现的后者是基于硬件实现的。中断系统的软硬件功能分配从中断源发出的中断服务请求到这个中断服务请求被处理机响应并全部处理完成其过程是相当复杂的。其中有些功能必须用硬件来实现有的功能必须用软件来实现而中间的大部分功能既可以用硬件实现也可以用软件实现。因此在设计一台计算机的中断系统时如何恰当地分配中断系统的软件与硬件功能是设计一个好的中断系统最关键的一个问题。中断系统中软件和硬件的功能分配主要考虑2个因素1.中断响应时间2.灵活性一般情况下用硬件实现速度快但灵活性差。用软件实现正好相反灵活性好但速度低。中断处理过程第一次CPU中断是为了保护现场第二次是为了恢复现场中断响应时间从一个中断源向处理机发出中断服务请求开始到处理机实际开始执行这个中断源的中断服务程序为止这一段时间称为中断响应时间。影响中断响应时间的因素主要有四个1.最长指令执行时间2.在一条指令执行完成后处理其他更紧急的任务所用时间3.从第一次“关CPU中断”到第一次“开CPU中断”所经历的时间4.多个中断源同时请求中断服务时通过软件找到相关中断源的中断服务程序入口所经历的时间中断现场的保存和恢复中断现场的保存和恢复分别是中断处理机过程开始和结束时必须执行的步骤。现场信息可分为三类第一类主要指程序计数器PC中的内容它必须由硬件来完成保存。第二类是指记录当前程序状态的有关信息包括处理机状态字、堆栈指针、基址寄存器、中断屏蔽码等。第三类是指在中断服务程序中将要被破坏的通用寄存器中内容。对于软件现场大多数机器都采用软件来保存和恢复即在中断服务程序的开始保存在中断服务程序中将要用到的那些通用寄存器中的内容在中断服务程序结束前恢复那些通用寄存器中的内容。中断屏蔽设置中断屏蔽由如下三个用处在中断优先级已经由硬件确定了的情况下改变中断源的中断服务顺序。决定设备是否采用中断方式工作。前面介绍了外围设备由三种基本的输入输出方式可以让某些外围设备不采用中断方式工作而采用DMA方式工作在多处理机系统中可以通过中断屏蔽把对外围设备的输入输出服务工作分配到各个处理机中。通道处理机把外围设备的管理工作从CPU中分离出来普遍采用通道处理机技术。通道的作用和功能如果仅仅采用前面说的程序控制、中断和DMA这三种基本的输入输出方式来管理外围设备会引起如下两个问题1.所有外围设备的输入输出工作全部都要由CPU来承担CPU的输入输出负担都很重不能专心于用户程序的计算。低速外围设备每传送一个字符都要由CPU通过执行一段程序来完成而告诉外围设备虽然使用DMA方式减少了CPU的干预但初始化如DMA等工作仍然需要CPU用程序来完成。2.大型计算机系统中的外围设备台数虽然很多但是一般并不同时工作。采用DMA方式传送数据一个问题硬件的利用率。为了使CPU摆脱繁重的输入输出负担和共享输入输出接口在大型计算机系统中采用通道处理机是一种比较好的选择。一般来说通道的功能有1.接受CPU发来的输入输出指令根据指令要求选择一台指定的外围设备于通道相连接。2.执行CPU为通道组织的通道程序。3.给出外围设备的有关地址。4.给出主存缓冲区的首地址。5.控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数。6.指定传送工作结束时要进行的操作。7.检查外围设备的工作状态是正常或故障。8.在数据传输过程中完成必要的格式变换。以前这些工作都是CPU来做现在由通道来做这样CPU就可以从输入输出中脱离出来。通道的工作过程3步1.在用户程序中使用访管指令进入管理程序由CPU通过管理程序组织一个通道程序并启动通道。2.通道处理机执行CPU为它组织的通道程序完成指定的数据输入输出工作。3.通道程序结束后向CPU发中断请求CPU响应这个中断请求后第二次进入操作系统调用管理程序对输入输出中断请求进行处理。这样每完成一次输入输出工作CPU只需要两次调用管理程序大大减少了对用户程序的打扰。通道种类3种字节多路通道、选择通道、数组多路通道。字节多路通道慢无法为高速设备服务主要为多台低速或中速的外围设备服务。通常采用分时方式工作。传输一个字节。选择通道快、一旦占了就要做完、别的事都要等通道利用率低高速外围设备必须设置专门的通道在一段时间内单独为一台外围设备服务。一旦选中某一设备通道就进入“忙”状态直到该设备的数据传输工作全部结束为止。数组多路通道不会一直占着会交叉着传把上面的字节多路通道和选择通道的特性结合起来就成为了数组多路通道。从磁盘存储器读出一个文件的过程为例分为三步1.找定位2.找扇区3.读出数据像选择通道那样一个高速通道始终职位一台高速外围设备服务并没有能够充分发挥高速通道的数据传输潜力数组多路通道正是为了解决这一问题而提出来的。通道中断数据传输过程字节多路通道选择通道数组多路通道通道的流量控制输入输出处理机能够独立承担输入输出工作的专用处理机所以输入输出处理机也可以存和执行指令有CPU的功能相当于小型CPU输入输出处理机作用如果仍采用通道处理机就会存在如下问题1.每调用一次输入输出的前处理和后处理仍然要CPU来完成需要两次用中断方式中断CPU的现行程序。2.外围设备或通道处理机出现异常时通道处理机本身不能处理要通过中断方式请求CPU来处理。3.对所传送数据的格式转换、码制转换、数据块整体的正确性检验等工作仍然要CPU来实现。4.文件的管理、设备的管理等操作系统上的工作通道处理机本身无能为力需要CPU来实现。而输入输出处理机除了能够完成通道处理机的全部功能之外还具有以下功能1.码制转换2.数据校验和校正3.故障处理4.文件管理5.诊断和显示系统状态6.处理人机对话7.连接网络或远程终端除了以上工作输入输出处理机还可以根据需要完成分配给它的其他任务如数据库和知识库的管理工作等。输入输出处理机除了具有数据的输入输出功能之外还具有运算功能和程序控制等功能。不仅能够执行输入输出指令还能够执行算术逻辑指令和程序控制指令就像一个一般的处理机那样。总之输入输出处理机通常是一台独立的处理机具有一定的运算功能可以承担一般外围处理机的输入输出、控制操作和运算处理等任务。另外由于输入输出处理机具有自己的处理器因此不必通过主存就能完成与外围设备的数据交换提高了计算机系统效率。输入输出处理机种类根据是否共享主存储器可以把输入输出处理机分成两类共享主存储器的输入输出处理机、不共享主存储器的输入输出处理机。根据运算部件和指令控制部件是否为各个输入输出处理机共享也可以把输入输出处理机分为两类合用同一个运算部件和指令控制部件的输入输出处理机造价低但控制相对复杂、独立运算部件和指令控制部件的输入输出处理机采用独立运算部件和指令控制部件的处理机已经成为主流独立性强输入输出处理机的结构有多种组织方式1.有些计算机系统有多个输入输出处理机而且从功能上进行分工。每个处理机有自己专门干的活。2.在许多并行计算机和超级计算机系统中以输入输出处理机作为主处理机。3.有的计算机系统中用一台与中央处理机相同型号的处理机作为输入输出处理机相当于有两个CPU输入输出性能特别高4.很多计算机系统采用连接的微处理器来专门承担输入输出任务。输入输出处理机特点没画啊没画家人们。第五章 标量处理机只有标量数据表示和标量指令系统的处理机成为标量处理机。提高指令执行速度的三种途径1.提高处理机的工作主频2.采用更好的算法和设计更好的功能部件3.多种指令并行执行称为指令级并行技术。这是目前和将来提高处理机指令执行速度的一条主要路径。其中又包括三种方法1.流水线技术、2.多操作部件处理机或超标量处理机、3.超长指令字技术先行重叠技术1.指令的重叠执行方式总之顺序执行方式T3nt一次重叠执行方式T(12n)t二次重叠执行方式T(2n)t2.先行控制方式的原理和结构采用二次重叠执行方式要使指令能够正确地重叠执行。第一为了实现取指令、分析指令和执行指令同时进行需要有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件。第二要解决访问主存储器的冲突问题。1.主存分两块指存和数存2.指令和数据仍放在一个主存储器里低位交叉存取一个周期可访问多个存储单元3.根本解决方法还是先行控制技术该技术的关键是缓冲技术和预处理技术流水线处理机从两个方面来开发处理机内部的并行性一个是空间并行性一个处理机内设置多个独立的操作部件这类处理机也叫多操作部件处理机和超标量处理机一个是时间并行性分时使用同一部件的不同部分就是采用流水线技术。流水线工作原理指令的执行过程可以采用流水线称为指令流水线。运算器中的操作部件也可以采用流水线称为操作部件流水线。时空图流水线的特点1.流水线中处理的必须是连续任务只有连续不断的提供同类任务才能充分发挥流水线的效率。2.在流水线的每一个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器流水寄存器。3.流水线中各段的时间应尽量相等否则将引起“堵塞”、“断流”等。4.流水线需要有“装入时间”和“排空时间”。流水线的分类1.按照流水线的各个功能段之间是否有反馈信号可以把流水线分为线性流水线和非流水线两类。线性流水线每一个功能段都流过一次而且仅仅流过一次。非线性流水线除了有串行之外还有反馈回路。2.按照流水线使用的不同级别可以把流水线分为功能部件级、处理机级和处理机间级等多种类型。处理机流水线又称为指令流水线。功能部件级流水线也成为运算操作流水线。指令执行部件中采用了流水线的处理机称为流水线处理机或超流水线处理机而把指令执行部件中设置多个操作部件的处理机称为多操作部件处理机或超标量处理机。3.一条流水线只能完成一种固定的功能这种流水线称为单功能流水线。多功能流水线是指流水线的各段可以进行不同的连接。4.在多功能流水线中按照在同一时间内是否能够连接成多种方式同时执行多种功能可以把多功能流水线分成静态流水线和动态流水线两种。按连接方式分所谓静态流水线是指在同一段时间内多功能流水线中的各个功能段只能按照一种固定的方式连接。动态流水线是指在同一段时间内多功能流水线中的各段可以按照不同/多种方式连接同时执行多种功能。线性流水线性能分析对影响流水线性能的吞吐率、加速比和效率等三个主要指标进行分析。1.吞吐率最大吞吐率咋推出来的2.加速比如果不使用流水线顺序执行所用时间为T0使用流水线执行所用时间为Tk则流水线的加速比一般这个说法指硬件为3.效率一般是软件的叫法在时空图上流水线的效率是n个任务占用的时空区与k个功能段总的时空区之比。流水线性能分析例题跳到前面看
习题第二章第三章一个虚拟存储系统最多有64个用户每个用户程序最大不超过8192页每页4KB主存储器的容量为64MB。为了加快地址变换过程采用快慢表结构快表的容量为64个存储字快表地址经散列函数交换得到。为避免散列冲突需要一个相等比较器。(1)写出虚拟地址的格式标出各字段的名称和长度。(2)写出主存地址的格式标出各字段的名称和长度。(3)散列变换部件的输入位数和输出位数各为多少。(4)相等比较器的位数是多少。(5)写出快表每个存储字的格式标出各字段的名称和长度。散列变换部件的输入是多用户虚页号Pv用户号虚页号散列变换部件的输出是快表地址Ah相等比较器的位数是多用户虚页号Pv用户号虚页号快表字段多用户虚页号用户号虚页号实页号没写完回头写第四章练 习在程序查询的输入输出方式的系统中有三个不同的外围设备。假定一个查询操作需要100个时钟周期CPU的时钟频率为50MHz。求CPU在以下三种情况下为I/O查询所花费的时间比率假定进行足够的查询以避免数据丢失。(1) 鼠标器必须在每秒进行30次查询。(2) 软盘与CPU的数据传输以16位的单位进行数据传输速率为50KB/S。(3) 硬盘传输数据以32位的字为单位传输速率为2MB/S。下面又是一道题题目没记大致题目就是中断优先级1234开始32来之后4来1再来...第五章期末复习-1的移码怎么算-11001假如4位2的3次幂8-1877变成二进制是0111所以-1的移码是01114的移码怎么算40100假如4位2的4-1次8481212变成二进制是1100所以4的移码是1100补充负数的补码原码取反1-69的补码就是先算69的二进制数01000101每位取反10111010最后1101111011浮点数的舍入处理pg只要p位恒舍法截断法只要前p位恒置法恒指r/2强制最后一位最低位是1不是计组学的隐藏最高位的1下舍上入法4舍5入、0舍1入法被舍弃的部分最高位是0不变不进位是1进位。R*舍入法书上是下舍上入恒置1寻址操作寻找操作数和它们的地址的方式我们这个指令肯定要先有指令所以我们先编址编址之后就可以找了我们叫寻址。哦还有定位。堆栈没有零地址寻址方式寄存器的寻址有一地址、二地址、三地址、寄存器和内存面向主存储器寻址有立即数寻址、间接寻址、变址寻址、基址寻址、相对寻址、自动变址立即数寻址咋回事呢直接指出操作数在内存的地址间接寻址呢指出操作数地址的地址变址寻址呢有效地址变址寄存器内容指令格式的形式地址基址寻址呢有效地址基址寄存器内容指令格式的形式地址相对寻址呢有效地址PC的内容指令格式中的地址自动变址支持数组运算每访问一次下标自动增加或减少这个定位是怎么回事呢就是把逻辑地址转换成物理地址。有直接定位还没把程序装进主存储器物理位置就确定了、静态定位装的过程随机进行地址变换、动态定位当访问到响应指令或数据时才进行地址变换。前面咱们一直提指令这个指令一般由两部分组成操作码OPC和地址码A我们的操作码需要优化有三种操作码编码方式固定长度Huffman编码扩展编码Huffman编码我们要学会计算操作码的最短平均长度、固定长编码的信息冗余量例题基本就是让你设计n种操作码固定码长你可以算出来log以2为底n的对数可能1正好就不加。然后给你频率各种指令频率I1~In你计算一下采用Huffman编码的操作码平均长度计算固定长操作码和Huffman操作码的信息冗余量给了指令概率我们就排序吧构造一棵哈夫曼树。Huffman编码法平均长度为H所有指令概率*长度的和而操作码的最短平均长度是有一个公式的而且操作码最短平均长度肯定比Huffman编码平均长度要短信息冗余量我们一般用字母R来表示例题我没抄H是最短平均长度1.951.97是Huffman算出来的平均长度[log以2为底7题中n7的对数]是固定长度算出来的平均长度然后是扩展编码法比如1-2-3-5扩展编码法一般这种题先指令设计好然后H还是概率*长度平均长度信息冗余量R还是1-(最短的H/你算出来的平均长度H)然后指令是包括两部分一个操作码一个地址码刚刚编码编的是操作码。地址码可以按照个数划分零地址、一地址、二地址、三地址我们有三种方法来缩短地址码长度间接寻址方式、变址寻址方式、寄存器间接寻址方式如果你想要设计一个指令系统要知道通用计算机一般有5类基本指令数据传送类指令、运算类指令、程序控制指令、输入输出指令、处理机控制和调试指令了解精简指令集系统RISC从复杂指令系统计算机CISC到精简指令集系统计算机RISCCISC有问题比如28定理还有技术上的进步更适合RISC、软硬件功能分配减少CPI是RISC的精华实现RISC的关键技术延迟转移技术、指令取消技术、重叠寄存器窗口技术、流水线调整技术16右上角的4是怎么来的e0001004rm16rm是位数的基值接下来是存储系统终于到第三章了前面我跳了就是Cache和虚拟存储系统我们看存储系统的好坏有几个指标容量、单位容量平均价格、命中率H、等效访问周期THT1(1-H)T2、访问效率eT1/T先讲虚拟存储这个设计到虚拟存储器工作原理地址映像/变换如何加快内部地址变换页面替换算法如何提高主存命中率映像就是虚地址和实地址如何对应变换就是多用户虚地址变换成主存实地址内部地址变换、磁盘存储器地址外部地址变换内部地址变换外部地址变换地址映像、地址变换地址映像把虚拟地址空间影响到主存地址空间地址变换在程序运行时把虚地址变换成主存实地址或磁盘存储器地址三种虚拟存储器段式虚拟存储器、页式虚拟存储器、段页式虚拟存储器页表级数计算公式第三章cache、虚拟存储各种页面替换cache加速比页面命中率虚拟地址和主存地址的格式标出长度和名称虚地址用户号、虚页号、页内地址主存实地址主存实页号、页内地址地址映像和变换方法全相联、直接、组相联第四章输入输出系统程序控制、中断、DMA中断给你中断源优先级有时候有屏蔽码算一下请求处理的图处理机与外部设备连接方式想一想那个图下面这个图还有下面第三个图直接连接、通道处理机、输入输出处理机通道的3个种类下面第二个图通道流量分析感觉不能考有点像计网说的那个流量计网有一个知识是流量控制和拥塞处理水龙头我一科也没复习感觉有的极限了不同种通道可能会有计算题算流量、工作周期时间这种。直接连和通道三种通道输入输出处理机连接还是这种快速看一眼不细看来得快一点不然卡死了。可惜知识不进脑但是慢慢看也不进脑这样起码还能快点。接下来是第五章第五章标量处理机流水线处理机、超流水线处理机和超标量处理机这仨是这章的主要内容时间并行性和空间并行性俩概念指令重叠执行和流水线性能分析重叠顺序、一次重叠、二次重叠时空图一般用来算Tk也就是所用时间指标吞吐率TPn/Tk任务数n除以完成n个任务所用的时间、最大吞吐率吞吐率max为1/derta t、加速比S、效率E刚刚说的这个肯定有计算非流水线有前馈或反馈超标量超流水线超标量超流水线超标量是每个时钟周期可并发多条独立指令配置多个功能部件。超流水线是在一个时钟周期内分段在一个时钟周期内一个部件使用多次流水线的分类有单功能多功能的能完成几种功能运算。静态动态的是看同一时间内只能用一种功能还是多种功能同时。标量or向量?一般数据还是矢量数据。流水线or非流水线有无反馈。超标量超流水线超标量超流水线第三章 存储系统本章主要介绍两种存储系统一种是由Cache高速缓存存储器/缓存和主存储器内存构成的Cache存储系统另一种是由主存储器和磁盘存储器构成的虚拟存储系统。Cache存储系统的主要目标是为了提高存储器的速度而虚拟存储系统的只要目标是为了增加存储器的存储容量。Cache存储系统不存在进程切换而虚拟存储系统会切换到其他进程。从应用程序员看这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器存储容量与容量最大的那个存储器相等或接近单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。很明显接下来要学的是Cache替换算法Cache页面替换算法虚拟速度寄存器buffer缓冲栈cache主存磁盘虚拟存储器3种地址映象是把虚拟地址空间映象到主存地址空间。地址变换是在程序被装入主存储器之后在实际运行时把用户虚地址变换成主存实地址内部地址变换或磁盘存储器地址外部地址变换。段式页式段页式加快内部地址变换的方法PS.什么是内部地址映像和变换把虚拟地址空间映象到主存物理地址空间、以及把虚拟地址变换成主存实地址的方法。PS.什么是外部地址变换找到辅存磁盘存储器的实地址并且把需要访问的那一页或那一个程序段调入到主存储器中。多级页表一个公式计算页表的级数g重点目录表快慢表散列函数目录表的基本思想压缩页表的存储容量用一个容量比较小的高速存储器来存放页表从而加快查表的速度。由于程序在执行过程中具有局限性因此对页表中各存储字的访问并不是完全随机的。也就是说在一段时间内对页表的访问只是局限在少数几个存储字内。慢表是一个全表快表是常用的几个。快表采用相联方式访问慢表用地址访问。散列函数的目的把相联访问变成地址访问。散列变换实现快表按地址访问。多对1避免散列冲突相等比较器。页面替换算法随机算法RAND先进先出FIFO最近最少使用算法LRU最久没有使用算法LFU最优替换算法OPT(选择将来最久不被访问的页面替换最好让程序先执行一遍记录页地址流顺序)命中率的计算影响命中率因素页面大小的选择页面调度方法高速缓冲存储器CacheCache全部用硬件来调度因此它不仅对应用程序员是透明的而且对系统程序员也是透明的。相邻层之间的数据传送单位CPU与高速缓存之间字高速缓存与主存之间块主存与硬盘之间页面磁盘与磁带之间段Cache与虚拟存储系统区别信息交换单位不同一个块一个是页速度不同主存是磁盘的倍cache是主存的3到5倍。CPU与Cache及主存均有直接通路主存可以不通过Cache直接装CPUcache-主存硬件实现。主-辅存软件。Cache-主对应用程序员和系统程序员是透明的。主-辅对应用程序员透明。还有就是不命中时的处理关系Cache是等待主存储器、直接访存虚拟存储器是任务/进程切换。地址映象与变换方法在Cache中地址映象是指把主存地址空间映象到Cache地址空间具体地说就是把存放在主存中的程序按照某种规则装入到Cache中并建立主存地址与Cache地址之间的对应关系。而地址变换则是指当程序已经装入到Cache之后在实际运行过程中把主存地址如何变换成Cache地址。全相联映像及其变换直接映像及其变换组相联映像及其变换全相联主存中任意一块可以映象到Cache中任意一块的位置上。映像关系有种Cache块容量主存块容量目录表每一个存储字由三部分组成主存块号、Cache块号、一个有效位。直接映像组相联一种折中的方式组与组间采用直接相联组内采用全相联。Cache替换算法及其实现直接映象及变换方式实际上不需要替换算法这是因为主存中的一块只能转入到Cache的唯一一个块中。如果Cache的这一块是空的则可以装入如果Cache的这一块已经被占用唯一的办法是把它替换出去。在全相联映象及变换方式中由于主存中的一块可以装入到Cache中任意一块的位置上因此它的替换算法也就最复杂。在组相联和位选择组相联映象及地址变换方式中需要从Cache同一组内的几个块中选择一块替换出去。1.轮换法类似FIFO通常用于组相联映象及地址变换方式中。P187每块一个计数器那个块的计数器最大说明时间最久每组一个计数器2.LFU算法最久没有使用算法LFU与前两种轮换法比控制逻辑更复杂增加了判断和处理命中的情况。因此LFU算法的命中率是比较高的。Cache性能分析Cache的加速比Cache命中率与容量的关系Cache命中率随它的容量的增加而提高。当Cache容量怎加到无穷大时命中率可望达到100%但是这实际上是做不到的。Cache命中率与块大小的关系Cache命中率与组数的关系随着组数的增加Cache的命中率要降低。当组数不太大时如512组以下命中率降低的少当组数超过一定数量时命中率下降的快。Cache的一致性由于主存和Cache都可直接装CPUCache更新算法有两种写直达法和写回法。写直达法又称为写通过法写回法又称为抵触修改法。写回法是指CPU在执行写操作时被写数据只写入Cache不写入主存。仅当需要替换时才把已经修改过的Cache块写回主存。写直达法是指CPU在执行写操作时必须把数据同时写入Cache和主存。优缺点1.可靠性写直达法优于写回法。2.与主存的通信量一般情况下写回法少于写直达法。据统计在访问存储器的操作中写操作一般要占 10%到 34%。这里假设为 20%Cache 的命中率为 99%。每块为 4 个字主存的字长为一个字。当 Cache 发生块替换时有 30%的块需要写回到主存其余的块因为没有被修改过而不必写回主存。对于写直达法写主存次数占总访存次数的 20%。而对于写回法写主存次数占总访存次数的比例可以这样计算(1 - 99%)×30%×4 1.2%。因此与主存的通信量写回法仅是写直达法的十几分之一。3.控制的复杂性写直达法比写回法简单。4.硬件实现的代价写回法要比写直达好。因为在写直达中通常要采用一个高速小容量的缓冲存储器。Cache的预取算法预期能大幅度提高Cache的命中率。预期算法有下面几种按需取恒预取不命中预取采用不命中预取能使 Cache 的不命中率降低 75%~85%而采用不命中预取能使 Cache 的不命中率降低 30%~40%。但是恒预取所增加的 Cache 与主存之间的通信量要比不命中预取大很多。总结本章讲了存储系统。涉及到内存地址和主存实地址的相互转换内部/外部地址变换///地址映像和地址变换比如页式段式段页式。讲了常用的页面替换算法。然后还有高速缓存cache...第四章 输入输出系统在计算机系统中通常把处理机和主存储器之外的部分统称为输入输出系统它包括输入输出设备输入输出接口和输入输出软件。总线属于输入输出系统输入输出系统的特点集中反映在异步性、实时性和与设备无关性三个基本要求上。1.异步性输入输出设备的工作在很大程度上独立于处理机之外通常不使用统一的中央时钟各个设备按照自己的时钟工作但又要在某些时刻接受处理机的控制。2.实时性3.与设备无关性根据各种外围设备的不同特点处理好这三方面的关系就成为输入输出系统组织的基本内容输入输出系统的组织方式。具体地说针对异步法采用自治控制的方法针对实时性采用层次结构的方法针对与设备无关性采用分类处理的方法。自治控制在一般计算机系统中输入输出系统是一个独立于处理机之外的自治系统。层次结构在外围设备比较多的情况下输入输出系统一般要采用层次结构来进行组织。对于工作速度、工作方式和工作性质不同的外围设备通常要采用不同的输入输出方式。目前常用的基本输入输出设备方式有如下三种1.程序控制输入输出方式处理机轮询方式分时访问多台外围设备。CPU隔一段时间就来问外围设备你有事吗2.中断输入输出方式它的特点CPU与外围设备能够并行工作能够处理例外事件数据的输入和输出都要经过CPU一般用于连接低速外围设备。CPU说有事你说话。3.直接存储器访问DMA方式DMA方式特点1.主存储器既可以被CPU访问也可以被外围设备访问。2.由于在外围设备与主存储器直接传送数据不需要执行程序也不动用CPU中的数据寄存器和指令计数器等因此不需要做保存现场和恢复现场等工作从而使DMA方式的工作速度大大加快。3.在DMA控制器中除了需要设置数据缓冲寄存器、设备状态寄存器或控制寄存器之外还要设置主存储器地址寄存器、设备地址寄存器和数据交换个数计数器。4.不需要CPU的干预。目前使用的DMA方式有三种1.周期窃取方式只是借用了一个CPU的周期来完成DMA流程。因此其工作速度是极快的。而且它的硬件结构很简单比较容易实现。缺点是数据输入或输出过程中实际上占用了CPU的时间。2.直接存取方式(不用CPU)DMA控制器的数据传送申请不是发向CPU而是直接发往主存储器。它的优点与缺点正好和周期窃取方式相反。3.数据块传送方式在设备控制器中设置一个比较大的数据缓冲存储器设备控制器与主存储器之间的数据交换以数据块为单位并采用程序中断方式进行。中断系统需要硬件和软件共同来实现中断源的组织来个中断我们知道了它的种类第一时间就可以找到它。引起中断的各种事件称为中断源。中断系统的复杂性实际上是由中断源的多样性引起的。中断源可以来自系统外部也可以来自机器内部甚至处理机本身。中断可以是硬件引起的也可以是软件引起的。把各种各样的中断源分类、分级组织好是设计中断系统时首先要做好的一件事情。1.中断源的种类由外围设备引起的中断由处理机产生的中断由存储器产生的中断由控制器产生的中断由总线产生的中断实时过程控制产生的中断实时钟的定时中断多处理机系统中从其他处理机发送来的中断程序调试过程中事先设置的断点硬件故障中断电源故障中断2.中断源的分类组织为了在响应中断后处理机能够尽快找到中断入口必须对这些中断源进行分类。通常根据中断事件的紧迫程度、中断源工作速度的高低、中断源的性质等进行分类。对每一类中断源分配一个硬件的中断入口在进入这个入口之后再通过软件找到具体的中断源。IBM公司的机器通常把中断源分成6类重新启动中断机器检验出错中断。当硬件或软件故障时产生。程序性错误引起的中断访问管理程序错误外部事件中断输入输出中断3.中断优先级中断源的中断请求一般是随机的在中断源比较多的情况下很可能同时发生多个中断请求。CPU必须安排一个响应和处理中断的优先顺序。中断优先级由下列因素决定1.中断源的急迫性2.设备的工作速度3.数据恢复的难易程度4.要求处理机提供的服务量中断服务顺序和中断优先级不是一个概念而且前者时基于软件实现的后者是基于硬件实现的。中断系统的软硬件功能分配从中断源发出的中断服务请求到这个中断服务请求被处理机响应并全部处理完成其过程是相当复杂的。其中有些功能必须用硬件来实现有的功能必须用软件来实现而中间的大部分功能既可以用硬件实现也可以用软件实现。因此在设计一台计算机的中断系统时如何恰当地分配中断系统的软件与硬件功能是设计一个好的中断系统最关键的一个问题。中断系统中软件和硬件的功能分配主要考虑2个因素1.中断响应时间2.灵活性一般情况下用硬件实现速度快但灵活性差。用软件实现正好相反灵活性好但速度低。中断处理过程第一次CPU中断是为了保护现场第二次是为了恢复现场中断响应时间从一个中断源向处理机发出中断服务请求开始到处理机实际开始执行这个中断源的中断服务程序为止这一段时间称为中断响应时间。影响中断响应时间的因素主要有四个1.最长指令执行时间2.在一条指令执行完成后处理其他更紧急的任务所用时间3.从第一次“关CPU中断”到第一次“开CPU中断”所经历的时间4.多个中断源同时请求中断服务时通过软件找到相关中断源的中断服务程序入口所经历的时间中断现场的保存和恢复中断现场的保存和恢复分别是中断处理机过程开始和结束时必须执行的步骤。现场信息可分为三类第一类主要指程序计数器PC中的内容它必须由硬件来完成保存。第二类是指记录当前程序状态的有关信息包括处理机状态字、堆栈指针、基址寄存器、中断屏蔽码等。第三类是指在中断服务程序中将要被破坏的通用寄存器中内容。对于软件现场大多数机器都采用软件来保存和恢复即在中断服务程序的开始保存在中断服务程序中将要用到的那些通用寄存器中的内容在中断服务程序结束前恢复那些通用寄存器中的内容。中断屏蔽设置中断屏蔽由如下三个用处在中断优先级已经由硬件确定了的情况下改变中断源的中断服务顺序。决定设备是否采用中断方式工作。前面介绍了外围设备由三种基本的输入输出方式可以让某些外围设备不采用中断方式工作而采用DMA方式工作在多处理机系统中可以通过中断屏蔽把对外围设备的输入输出服务工作分配到各个处理机中。通道处理机把外围设备的管理工作从CPU中分离出来普遍采用通道处理机技术。通道的作用和功能如果仅仅采用前面说的程序控制、中断和DMA这三种基本的输入输出方式来管理外围设备会引起如下两个问题1.所有外围设备的输入输出工作全部都要由CPU来承担CPU的输入输出负担都很重不能专心于用户程序的计算。低速外围设备每传送一个字符都要由CPU通过执行一段程序来完成而告诉外围设备虽然使用DMA方式减少了CPU的干预但初始化如DMA等工作仍然需要CPU用程序来完成。2.大型计算机系统中的外围设备台数虽然很多但是一般并不同时工作。采用DMA方式传送数据一个问题硬件的利用率。为了使CPU摆脱繁重的输入输出负担和共享输入输出接口在大型计算机系统中采用通道处理机是一种比较好的选择。一般来说通道的功能有1.接受CPU发来的输入输出指令根据指令要求选择一台指定的外围设备于通道相连接。2.执行CPU为通道组织的通道程序。3.给出外围设备的有关地址。4.给出主存缓冲区的首地址。5.控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数。6.指定传送工作结束时要进行的操作。7.检查外围设备的工作状态是正常或故障。8.在数据传输过程中完成必要的格式变换。以前这些工作都是CPU来做现在由通道来做这样CPU就可以从输入输出中脱离出来。通道的工作过程3步1.在用户程序中使用访管指令进入管理程序由CPU通过管理程序组织一个通道程序并启动通道。2.通道处理机执行CPU为它组织的通道程序完成指定的数据输入输出工作。3.通道程序结束后向CPU发中断请求CPU响应这个中断请求后第二次进入操作系统调用管理程序对输入输出中断请求进行处理。这样每完成一次输入输出工作CPU只需要两次调用管理程序大大减少了对用户程序的打扰。通道种类3种字节多路通道、选择通道、数组多路通道。字节多路通道慢无法为高速设备服务主要为多台低速或中速的外围设备服务。通常采用分时方式工作。传输一个字节。选择通道快、一旦占了就要做完、别的事都要等通道利用率低高速外围设备必须设置专门的通道在一段时间内单独为一台外围设备服务。一旦选中某一设备通道就进入“忙”状态直到该设备的数据传输工作全部结束为止。数组多路通道不会一直占着会交叉着传把上面的字节多路通道和选择通道的特性结合起来就成为了数组多路通道。从磁盘存储器读出一个文件的过程为例分为三步1.找定位2.找扇区3.读出数据像选择通道那样一个高速通道始终职位一台高速外围设备服务并没有能够充分发挥高速通道的数据传输潜力数组多路通道正是为了解决这一问题而提出来的。通道中断数据传输过程字节多路通道选择通道数组多路通道通道的流量控制输入输出处理机能够独立承担输入输出工作的专用处理机所以输入输出处理机也可以存和执行指令有CPU的功能相当于小型CPU输入输出处理机作用如果仍采用通道处理机就会存在如下问题1.每调用一次输入输出的前处理和后处理仍然要CPU来完成需要两次用中断方式中断CPU的现行程序。2.外围设备或通道处理机出现异常时通道处理机本身不能处理要通过中断方式请求CPU来处理。3.对所传送数据的格式转换、码制转换、数据块整体的正确性检验等工作仍然要CPU来实现。4.文件的管理、设备的管理等操作系统上的工作通道处理机本身无能为力需要CPU来实现。而输入输出处理机除了能够完成通道处理机的全部功能之外还具有以下功能1.码制转换2.数据校验和校正3.故障处理4.文件管理5.诊断和显示系统状态6.处理人机对话7.连接网络或远程终端除了以上工作输入输出处理机还可以根据需要完成分配给它的其他任务如数据库和知识库的管理工作等。输入输出处理机除了具有数据的输入输出功能之外还具有运算功能和程序控制等功能。不仅能够执行输入输出指令还能够执行算术逻辑指令和程序控制指令就像一个一般的处理机那样。总之输入输出处理机通常是一台独立的处理机具有一定的运算功能可以承担一般外围处理机的输入输出、控制操作和运算处理等任务。另外由于输入输出处理机具有自己的处理器因此不必通过主存就能完成与外围设备的数据交换提高了计算机系统效率。输入输出处理机种类根据是否共享主存储器可以把输入输出处理机分成两类共享主存储器的输入输出处理机、不共享主存储器的输入输出处理机。根据运算部件和指令控制部件是否为各个输入输出处理机共享也可以把输入输出处理机分为两类合用同一个运算部件和指令控制部件的输入输出处理机造价低但控制相对复杂、独立运算部件和指令控制部件的输入输出处理机采用独立运算部件和指令控制部件的处理机已经成为主流独立性强输入输出处理机的结构有多种组织方式1.有些计算机系统有多个输入输出处理机而且从功能上进行分工。每个处理机有自己专门干的活。2.在许多并行计算机和超级计算机系统中以输入输出处理机作为主处理机。3.有的计算机系统中用一台与中央处理机相同型号的处理机作为输入输出处理机相当于有两个CPU输入输出性能特别高4.很多计算机系统采用连接的微处理器来专门承担输入输出任务。输入输出处理机特点没画啊没画家人们。第五章 标量处理机只有标量数据表示和标量指令系统的处理机成为标量处理机。提高指令执行速度的三种途径1.提高处理机的工作主频2.采用更好的算法和设计更好的功能部件3.多种指令并行执行称为指令级并行技术。这是目前和将来提高处理机指令执行速度的一条主要路径。其中又包括三种方法1.流水线技术、2.多操作部件处理机或超标量处理机、3.超长指令字技术先行重叠技术1.指令的重叠执行方式总之顺序执行方式T3nt一次重叠执行方式T(12n)t二次重叠执行方式T(2n)t2.先行控制方式的原理和结构采用二次重叠执行方式要使指令能够正确地重叠执行。第一为了实现取指令、分析指令和执行指令同时进行需要有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件。第二要解决访问主存储器的冲突问题。1.主存分两块指存和数存2.指令和数据仍放在一个主存储器里低位交叉存取一个周期可访问多个存储单元3.根本解决方法还是先行控制技术该技术的关键是缓冲技术和预处理技术流水线处理机从两个方面来开发处理机内部的并行性一个是空间并行性一个处理机内设置多个独立的操作部件这类处理机也叫多操作部件处理机和超标量处理机一个是时间并行性分时使用同一部件的不同部分就是采用流水线技术。流水线工作原理指令的执行过程可以采用流水线称为指令流水线。运算器中的操作部件也可以采用流水线称为操作部件流水线。时空图流水线的特点1.流水线中处理的必须是连续任务只有连续不断的提供同类任务才能充分发挥流水线的效率。2.在流水线的每一个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器流水寄存器。3.流水线中各段的时间应尽量相等否则将引起“堵塞”、“断流”等。4.流水线需要有“装入时间”和“排空时间”。流水线的分类1.按照流水线的各个功能段之间是否有反馈信号可以把流水线分为线性流水线和非流水线两类。线性流水线每一个功能段都流过一次而且仅仅流过一次。非线性流水线除了有串行之外还有反馈回路。2.按照流水线使用的不同级别可以把流水线分为功能部件级、处理机级和处理机间级等多种类型。处理机流水线又称为指令流水线。功能部件级流水线也成为运算操作流水线。指令执行部件中采用了流水线的处理机称为流水线处理机或超流水线处理机而把指令执行部件中设置多个操作部件的处理机称为多操作部件处理机或超标量处理机。3.一条流水线只能完成一种固定的功能这种流水线称为单功能流水线。多功能流水线是指流水线的各段可以进行不同的连接。4.在多功能流水线中按照在同一时间内是否能够连接成多种方式同时执行多种功能可以把多功能流水线分成静态流水线和动态流水线两种。按连接方式分所谓静态流水线是指在同一段时间内多功能流水线中的各个功能段只能按照一种固定的方式连接。动态流水线是指在同一段时间内多功能流水线中的各段可以按照不同/多种方式连接同时执行多种功能。线性流水线性能分析对影响流水线性能的吞吐率、加速比和效率等三个主要指标进行分析。1.吞吐率最大吞吐率咋推出来的2.加速比如果不使用流水线顺序执行所用时间为T0使用流水线执行所用时间为Tk则流水线的加速比一般这个说法指硬件为3.效率一般是软件的叫法在时空图上流水线的效率是n个任务占用的时空区与k个功能段总的时空区之比。流水线性能分析例题跳到前面看
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