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复旦大学MES(双证)计算机系统基础知识讲义
发布:2016-10-09 10:30 分享:

计算机系统结构基础  
计算机操作系统基础
计算机系统结构的基础 
计算机系统结构的基础概念
主要研究软件、硬件功能分配,确定软件、硬件界面,即从机器语言程序员或编译程序设计者的角度所看到的物理系统的抽象。   
计算机系统的分类
Flynn 分类
SISD
SIMD
MISD
MIMD
CPU 结构及分类 
CPU的结构  
运算器
控制器
寄存器
输入输出总线  
分类  
16位
32位
64位
指令系统及其分类
指令系统的基础概念  
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。  
分类
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!  
RISC的特点及其优缺点 
存储系统的基础知识
基本概念  
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)  
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。也就是我们所说的内存
主存储器的种类 
按读写功能来分: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,成本低,常用在计算机系统中,常见的有:SDRAM、 DDR等 
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(制造时一次性写入)
存储器容量的扩展 
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
多体交叉存储  
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,这样第一次就能进行多个字的数据读写!   
影响多体交叉效率的因素:
多体存储的模值M
数据的分布情况
较移指令
Cache的基础知识
基本概念
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:计算机执行作业时,访问存储器的时间和空间的局部性原理  
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  
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
虚拟存储器
基本概念
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。  
页面失效替换算法
近期最少使用算法
随机算法
先进先出
总线 、接口及输入输出系统
定义
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;
接口: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;
输入输出系统: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:  
程序控制I/O
直接存储器访问
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。
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,可以多台设备同时进行工作  
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  
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:  
字节多路通道的最大流量为各个设备的流量之和  
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
外存系统
基础概念  
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 
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
重叠和流水  
重叠(流水)是指通过控制机构同进解释两条(多条以至整个段)程序的方式,从而加快整个机器语言程序的解释  
流水线的吞吐率:流水线的最大吞吐率为流水线中最慢子过程经过的时间。  
提高吞吐率的手段:
多细分瓶颈子过程
重复设置套瓶颈段并联 
阵列处理机  
定义:阵列处理机也称并行处理机,它将大量重复设置的处理单元,按一定方式互连成陈列,在单一控制部件控制下对各自所分配的不同数据并行执行同一指令规定的操作,是操作级并行的SIMD计算机,处理单元是不带指令控制部件的算术逻辑部件。  
特点是:  
利用资源重复,而不是时间的重叠。
利用并行中的同时性,而不是并发性!
多处理机    
定义:是具有两台以上的处理机,在操作系统控制下通过共享的主存或输入/出子系统或高速通讯网络进行通讯。多处理机是属于多控制流多数据流系统。 
目的是:  
1、用多台处理机进行多任务处理协同求解一个大而复杂的问题来提高速度
2、依靠冗余的处理机及重组来提高系统的适应性和可靠性,可用性

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