计算机系统结构知识点

1. 多级层次结构：
   （1）按功能划分成多层机器级组成的层次结构，从上到下依次为，应用语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级，操作系统机器级，传统机器语言机器级，微程序机器级。
   （2）机器，被定义为能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体
   （3）微程序机器级用硬件实现，传统机器语言机器级用固件实现
   （4）固件：具有软件功能的硬件
   （5）以软件为主实现的机器称为虚拟机器，由硬件或固件实现的称为实际机器
2. 透明性：
   （1）客观存在的事物或属性从某个角度看不见
3. 翻译与解释
   （1）翻译：先用转换程序将高一级机器级上的程序整个变换成低一级机器级上等效的程序，然后再在低一级机器级上实现的技术
   （2）解释：在低级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能，是通过对高级的机器级语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术
4. 软硬件逻辑功能等效
   （1）概念：软硬件逻辑功能等效是指计算机系统的某功能可以由硬件实现也可以由软件实现，在逻辑功能上是等价的。由硬件实现功能的特点是速度快、增加硬件成本，灵活性低。由软件实现功能的特点是灵活性好、但速度较慢，增加软件设计费用等
5. 计算机系统结构、组成与实现的定义及三者之间的关系，以乘法指令为例说明上述三者各自的研究内容
   （1）计算机系统结构的定义：对计算机系统中各级界面的定义及其上下的功能分配
   （2）计算机组成的定义：计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等
   （3）计算机实现：是指计算机组成的物理实现（具体电路，器件的设计，装配技术等等）
   （4）三者的关系：三者互不相同，但又相互影响。组成向上决定于结构，向下受限于实现技术。
   （5）对于乘法指令，计算机系统结构主要考虑是否要设置乘法指令；而计算机组成主要考虑乘法指令是用专门的高速乘法器还是用加法器和移位器实现；计算机实现主要考虑乘法器，加法器的物理显示，如妻间的类型，继承父，数量的确定和选择
6. 计算机系统结构的设计思路
   （1）“由上往下”设计，由顶向底。先考虑应用要求，再逐级向下，下一级是对上一级的优化。是一种穿行设计方法，设计周期较长
   （2）“由下往上”设计，由底向顶。先设计底层，再加配操作系统和编译系统，以及设施的系统软件和算法等等。软硬件容易脱节，串行设计，周期长，很少采用
   （3）“从中间开始”向两边设计。一般方法。软硬件并行设计，较好的设计方法
7. 软件移植及三种移植技术
   （1）软件的可移植性：软件不修改或只经少量修改就可以由一台机器移到另一台机器上允许，同一软件可应用于不同的环境
   （2）移植技术：统一高级语言；采用系列机；模拟和仿真
8. 软件兼容及分类
   （1）软件兼容：机器语言程序以及编译程序能不加修改地通用于各档机器
   （2）分类：
   a. 向上兼容/向下兼容：向上（下）兼容是指，按某党机器编制的软件，不加修改就能运行于比他高（低）档的机器上。
   b. 向前兼容/向后兼容：向前（后）兼容是指，按某个时期投入市场的该型号机器上编制的软件，不加修改就能运行于在它之前（后）的投入市场的机器上。
   （3）系列机软件必须保证向后兼容，力争向上兼容
9. 系列机与兼容机，模拟与仿真
   （1）系列机：是具有相同体系结构，但组成和实现不同的一系列不同型号的计算机系统。
   兼容机：不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机。
   （2）模拟：用机器语言程序（在主存）解释实现软件移植的方法；运行速度低，实时性差，模拟程序复杂
   仿真：用微程序（在控制寄存器）直接解释另一种机器指令系统的方法；两种系统结构差别较大时，难以仿真
   两者的主要区别在于解释用的语言，其次有解释程序的所存位置不同
10. 应用与器件对系统结构的影响
    （1）应用的发展对结构设计提出范围广泛的要求
    （2）器件的发展改变了逻辑设计的传统方法；推动结构和组成前进的关键因素；加速了结构“下移”；促进了算法，语言和软件的发展
11. 并行性概念及发展并行性的三种技术途径
    （1）并行性：把解题中具有可以同时进行运算或操作的特性称为并行性，并行性包括同时性和并发性
    （2）并行性等级：
    ①按计算机系统执行程序的角度，从低到高：指令内部，指令之间，任务或进程之间，作业或程序之间
    ②从计算机系统中处理数据的角度来看，从低到高：位串字串，位并字串，位片串字并，全并行
    （3）三种技术途径：时间重叠，资源重叠，资源共享
    时间重叠：多个处理过程在时间上错开
    资源重叠：重复设置硬件资源来提高可靠性和性能
    资源共享：多个用户按时间顺序轮流使用同一套资源
12. 耦合度概念
    （1）耦合度概念：反映多机系统中各机器之间物理连接的紧密度和交叉作用能力
    （2）分类：
    最低耦合：除存储介质，无物理连接，脱机
    松散耦合：通过通道或通信线路互连，磁带，磁盘…
    紧密耦合：通过总线或高速开关互连，主存…
13. 弗林分类法
    （1）单指令流单数据流（SISD），传统单处理器计算机
    （2）单指令流多数据流（SIMD），阵列处理机和相联处理机
    （3）多指令流单数据流（MISD），很少见
    （4）多指令流多数据流（MIMD），多级系统
14. 数据表示与数据结构
    （1）数据表示：能由机器硬件识别和引用的数据类型（数据类型指一类值的集合和可作用于其上的操作集）
    （2）数据结构：结构数据类型的组织方式，反映了应用中要用到的各种数据元素或信息单元之间的结构关系
    （3）数据结构和数据表示是软硬件的交界面，数据结构是软，数据表示是硬
15. 高级数据表示
    （1）自定义数据表示：
    a). 标识符数据表示
    ①每个数据带了类型标志位，标识符主要用于指明数据类型，但也可以用域指明所用信息类型。标识符由编译程序建立，对高级语言程序透明。
    ②优点：简化了指令系统和程序设计；简化了编译程序；便于一致性校验；能由硬件自动变换数据类型；支持数据库系统的实现与数据类型无关的要求；为软件调试和应用软件开发提供了支持，便于程序的跟踪和调试
    ③缺点：增加程序所占的主存空间；降低指令的执行速度
    b). 数据描述符
    ①描述符和数据分开存放，用于描述所访问的数据是整块的还是单个的，访问该数据块或数据元素所要的地址以及其它信息
    ②优点：进一步减少标识符所占存储空间
    （2）向量，数组数据表示
    ①有向量数据表示的处理机是向量处理机
    ②优点：加快形成元素地址，便于实现把向量各元素成块预取到中央处理机，用一条向量，数组指令流水或同事对整个向量，数组进行高速处理
    （3）堆栈数据表示
    ①有堆栈数据表示的处理机是堆栈机器
    ②通常用于保存子程序调用时的返回地址
    ③堆栈机器特点：有丰富的堆栈操作指令且功能强大；有力地支持了高级语言程序的编译；有力的支持了子程序的嵌套和递归调用
16. 引入数据表示的原则
    （1）原则1：看系统的效率是否显著提高，包括实现时间和存储空间是否显著减少。实现时间是否减少又主要看主存和处理机之间传送的信息量是否减少
    （2）原则2：看引入这种数据表示后，其通用性和利用率是否提高
    （3）原则3：基本的数据表示，也有可挖掘的细节问题
    （4）原则4：基本的数据类型必须设
17. 浮点数尾数基值的选择与下溢处理方法
    （1）浮点数尾数基值的选择
    如果小数点的位置事先已有约定，不再改变，此类数称为“定点数”。
    如果小数点的位置可变，则称为“浮点数”。
    
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    rm ：尾数的基
    re ：阶码的基（re =2）
    m： 尾数长度 (注意其含义)
    p： 阶码长度
    【p表示数的范围大小；尾数的位数m主要影响表示值的精度】