计算机系统结构2011年串讲及汇总(第二部分).doc
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计算机系统结构是计算机科学的核心领域,它探讨了计算机硬件、软件和它们之间的交互。文档“计算机系统结构2011年串讲及汇总(第二部分).doc”涵盖了存储体系、CPU与主存交互以及处理机的工作原理等多个关键知识点。 首先,存储体系的设计目标是大容量、高速度和低成本。存储器的容量由存储体的字长W、存储体的字数l和并行工作的存储体数m决定,公式为SM = W·l·m。存储系统的带宽可以通过单体最大频宽Bm = W/TMm或体在座体并行的最大频宽Bm = W·m/TM来计算,其中TM表示连续启动一个存储体所需的时间间隔。然而,实际的主存频宽并不会随着模m的增加线性增大,因为增加模数会导致总线负载增加,延迟增加,且程序执行的非顺序性也会降低效率。 为了解决CPU与主存速度差异导致的性能问题,采用了多种策略,如增加通用寄存器、使用多体交叉并行存取技术以及引入Cache存储器。Cache存储器是解决速度差异的关键,它提高了数据访问速度,减少了CPU等待时间。其命中率H表示CPU逻辑地址在Cache中找到的概率,未命中率则是指未能在Cache中找到的概率。影响命中率的因素包括地址流、预判算法和Cache容量。 存储体系设计主要基于程序的局部性原则,即时间和空间上的局部性。时间局部性意味着程序经常重用最近使用的数据,空间局部性则表明相邻的数据经常一起被访问。这体现在段式管理和页式管理中。 段式管理将内存划分为逻辑段,每个段有自己的段表,包含段名、段地址、装入位、段长和访问方式。这种方法便于模块化编程、数据共享和存储保护,但可能导致地址变换时间长和空间利用率低。 相比之下,页式管理将内存和程序空间均分为固定大小的页,提高了空间利用率和地址映射速度,但可能增加页表长度和降低模块化性能。段页式管理结合了两者,通过段表和页表定位程序,提供了一种更灵活的方法。 地址映象是指虚拟地址如何映射到物理地址的过程,而页面替换算法,如随机算法、先进先出法、LRU法和最优替换算法,用于决定当内存满时哪些页面应该被替换出去。 在处理机方面,指令的解释方式包括顺序、重叠和流水。顺序解释简单但速度慢,重叠解释通过让指令执行部分重叠来提高效率,而流水线技术进一步将指令执行分解为取指令、分析和执行三个阶段,允许多条指令同时在不同阶段进行,显著提升了处理器速度。然而,重叠和流水线处理也可能遇到冲突,如访存冲突,这需要通过特殊机制如指令缓冲寄存器或多体交叉存储器来解决。 总结来说,这个文档深入介绍了计算机系统结构的关键概念,从存储体系到处理机设计,揭示了现代计算机高效运行背后的原理和技术。
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