《计算机系统结构》总复习-习题.pptx

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1、计算机系统结构总复习-习题2016 Four short words sum up what has lifted most successful Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more. individuals above the crowd: a little bit more. -author -author -date-date精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除2第一章第一章 基本概念（基本概

2、念（P1P1） 本章介绍计算机系统结构的一些基本知识。包括定性知识和定量知识两大组内容。为了便于学习，本章各节重新编号，与教材编号不同。 定量知识：对计算机性能进行定量评价的几个重要公式。精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除3本章重点本章重点 本章从定性知识和定量知识两个方面介绍计算机系统结构的基本概念。有关重点如下：(1) Amdahl定律；(2) 平均周期数CPI公式，程序执行时间Te公式；(3) 每秒百万指令数MIPS公式，每秒百万浮点数MFLOPS公式。精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除41.定量知识3个性能公式1.1 Amda

3、hlAmdahl定律定律（加快经常性事件原理，P9）其中：Sn 全局加速比； To 原执行时间（old）； Tn 新执行时间（new）； Se 被改进部分的局部加速比； Fe 被改进部分原执行时间占原来总时间的百分比。精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除5Amdahl定律的推导精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除6Amdahl定律的图形 从图1.2可以看出，增大Se和Fe对Sn都有提升作用；但当Fe固定时，一味增大Se对Sn的作用会越来越不显著。精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除作作1.12 假定利用增加向量

4、模块来提高计算机的运假定利用增加向量模块来提高计算机的运算速度。计算机处理向量的速度比其通常的运算速度。计算机处理向量的速度比其通常的运算要快算要快20倍，将可用向量处理部分所花费的时倍，将可用向量处理部分所花费的时间占总时间的百分比称为可向量化百分比。间占总时间的百分比称为可向量化百分比。 （1）求出加速比）求出加速比S和向量化百分比之间的关系式和向量化百分比之间的关系式作作1.13 （2）当要得到加速比为当要得到加速比为2时的可向量化百时的可向量化百分比分比F为多少？为多少？作作1.14 （3）为了获得在向量模式所得到的最大加为了获得在向量模式所得到的最大加速比的一半，可向量化百分比速比的

5、一半，可向量化百分比F为多少？为多少？7精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除(2) 由（1）式有解（1）：由Amdahl定律知FFFS*192020)20/()1 (153.01910)20/()1(12FFF(1)8精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除(3) 由题意可知95.01918)20/()1(110FFF9精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除作作1.17 假设高速缓存假设高速缓存Cache工作速度为主存的工作速度为主存的5倍，倍，且且Cache被访问命中的概率为被访问命中的概率为90，则采用，则采用C

6、ache后后，能使整个存储系统获得多高的加速比？，能使整个存储系统获得多高的加速比？57.328.015/9.0)9.01(1oePTTS解：解：fe=0.9 ，re=510精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除1.2 CPI与程序执行时间Te（P11）CPI是衡量CPU执行指令效率的重要指标。让我们先考虑一个标准测速程序的全部执行时间Te和其中所有第i种指令的累计时间Ti，易知11精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除121.3 每秒百万指令数MIPS与每秒百万浮点数MFLOPS（P11）例题：P10，例1.1例1.5。 P33，题12 ，

7、题13 ，题14 。精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除 例例1.191.19 用一台用一台4OMHz4OMHz处理机执行标准测试程序，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它含的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下：下： 指令类型指令类型 指令条数 时钟周期数时钟周期数 整数运算整数运算 4500045000 1 数据传送数据传送 32000 232000 2 浮点运算浮点运算 15000 215000 2 控制传送控制传送 8000 28000 2 求有效求有效CPICPI、MIPSMIPS速率和程序的执行时间。速率和程序的执行时间。1

8、3精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除 解：依题意可知 IN=105条，n=455.1)08.0215.0232.0245.01 ()(411iniNiiIICPICPI8 .251055. 1104010666CPIfMIPSC)(875. 31040/155. 11065msTCPIITCNCPU14精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除作作1.201.20 某工作站采用时钟频率为某工作站采用时钟频率为15MHz15MHz、处理速率为、处理速率为10MIPS10MIPS的处理机来执行一个巳知混合程序。假定每次的处理机来执行一个巳知混合程

9、序。假定每次存储器存取为存储器存取为1 1周期延迟、试问：周期延迟、试问： (1)(1) 此计算机的有效此计算机的有效CPICPI是多少是多少? ? (2) (2) 假定将处理机的时钟提高到假定将处理机的时钟提高到30MHz30MHz，但存储器子，但存储器子 系统速率不变。这样，每次存储器存取需要两个时钟系统速率不变。这样，每次存储器存取需要两个时钟 周期。如果周期。如果3030指令每条只需要一次存储存取，而另指令每条只需要一次存储存取，而另 外外5 5每条需要两次存储存取，还假定已知混合程序每条需要两次存储存取，还假定已知混合程序 的指令数不变，并与原工作站兼容，试求改进后的处的指令数不变，

10、并与原工作站兼容，试求改进后的处 理机性能。理机性能。 解解 (1)5 . 11010101510666MIPSfCPIoldold15精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除(2) 依题意可知：依题意可知：30%的指令需要一次存储存取，则的指令需要一次存储存取，则这些指令在处理器提高时钟频率之后需要增加这些指令在处理器提高时钟频率之后需要增加1个时个时钟周期；另外钟周期；另外5%的指令需要增加的指令需要增加2个时钟周期。个时钟周期。 改进后性能提高情况可用改进后性能提高情况可用CPU时间之比表示：时间之比表示： 9 . 12%51%30oldnewCPICPI79.1

11、5109 . 1103010666newnewnewCPIfMIPS58. 1/)()(newNnewoldNoldnewCPUoldCPUfICPIfICPITT16精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除作作1.21 1.21 假设在一台假设在一台40MHz40MHz处理机上运行处理机上运行200 000200 000条条指令的目标代码，程序主要由四种指令组成。根据指令的目标代码，程序主要由四种指令组成。根据程序跟踪实验结果，已知指令混合比和每种指令所程序跟踪实验结果，已知指令混合比和每种指令所需的指令数如下：需的指令数如下： 指令类型指令类型CPI指令混合百分比算

12、术和逻辑运算算术和逻辑运算160%CacheCache命中的加载命中的加载/ /存储存储 218%转移转移 412%CacheCache失效时访问主存失效时访问主存810%(1)(1)计算在单处理机上用上述踪数据运行程序的平均计算在单处理机上用上述踪数据运行程序的平均CPICPI(2)(2)根据根据(1)(1)所得所得CPICPI，计算相应的，计算相应的MIPS MIPS 速率和程序的执行时间速率和程序的执行时间17精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除 解：依题意可知 IN=2105条，n=4，24.2) 1 .0812.0418.026 .01 ()(411ini

13、NiiIICPICPI86.17102 . 2104010666CPIfMIPSC)(2 .111024.210264015msTCPIITCNCPU18精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除19第二章第二章 指令系统（指令系统（P36P36） 本章介绍指令系统设计中2个最基本的内容：数据表示、操作码优化。本章重点本章重点 (1) Huffman编码方法；(2) 等长扩展编码方法（15/15/15法，8/64/512法）；(3) 编码方法性能指标（平均码长L，信息冗余量R）。精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除202.1 Huffman压缩

14、编码（P91）(1)Huffman压缩概念（最佳编码定理）：当用n个长度不等的代码分别代表n种发生概率不等的事件时，按照短代码给高概率事件、把长代码给低概率事件的原则分配，可使平均码长达到最低。(2) Huffman编码方法 这种编码方法由两个过程组成。频度合并：将全部n个事件（在此即为n条指令）的频度值排序，选取其中最小的2个频度合并，然后将剩下的n-1个频度再次排序，再合并最小的2个频度，如此重复，直至剩下1个频度为止。记录所有的合并关系，形成一棵二叉树 Huffman树，所有原始频度值充当树叶，而最后剩下的总频度1为树根；码元分配：从树根开始，对每个中间结点的左右2个分支边各赋予一位代码

15、“0”和“1”（“0”在哪一侧不限）。读出从根结点到任一片树叶的路径上依次出现的代码位就排成了这个事件（即指令）的完整编码。由于频度高的事件较晚被合并，它的编码位数也就较少，符合Huffman压缩原则。 上面所说的频度值就是各事件实际出现次数的百分比，它是理论出现概率的近似值。精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除21 平均码长平均码长：各事件编码长度的数学期望。 信息冗余量信息冗余量：它表明消息编码中“无用成分”所占的百分比。精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除222.2 扩展编码方法（扩展编码方法（等长扩展法，P94-95）用码长表示：

16、例如4-8-12法。这并不能说明具体编码方法，例如下面两种编码方法都是4-8-12法。用码点数表示：例如15/15/15法，8/64/512法15/15/15法，每一种码长都有4位可编码位（前头可以有相同的扩展标识前缀），可产生16个码点（即编码组合），但是至多只能使用其中15个来表示事件，留下1个或多个码点组合作为更长代码的扩展标识前缀。已经用来表示事件的码点组合不能再作为其它更长代码的前导部分，否则接收者会混淆。这就是“非前缀原则”。8/64/512法，每一种码长按4位分段，每一段中至少要留下1位或多位作为扩展标识。各段剩下的可编码位一起编码，所产生的码点用来对应被编码事件。每一段中的标识

17、位指出后面还有没有后续段。精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除10000001110.090.300.601.000.1510.0610.030.030.040.050.150.300.4023精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除由此可得到哈夫曼编码如下：由此可得到哈夫曼编码如下： I1: 0 I2: 10 I3: 110 I4: 11100 I1: 0 I2: 10 I3: 110 I4: 11100 I5: 11101 I6: 11110 I7: 11111 I5: 11101 I6: 11110 I7: 11111 平均码长平均码长

18、L L=0.4=0.4* *1+0.31+0.3* *2+0.152+0.15* *3+0.053+0.05* *5+0.045+0.04* *5 5 +0.03 +0.03* *5+0.035+0.03* *5 = 2.205 = 2.20位位 信息冗余量信息冗余量R=(2.20-2.17)/2.20=1.36%R=(2.20-2.17)/2.20=1.36% 指令长度个数指令长度个数=4=424精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除2.2.扩展哈夫曼编码扩展哈夫曼编码 I1, I2, I3 I1, I2, I3 用两位用两位: 00, 01, 10: 00, 01

19、, 10 I4, I5, I6, I7 I4, I5, I6, I7 用四位用四位: 1100, 1101, 1110, : 1100, 1101, 1110, 11111111L L=(0.4+0.3+0.15)=(0.4+0.3+0.15)* *2+(0.05+0.04+0.03+0.03)2+(0.05+0.04+0.03+0.03)* *4 4 = 2.30 = 2.30位位信息冗余量信息冗余量=(2.30-2.20)/2.30=0.0565=5.65%=(2.30-2.20)/2.30=0.0565=5.65%25精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除41

20、1 1 151 1 1 1 10.03I741 1 1 051 1 1 1 00.03I641 1 0 151 1 1 0 10.04I541 1 0 051 1 1 0 00.05I421 031 1 00.15I320 1 2 1 00.30I220 0100.40I1OP长度长度lihuffman扩展编扩展编码码OP长长度度li操作码操作码OP使用哈夫曼使用哈夫曼编码编码 频频 度度（Pi） 指指 令令操作码的扩展（等长扩展）操作码的扩展（等长扩展）平均码长： 2. 2 2.326精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除作 2.13 采用最优Huffman编码法（

21、信息熵）的操作码最短平均长度为： 27精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除28精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除例例2.22.2 指令系统共有指令系统共有4242种指令，前种指令，前1515种使用频率平均种使用频率平均为为0.050.05，中间，中间1313种使用频率平均为种使用频率平均为0.0150.015，最后，最后1414种种使用频率平均为使用频率平均为0.0040.004。如何编码？。如何编码？00000000 ： 1515种种111011101111 00001111 0000 ： ： 1515种种1111 11101111

22、11101111 1111 00001111 1111 0000 ： ： ： 1515种种1111 1111 11101111 1111 1110解：解：因频率分布有三种，故因频率分布有三种，故码长可有三种；码长可有三种； 因每段指令数基本相同，因每段指令数基本相同，故可采用故可采用等长扩展等长扩展(4-8-12(4-8-12位位) )， 保留特征码的每段指令保留特征码的每段指令数相同数相同(15-15-15)(15-15-15)方法。结方法。结果如图所示；果如图所示； 结果：采用结果：采用15-15-1515-15-15扩展方法，最后一种编码用于扩展方法，最后一种编码用于扩展，每段扩展，每段

23、0000000011101110用于编码，用于编码，11111111用于扩展。用于扩展。29精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除例例2.32.3 某模型机有某模型机有9 9条指令，其使用频率为：条指令，其使用频率为：ADDADD（加）（加）30%30%SUBSUB（减）（减）24%24%JOMJOM（按负转移）（按负转移）6%6% STOSTO（存）（存）7%7%JMPJMP（转移）（转移）7%7% SHRSHR（右移）（右移）2%2%CILCIL（循环左移）（循环左移）3%3% CLACLA（清加）（清加）20%20%STPSTP（停机）（停机）1%1% 要求有两

24、种指令字长，都按双操作数指令格式编要求有两种指令字长，都按双操作数指令格式编, ,采用扩展操作码，并限制只能有两种操作码码长。设采用扩展操作码，并限制只能有两种操作码码长。设该机有若干个通用寄存器，主存为该机有若干个通用寄存器，主存为1616位宽，按字节编位宽，按字节编址，采用整数边界存贮，任何指令都在一个主存周期址，采用整数边界存贮，任何指令都在一个主存周期中取得，短指令为寄存器寄存器型，长指令为寄存中取得，短指令为寄存器寄存器型，长指令为寄存器主存型，主存地址应能变址寻址。器主存型，主存地址应能变址寻址。30精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除 解：解：(1)

25、Huffman树的形式如图所示。树的形式如图所示。0.010.020.03010.030.06010.060.12010.070.070.14010.260100.300.200.240.44010.561001131精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除 由上图可得到的由上图可得到的Huffman编码为：编码为： ADD(ADD(加加) 30% 01) 30% 01 SUB( SUB(减减) 24% 11) 24% 11 CLA( CLA(清加清加) 20% 10) 20% 10 JOM( JOM(按负转移按负转移) 6% 0001) 6% 0001 STO( ST

26、O(存存) 7% 0011 ) 7% 0011 JMP( JMP(转移转移) 7% 0010) 7% 0010 CIL( CIL(循环左移循环左移) 3% 00001 ) 3% 00001 SHR( SHR(右移右移) 2% 000001 ) 2% 000001 STP( STP(停机停机) 1% 000000) 1% 000000因此，操作码的平均码长为：因此，操作码的平均码长为：位61.291iiilpl32精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除 (2) 采用采用2-5扩展的操作码编码为：扩展的操作码编码为： ADD(ADD(加加) 30% 00) 30% 00

27、SUB( SUB(减减) 24% 01) 24% 01 CLA( CLA(清加清加) 20% 10) 20% 10 JOM( JOM(按负转移按负转移) 6% 11000) 6% 11000 STO( STO(存存) 7% 11001 ) 7% 11001 JMP( JMP(转移转移) 7% 11010) 7% 11010 SHR( SHR(右移右移) 2% 11011 ) 2% 11011 CIL( CIL(循环左移循环左移) 3% 11100) 3% 11100 STP( STP(停机停机) 1% 11101) 1% 11101因此，操作码的平均码长为：因此，操作码的平均码长为：位78.

28、2526. 02)20. 024. 030. 0(91iiilp33精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除(3) 该机允许使用的可编址的通用寄存器个数为该机允许使用的可编址的通用寄存器个数为23=8个个(4) 短指令为寄存器短指令为寄存器-寄存器型，格式如下：寄存器型，格式如下：OP(2位位)R1(3位位)R2(3位位)OP(5位位)R1(3位位)X(2位位)相对位移相对位移d(6位位)(5) 访主存操作数地址寻址的最大相对位移量为访主存操作数地址寻址的最大相对位移量为64个字节个字节(-32+31个字节个字节)长指令为寄存器长指令为寄存器-主存型，格式如下：主存型，

29、格式如下：34精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除 作2.14 一台模型机共有7条指令，各指令的使用频度分别是35、25、20、10、5、3、2，有8个通用数据寄存器，2个变址寄存器。 (1) 要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平均长度。 (2) 设计8位字长的寄存器寄存器型指令3条，16位字长的寄存器存储器型变址寻址方式指令4条，变址范围不小于正、负127。请设计指令格式，并给出各字段的长度和操作码的编码。 。 35精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除答: (1) 要使得到的操作码长度最短，应采用Huff

30、man编码，Huffman树构造如下36精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除由此可以得到7条指令的编码分别如下：37这样，Huffman编码法得到的操作码的平均长度为：l = 2(0.35+0.25+0.20) + 30.10 + 4 0.05 + 5(0.03 + 0.02)= 1.6+0.3+0.2+0.25 = 2.35指令号 出现的频率编码135% 00225% 01320% 10410% 11055% 111063% 1111072% 11111精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除38精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有

31、侵权请联系管理员删除作2.14 (改） 一台模拟机共有7条指令，各指令的使用频度分别为35%，25%，20%，10%，5%，3%，2%。该模拟机有8位和16位两种指令长，采用2-4扩展操作码，8位字长指令为寄存器-寄存器（R-R）二地址类型，16位字长指令为寄存器-存贮器（R-M）二地址变址寻址（-128变址范围127 ）类型。 (1)计算操作码的平均码长 (2)该机允许使用多少个可编址的通用寄存器，多少个变址寄存器？ 设计该机的两种指令格式，标出各字段位数并给出操作码编码。 39精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除 扩展码有2种方案（下图）00 00013条 01

32、 2条10 10001100 10011101 4条 10105条1110 10111111 1100(3-7型 ） （2-8 型）简版40精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除 2-4扩展码有2种方案（上图） 前一种方案里短指令占的比例较大，应该选用它。 平均码长/L = (0.35 + 0.25 + 0.20)2 + (0.1 + 0.05 + 0.03 + 0.02) 4 = 2.4 用R代表寄存器编号，A代表变址偏移量。 题目未指明R-R型R-M型谁是短码，所以先列出2种方案：41精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除428 位: 操

33、作码 2, 寄存器（8- 2)/2= 3 （右边为 操作码4 位）16位：操作码 2, 寄存器 3，变址寻址（-128变址范围127 ）：27=128 ， 符号1位，共 8位，变址器： 16-4-3-8=1精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除43 2.2.2 操作数优化寻址方式比较（P95） 指令中操作数占用的位数由操作数的个数与寻址方式决定。 按操作数的个数划分，有零操作数指令、一操作数指令、二操作数指令、三操作数指令共四种形式。应该按机器用途来选择（P99，表2.20）。 缩短操作数长度的常用方法是间址和变址（P99页末）。精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流

34、,如有侵权请联系管理员删除作作2.152.15 某处理机的指令字长为某处理机的指令字长为1616位，有双地址位，有双地址指令、单地址指令和零地址指令三类，并假设每指令、单地址指令和零地址指令三类，并假设每个地址字段的长度个地址字段的长度为为6 6位。位。（1 1）如果双地址指令有）如果双地址指令有1515条，单地址和零地址条，单地址和零地址指令的条数基本相同，问单地址指令和零地址指指令的条数基本相同，问单地址指令和零地址指令各有多少条？并且为这三类指令分配操作码。令各有多少条？并且为这三类指令分配操作码。（2 2）如果三类指令的比例为）如果三类指令的比例为1 1：9 9：9 9，问双地址，问双

35、地址指令、单地址指令和零地址指令各有多少条？并指令、单地址指令和零地址指令各有多少条？并且为这三类指令分配操作码。且为这三类指令分配操作码。44精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除45精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除解解：（1 1）双地址指令）双地址指令1515条，条， 地址码：地址码： 0000000011101110 单地址指令单地址指令2 26 61 16363条，地址码：条，地址码：1111 0000001111 000000 1111 111110 1111 111110零地址指令零地址指令6464条，地址码：条，地址码：

36、1111 111111 0000001111 111111 000000 1111 111111 111111 1111 111111 11111146精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除47精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除48第三章第三章 存储系统（存储系统（P130P130） 长期存在的问题：在合理的总价格限制下，单纯性主存设备的速度跟不上CPU的发展，容量不能满足软件尺寸扩大。 本章学习两种提高主存系统性能/价格比的结构化方法：并行存储器与存储层次技术。后者为主。精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除

37、例例3.1 假设高速缓存假设高速缓存Cache工作速度为主存工作速度为主存的的5倍，且倍，且Cache被访问命中的概率为被访问命中的概率为90，则采用则采用Cache后，能使整个存储系统获得多后，能使整个存储系统获得多高的加速比？高的加速比？ 解：解：57. 351 . 09 . 05)1 (52112AAAAApTHHTTTTS49精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除l例例3.2 假设高速缓存假设高速缓存Cache的访问周期为的访问周期为50ns，主存的访问周期为，主存的访问周期为400ns ，且，且Cache被访问命中的概率为被访问命中的概率为95，则采用，则采

38、用Cache后后，能使整个存储系统等效的访问周期为多，能使整个存储系统等效的访问周期为多少？获得多高的加速比？少？获得多高的加速比？ 解：解：9 .55 .674002AApTTSnsTHHTTAAA5 .6740005. 05095. 0)1 (2150精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除51第四章第四章 输入输出系统（输入输出系统（P208） 输入输出系统输入输出系统是计算机系统中实现各种输入输出任务的资源总称。它包括各种输入输出设备、相关的管理软件等等。由于输入输出设备的特殊工作性质使其数据吞吐率通常远低于主机，设计输入输出系统就是要建立数据交换的最佳方案，使

39、双方都能高效率地工作。 本章重点是中断优先级管理、通道流量设计。精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除524.1 基本输入输出方式(P212)4.1.1 程序控制I/O方式4.1.2 中断I/O方式4.1.3 DMA方式4.1.4 通道方式4.1.5 I/O处理机方式精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除534.2 中断优先级管理(P219) 中断是为实时任务优先获得处理机资源而采用的一种调度技术，当系统中存在多个中断源时必须根据实时性强弱设定优先顺序，这也被称为中断的分级。为了兼顾中断响应的时效与配置的灵活，通常采用两套机制结合组成中断优先

40、序管理体系。 (1)硬件响应优先序：未被屏蔽的几个中断源同时提出申请时，CPU选择服务对象的顺序。它由硬件电路实现，用户不能修改。如P226图4.11所示。 (2)软件服务优先序：在各中断服务程序开头，用软件设置自己的中断屏蔽字（在主程序中也设置）。以此改变实际服务顺序(P230)。 例如某个硬件响应优先级高的中断源，其中断服务程序执行中屏蔽了自身，而开放了某个硬件响应优先级比它低的中断源，后者就可以在前者刚开放中断时就打断它，从而在实际上先得到服务。 中断服务过程示意图如P231图4.14所示。 由于常规用户主程序对处理机的需求紧迫性最低，所以它的中断屏蔽字是“全部开放”。 (3)实例分析：

41、屏蔽字表、中断服务过程图。 例4.1（P230倒数第8行开始）精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除作业4.5 已知中断服务请求次序为 1-2-3-4，现改为3-2-4-1，（1）设计中断屏蔽码（2）处理机运行主程序时，同时D1和D2q请求中断，而在运行中断源D2时，D3和D4又同时请求，请画出程序运行过程示意图解：(1)中断屏蔽字表如下图；(令1对应屏蔽，0对应开放)54精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除(2)中断过程示意图如下图。55精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除例例 4.1 4.1 设中断级屏蔽位为

42、设中断级屏蔽位为“0”0”对应于开放，对应于开放，1 1对应于屏蔽，各级中断处理程对应于屏蔽，各级中断处理程序的中断级屏蔽位设置如下：序的中断级屏蔽位设置如下： (1) (1) 当中断响应的优先次序为当中断响应的优先次序为1 1、2 2、3 3、4 4，其中断处理次序是什么？，其中断处理次序是什么？ (2) (2) 所有的中断处理各需要所有的中断处理各需要3 3个单位时间，当正在运行用户程序时，同时出个单位时间，当正在运行用户程序时，同时出现第现第2 2、3 3级中断请求，过级中断请求，过2 2个单位时间，又同时出现第个单位时间，又同时出现第1 1、4 4级中断请求，请画级中断请求，请画出程序

43、运行过程示意图。出程序运行过程示意图。中断处理中断处理程序级别程序级别中断级屏蔽位中断级屏蔽位第第1 1级级第第2 2级级第第3 3级级第第4 4级级1 1级级2 2级级3 3级级4 4级级1 11 11 11 11 10 00 01 11 11 10 00 00 01 11 10 0精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除【解答解答】 (1)(1)当中断响应的优先次序为当中断响应的优先次序为1 1、2 2、3 3、4 4，其中断处理次序是，其中断处理次序是1 1、3 3、4 4、2 2。 (2)(2)运行过程示意图如下：运行过程示意图如下：用户程序用户程序中中 断断

44、处处 理理 程程 序序中断中断请求请求t41123432精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除584.3 通道处理机(P233)(1)定义： 通道处理机（简称通道）是隶属于主处理机的输入输出专用协处理机。(2)特点： 有一套输入输出功能很强的专用指令系统； 与主处理机共享主存，存放相应的程序和数据； 一个通道可以连接多台外部设备； 主处理机可用启动I/O指令来启动一个通道； 当通道访存与主处理机冲突时，存控部件赋予通道较高的优先权； 通道程序执行完毕自动转入休眠状态，同时向主处理机发出一个特定的中断申请，通知该事件。(3)地位： 从属于主处理机。精品ppt文档收集于网

45、络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除59 字节多路通道：以字节为单位交叉为多台设备传输。子通道的概念。 选择通道：完成一台设备的全部传输再去为另一台设备服务。 数组多路通道：以数组为单位交叉为多台设备传输。(5)通道传输过程的时间分配 (P241，其中P是设备台数)： 字节多路通道： ，其中n是单台设备的数据传输量； 选择通道： 数组多路通道： ，其中k是块尺寸， 。(4)分类(P238)：精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除60(6)通道流量分析(P243)： 通道最大能力流量：精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除61 通道实际最

46、大负荷流量： 通道正常工作条件：精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除62 实例分析：通道时间关系图P243 例 4.1 倒数第2行开始精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除(1)(1)在上表中填出设备相应二次请求传送字节的间隔在上表中填出设备相应二次请求传送字节的间隔时间。时间。(2)(2)当所有设备同时要传送数据时，求其对通道要求当所有设备同时要传送数据时，求其对通道要求的总流量的总流量f fbytebyte设备号设备号1 12 23 34 45 56 6传送速率传送速率(B/ms)(B/ms)5050505040402525252510

47、10二次请求的二次请求的间隔时间间隔时间(S)(S)例例4.1 4.1 某字节交叉多路通道连接某字节交叉多路通道连接6 6台设备，其数据台设备，其数据传送速率如下表所示。传送速率如下表所示。63精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除(3)(3)让通道以极限流量让通道以极限流量f fmax.bytemax.byte=f=fbytebyte的工作周期工的工作周期工作，通道的工作周期作，通道的工作周期( (即即TS+TDTS+TD的时间间隔的时间间隔) )是是多少？多少？(4)(4)让通道中所挂设备速率越高的数据传送请求被让通道中所挂设备速率越高的数据传送请求被响应的优先级

48、越高。画出响应的优先级越高。画出6 6台设备同时发送请台设备同时发送请求到下次同时发送请求期间里，通道响应和求到下次同时发送请求期间里，通道响应和处理完各设备请求时刻的示意图。哪个设备处理完各设备请求时刻的示意图。哪个设备丢失了信息？提出一种不丢失信息的解决办丢失了信息？提出一种不丢失信息的解决办法法。64精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除设备号设备号1 12 23 34 45 56 6传送速率传送速率(B/ms)(B/ms)505050504040252525251010二次请求的间隔二次请求的间隔时间时间(S)(S) 20 202020252540404040

49、101000解解：(1)(1)(2) (2) 总容量总容量(3)(3) 传送周期传送周期 T TS S+T+TD D=1ms/200B=5S=1ms/200B=5SmsBffiibyte/200611234566号设备丢失了一次数据号设备丢失了一次数据20us65精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除 方法方法1：增加通道的最大流量增加通道的最大流量，保证连接在通道，保证连接在通道上的所有设备的数据传送请求能够及时得到通道上的所有设备的数据传送请求能够及时得到通道的响应的响应 方法方法2：动态改变设备的优先级动态改变设备的优先级 方法方法3：增加一定数量的数据缓冲器增

50、加一定数量的数据缓冲器，特别是对，特别是对优先级比较低的设备优先级比较低的设备66精品ppt文档收集于网络，仅供学习交流,如有侵权请联系管理员删除例例4.2 印字机各占一个子通道，印字机各占一个子通道，0号打印机、号打印机、1号打印号打印机和机和0号光电输入机合用一个子通道。假定数据传送号光电输入机合用一个子通道。假定数据传送期内高速印字机每隔期内高速印字机每隔25us发一个请求，低速打印机每发一个请求，低速打印机每隔隔150us发一个字节请求，光电输入机每隔发一个字节请求，光电输入机每隔800us发一发一个字节请求，则这个字节请求，则这5台设备要求通道的实际流量为多台设备要求通道的实际流量为