计算机系统结构 存储、中断和总线

存储系统的三个要求及其计算方式

• 低价格
• 大容量
• 高速度

上面三个属于三角关系，最多满足其中两个，最后一个没法完全满足。
比如，大容量，高速度的情况下，价格是不可能太低的

容量计算，把单个存储器看出长方形计算面积,l代表字数，w代表字长，M代表容量
所以可以得到：
M=l*w
如果是多个存储体，比如有m个，则得到
M=l*w*m

TA（存取时间，访问时间）：CPU开始访问存储器直到数据可以被使用的时候的这段时间

Tm（存储周期）：一次完整的读写操作所需要的全部时间，这其中包括数据传输的时间，存储器复位的时间，其他操作的时间

最短间隔：两个连续的存储周期之间的时间为最小间隔。比如一个存储周期为12s，那么从第一个开始到第二个开始（中间包含第一个完成和中间别的一些操作的时间，一般情况不会有其他操作时间，只有第一个开始到结束的时间）的时间，这个时间是>=12s的

存储周期一般情况下都是大于存取周期的，就算Tm>=TA

Bm（频宽，也就是数据传输的速率）
单个最大Bm = w/Tm
而如果有多个存储器则
多个最大Bm= m*w/Tm

频宽分为最大频宽和实际频宽

上面这种多个存储器计算公司计算的是并行存储系统的最大频宽

速度是矢量，有大小和方向，速率是标量，只表示大小

并行主存系统的转移概率

并行主存系统分别有：多体多字，多体单字，单体多字这三种，而单体单字则不属于并行主存系统

• 例题
  

• 符号意义：

λ：转移概率
B：每个周期能访问到的平均字数
m：模的数量

• 公式
  

根据公式，把数据代入，得到结果如下
m = 16的时候
B = 3.96
m = 32的时候
B = 4

可以得出结论，当模增加到一定数量的时候，模对并行存储器的性能的提升会达到一个瓶颈，这时候再继续提升瓶颈，性价比会很低

什么是中断？--概念

中断请求、中断响应、中断处理、用户程序

中断的分类与分级

中断分级，处理优先级，从高优先级到低优先级：
1. 机器校验中断
2. 访管中断
3. 程序性中断
4. 外部中断
5. IO中断
6. 重启中断

在上面分级中，2和3严格来讲属于同一级别中断

1. 机器校验中断：必须马上处理，否则系统无法正常运行

2. 访管中断：程序分为用户程序和管理程序。用户程序是目态的，管理程序是管态的。
用户程序权限收到限制，如果需要实现更高权限的功能，则必须让用户程序调度管理程序进行实现。
而用户程序调度管理程序来完成特定功能的过程叫做访管。如果这个过程发生故障，则被称为访管中断。
简单总结：访问管理程序也叫调用管理程序，在访问管理程序过程中发生故障叫做访管中断

3. 程序性中断：用户程序本身发生故障，比如代码错误导致程序挂掉

4. 外部中断：对于当前本机器来说，与其他机器交互或者与人交互，然后交互失败，叫做外部中断。比如人们输入密码登录账号，输入错误的密码导致登录失败

5. IO中断：也属于外部中断。比如协程操作，当程序异步完成处理某件事后，需要给主程序通知，方便释放对应的资源
6. 重启中断：点击关机按钮的时候就会产生一个重启中断。常规情况下，重启中断的优先级是最低的。特殊情况：cpu卡死停止运行的情况下，重启中断优先级会非常高

中断级屏蔽位计算题

程序运行示意图

总线

按功能：电源线、数据线、地址线、控制线/状态线、备用线
按位置：芯片级、板级、系统级
按方向：单向传输、双向传输（半双向、全双向）
按用法： 专用、非专用

专用优点：单对单效率高，传输目标明确。缺点：实现复杂，线路杂多，成本高
非专用优点：实现成本低，线路单一，实现简单，挂在新设备简单，缺点：效率低，数据流通更慢，如果一处出现问题，可能其他设备也会被影响，控制起来更复杂

我们所讨论的计算机，主要是非专用方式实现

总线控制方式：集中式总线、分布式总线
我们讨论的主要是集中式总线

集中式总线确定设备优先级：串行链接、定时查询、独立请求
- 串行链接需要3根线
- 定时查询需要2+log₂N根线，其中N代表设备数量
- 独立查询需要2N+1根线，N代表设备

传输技术：同步、异步