计算机体系结构——CH1基本概念

CH1基本概念

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CH1基本概念

目的与内容

了解计算机系统的完整概念

学习计算机系统的分析方法与设计方法

编写程序所必需了解的计算机属性

计算机系统结构简介

为什么要研究系统结构

• 提高处理机器运算速度

  • MIPS = Fz * IPC
  • 注意单位

• 提高IPC（指令周期）

• 提高Fz（频率）

七层结构

• 不同角度的人员所观察到的层次不一样

  • 透明

• 结构

  • 应用程序
  • 高级语言
  • 汇编语言
  • 操作系统
  • 机器语言
  • 微程序
  • 硬联逻辑

计算机系统结构的定义

• 系统程序员所看到的计算机系统的属性

  • 概念性结构
  • 功能属性

计算机系统评价标准

运算速度

• 时钟频率

• 指令执行速度

  • MIPS = Fz * IPC

    • IPC：每个时钟周期平均执行的指令条数

  • MIPS = Fz / CPI

    • CPI:每条指令所需的平均时钟周期数

• 等效指令速度

  • 按实际情况，对不同的指令类型进行加权配比

    • 加减法50%
    • 乘除法20%
    • 程序控制15%
    • 其它15%

存储系统

• 层次结构

• 寻址空间

  • 程序员可以使用的存储器容量
  • 即实际可用的内存空间

• 存储容量

  • 可存储总量

• 存储器种类

• 存储速度

• 存储系统

  • 软硬件相结合

  • 三层存储系统

    • Cache
    • 主存
    • 磁盘

• 等等

计算机系统结构的发展

冯诺依曼结构

• 存储程序
• 以运算器为中心
• 集中控制

现代计算机结构

• 存储程序

• 以存储器为中心

  • 主存和总线连接各个设备

• 总线结构，分散控制

  • 总线

    • 任何时刻，只能有一个部件向总线上发送信息，可以有多个部件同时接收信息

    • 现代三总线结构

      • 数据总线
      • 地址总线
      • 控制总线

器件发展的影响

• 集成度迅速提高
• 提高速度空间不大
• 价格直线下降
• 可靠性越来越高

改进算法的影响

计算机系统的分类

按大小分类

• 巨型
• 大型
• 中型等等

按用途分类

• 实时控制
• 家用
• 科学计算等等

按数据类型分类

• 向量计算机
• 浮点计算机等等

按处理器个数和种类分类

• 单标量处理机
• 并行处理机
• 超标量处理机等等

佛林分类法

• SISD

  • 单指令流单数据流

    • 标量流水线处理机

• SIMD

  • 单指令流多数据流

• MISD

  • 多指令流单数据流

    • 实际上不存在

• MIMD

  • 多指令流多数据流

    • 多处理机系统

计算机系统的设计技术

软硬件取舍

• 从价格因素来考虑

• 改进性能角度

  • 加快经常性事件的执行速度

• Amdahl定律

  • 某一部件加快后，整个系统性能会因之提升

  • 加速比与两个因素有关

    • 可改进部分的比例

      • Fe = （可改进部分的执行时间）/（改进前整个任务的执行时间）

    • 改进部分的加速比

      • Se = （改进前改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间）

  • 改进后整个任务的执行时间为

    • Tn = T0* （1 - Fe + （Fe / Se）)

  • 改进后系统的加速比为

    • Sn = T0 / Tn

      • Sn = 1 / （1 - Fe + （Fe / Se））

• 改进指令处理性能的主要途径

  • 面向目标代码改进
  • 面向高级语言和编译程序改进
  • 面向操作系统改进

兼容性设计

• 兼容种类

  • 向后兼容

    • 目标软件能运行于更晚生产的机器上

  • 向上兼容

    • 在低档机器运行的目标软件能直接运行于高档计器上

• 系列机

  • 具有相同的系统结构，但组成和实现技术不同的一系列计算机
  • 一种系统结构可以有多种组成，一种组成也可以有多种物理实现
  • 兼容性好

• 模拟与仿真

  • 用一台现有的计算机实现另一台计算机的指令系统

  • 模拟

    • 虚拟机

  • 仿真

    • 直接使用微程序

计算机系统设计方法

• 自上向下

  • 面向专业领域，通用计算机很少采用

• 自下向上

  • 容易使软件与硬件脱节，效率降低

• 中间开始

  • 先定义软硬件的分界面，然后每个层次分别开始
  • 易用，且可以用于设计系列机

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