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体系结构要点知识系列一:计算机系统结构基础

来源: seawaywjd 分享至:

1、  器件是计算机更新换代的物质基础;固件是一种具有软件功能的硬件;软件和硬件在逻辑功能上是等效的。

2、  系统结构是对计算机系统中各级界面的划分,定义及其上下的功能分配,他研究的是软硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定,提供机器语言、汇编语言程序设计者或编译程序生成系统为使其设计或生成的程序能在机器上正确运行应看到和遵循的计算机属性。计算机系统的多级层次结构如下图示:

(1)      翻译是先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地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)      解释是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。

3、  计算机组成是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。计算机组成设计主要是围绕提高速度,着重从提高操作的并行度、重叠度以及功能的分散和设置专用功能部件来进行的。计算机组成设计要确定的方面包括:

(1)    数据通路宽度:数据总线上一次并行传送的信息位数。

(2)    专用部件的设置:乘除法、浮点运算、字符处理、地址运算等

(3)    各种操作对部件的共享程度:分时共享

(4)    功能部件的并行度:顺序串行、重叠、流水、分布式控制

(5)    控制机构的组成方式:硬联or 微程序控制;单机处理or 多机分布处理

(6)    缓冲和排队技术

(7)    预估、预判技术:即优化处理

4、  计算机实现是计算机组成的物理实现,包括处理机、主存等部件的物理结构,器件的集成度和速度、器件、模块、插件、底板的划分与连接,专用器件的设计、微组装、信号传输、电源冷却及整机装配技术等。

5、  透明指客观存在的事务或属性从某个角度看不到。Cache对程序员是透明的;编译程序对用户是透明的;机器级内部的数据流、控制流的组成,逻辑设计和器件设计对系统结构设计是透明的;数据总线宽度对程序员是透明的。

6、  计算机系统的性能指标体现在时间和空间两个方面。计算机的性能的表示可有算术平均值、调和平均值、几何平均值三种。

7、  计算机系统的定量设计原理——Amdahl定律(阿姆达尔):系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后,整个系统性能的提高与这种执行方式使用的频率或占总执行时间的比例有关。Amdahl定律表明了性能提高量的递减规律,如果只对系统中的一部分进行性能改进,改进的越多,整体系统性能提高的增量却越小。

8、  系统加速比Sp定义为系统改进后的性能与未改进的时的性能的比值。或定义为系统未改进时的程序执行时间与改进后程序执行时间的比值。

9、  目前的计算机系统设计思路是由中间开始设计,“中间”是指层次结构中的软硬交界面,多数是在传统机器级与操作系统机器级之间。

10、  实现软件移植的基本技术:统一高级语言;采用系列机(具有相同的系统结构);模拟和仿真(二者主要区别在于解释用的语言)。

用机器语言程序(存在主存中)解释实现软件移植的方法称为模拟;

用微程序(其解释程序存在控制存储器中)直接解释另一种机器指令系统的方法为仿真。当两种机器结构差别大时,很难仿真。

11、  系列内各档机器之间软件兼容从速度和性能上有向上兼容和向下兼容的不同,系列机软件必须“保证向后兼容,力争向上兼容”。

12、  系统结构中的并行性发展。

并行性解题中具有可以同时进行运算或操作的特性。开发并行性的途径有时间重叠、资源重复、资源共享等。

(1)      从计算机系统执行程序的角度看,并行性等级由低到高分为四级: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并行性来看,可分为:

a、  位串字串:同时只对一个字的一位进行处理,即串行单处理机,没有并行性;

b、  位并字串:同时对一个字的全部位进行处理,即并行单处理机,开始出现并行性;

c、  位片串字并:同时对许多字的同一位(成为片)进行处理;

d、  全并行:同时对许多字的全部或部分位组进行处理。

(3)     从计算机信息加工的各个步骤阶段来看:

a、  存储器操作并行:相联处理机;

b、  处理器操作步骤并行:流水线处理机;

c、  处理器操作并行:阵列处理机;

d、  指令任务作业并行:多处理机。

13、  计算机系统分类

(1)    Flynn弗林分类法:按指令流和数据流的多倍性进行分类。

a、SISD单指令流单数据流:指令部件每次只对一条指令译码,只对一个操作部件分配数据;b、SIMD单指令流多数据流:一条指令,多个操作过程,如阵列机和相联机;c、MISD多指令流单数据流:它有n个处理单元,按n条不同指令的要求对同一数据流及其中间结果进行不同处理,一个处理单元的输出作为另一个处理单元的输入;d、MIMD多指令流多数据流:能实现作业、任务、指令、数组各级全面并行的多机系统。

(2)    库克分类法:用指令流(I)和执行流(S)及其多倍性进行分类。

SISE—单处理机系统;SIME—带多操作部件的处理机;MISE—带指令级多道程序的单处理机;MIME—多处理机系统。

(3)    冯氏分类法:用数据处理的最大并行度来分。

 


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