计算机体系结构
计算机体系结构的分类
- 从宏观上按处理机的数量分类
- 单处理系统：利用一个处理单元与其他外部设备结合起来，实现存储，计算，通信，输入和输出等功能的系统
- 并行处理与多处理系统：为了充分发挥问题求解过程中处理的并行性，将两个以上的处理机互联起来，彼此进行通信协调，便于共同求解一个大问题的计算机系统
- 分布式处理系统：物理上远距离且耦合的多计算机系统，物理上的远距离意味着通信时间与处理时间相比已不可忽略，在通信线路上的数据传输速率要比在处理机总线上传满的多
- 从微观上按并行程度分类
- Flynn分类法：1996年，由Flynn提出按指令流的多少进行分类，将计算机系统结构分为单指令流单数据流(SISD)，单指令流多数据流(SIMD),多指令流单数据流(MISD)和多指令流多数据流(MIMD)四类
- 马泽云分类法：1972年由美籍华人马泽云提出按并行度对各种计算机系统进行结构分类，将计算机分为字串行位串行(WSBS)计算机，字并行位串行(WPBS)计算机，字串行位并行(WSBP)计算机，字并行位串行(WPBP)计算机四类
- Handler分类法：1977年由德国汉徳勒(Wolfgang Handler)提出基于硬件并行程度和计算并行程度的方法，把计算机的硬件分为三个层次，处理机级，每个处理机中的算术逻辑单元级，每个算术逻辑单元中的逻辑门电路级
- Kuck分类法：1978年美国的库克(David J.Kuck)提出与Flynn分类法类似的方法，用指令流和执行流及多重性来描述计算机系统控制结构的特征，主要分为单指令流单执行流(SISE)，单指令流多执行流(SIME)，多指令流单执行流(MISE)，多指令流多执行流(MIME)四类
指令系统
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指令的格式
指令格式：操作码OP + 地址码A
操作码指定要完成的操作或功能，地址码指定参与操作的操作数的地址 -
指令的寻址方式
- 顺序寻址：下一条指令的地址由程序计数器PC给出，PC每次自增+1
- 跳跃寻址：下一条指令的地址由指令本身给出
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操作数的寻址方式
- 立即寻址：指令的地址码字段不是操作数的的地址，而是操作数本身，速度最快
- 直接寻址：指令的地址码字段给出操作数在内存的地址(操作数在内存中)
- 间接寻址：指令的地址码字段给出操作数在内存的地址的地址(操作数在内存中),需要访问2次内存
- 寄存器寻址：指令的地址码字段给出的操作数在寄存器的编号(操作数在寄存器中)
- 寄存器间接寻址：指令的地址码字段给出寄存器的编号，寄存器中所存的内容为操作数在内存的地址(操作数在内存中)
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指令集分类
- CISC指令集：复杂指令集，各种指令按顺序串行执行
- RISC指令集：精简指令集，减少指令总数，采用优化便衣，硬布线，重叠寄存器窗口等技术
№ 特性 CISC RISC 0 指令数目 多 少 1 指令长度 可变长指令 大部分等长指令 2 控制器复杂性 复杂 简单 3 寻址方式 较丰富，提高编程灵活性 较少，以提高效率 4 编程遍历性 指令多，灵活 编程量大，采用较多通用寄存器 5 实现方式 微程序控制技术 采用硬布线逻辑控制优化编译程序，采用流水线技术
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指令的流水处理
- 非流水执行时间：一条指令执行的时间 * 指令总数
- 流水执行时间：一条指令执行的时间 + 指令中最长流水的时间 * (n-1), n为指令总数
- 加速比：非流水方式与流水方式所用时间之比
- 流水线的操作周期：为最长流水段时间
- 流水线的吞吐率：为最长流水段时间的倒数
- 连续 n 条指令的吞吐率：指令总数/总时间
存储系统
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高速缓存 Cache
高速缓存 Cache 位于 CPU 和主存之间，用于存储当前活跃的程序和数据- Cache 的功能：解决 CPU 和主存之间速度不匹配的问题
- Cache 的理论依据：程序的局部性原理
CPU 对主存中指令和数据的访问，在一小段时间内，总是集中在一小块存储空间里
- 时间局部性：最近被访问过的指令和数据很可能被再次访问
- 空间局部性：最近访问过的指令和数据往往集中在一小片存储区域中
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主存与 Cache 的地址映射
在 CPU 工作时，送出去的是主存单元的地址，而应从 Cache 中读写信息，这就需要将主存地址转换成 Cache 地址，这种地址的转换称为地址映射- 全相联映像，映射方法：多对多。优点：冲突概率小，Cache 利用率高。缺点：硬件很难实现，且需要一个访问速度快，成本高的相联存储器。适用场合：小容量Cache
- 直接映像，映射方法：一对多。优点：硬件实现简单，成本低，地址变换速度快。缺点：冲突率高，且Cache空间利用率不高。适用场合：大容量Cache
- 组相联映像，映射方法：一组对多。优点：综合前两者的优点，又尽量避免其缺点，故被普遍采用
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虚拟存储器：由主存和辅存组成，主要解决主存容量不足的问题
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磁盘
- 存取时间：寻道时间 + 旋转等待时间 + 数据传输时间
- 寻道时间：将磁头定位至所要求的磁道上所需要的时间
- 旋转等待时间：寻道完成后至磁道需要访问的信息到达磁头下的信息，平均等待时间为磁盘旋转一周的所需时间的一半
- 数据传输速率：磁盘单位时间传输的字节数
输入输出技术
- CPU 与外围设备之间的信息交换方式
- I/O 接口与外设之间的信息交换
- CPU 与I/O接口之间的信息交换
- 程序查询方式：CPU 执行程序来轮询查询外设的状态，判断外设是否准备好接受数据或向 CPU 输入数据
- 特点：
- CPU 与外设串行工作
- 硬件结构简单
- CPU 大量时间都在查询等待，资源浪费较多
- 需要 CPU 保存现场，由 CPU 将数据放入内存
- 一次读写单位为 字
- 适用场合
- 低速外设或 CPU 任务不繁忙的情况
- 程序中断方式：CPU 暂时中止现行程序，转去处理随机发生的紧急事件，处理完成后自动返回原程序的功能和技术。当 I/O 接口与外设交换数据过程中，CPU 无需等待，当交换数据完成时，I/O接口产生中断，通知 CPU 处理数据
- 特点
- CPU 与外设可并行工作
- 硬件结构相对复杂，服务开销时间大
- 需要 CPU 保存现场，由 CPU 将数据放入内存
- 一次读写单位为 字
- 适用场合
- 微型机中随机出现的任务
- 对 I/O 处理的实时性要求高的系统
- 直接内存存取 DMA 方式：DMA 控制器接管总线的控制权，数据交换不经过 CPU，直接在内存和 I/O 设备间进行成块传送
- 特点
- CPU 与外设可并行工作
- 仅在传送数据快的开始和结束时才需要 CPU 干预
- 不需要 CPU 保存现场
- 由外设直接将数据放入内存(或相反)
- 一次读写单位为 块，传输一个数据块占用一个存储周期
- 适用场合
- 微型机中内存与高速外围设备进行大批数据交换
- 通道方式(输入/输出处理机 IOP)：由通道(输入/输出处理机 IOP)控制外围设备
- 特点
- 大大提高了 CPU 的效率
- 但需要更多的硬件
- 适用场合
- 处理外设较多，规模较大的情形(大型机)
总线结构
总线(Bus) 是指在计算机中，设备与设备之间传输信息的公共数据通道
总线的分类
- 内部总线：CPU 内部连接运算器，控制器，各寄存器部件之间的总线
- 系统总线：CPU 和计算机系统中其他高速功能部件相互连接的总线。按系统总线传输信息内容的不同又可分为以下三类
- 数据总线：用来传输各功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长，存储字长有关
- 地址总线：用来指出数据总线上的源数据或目的数据所在的主存单元或 I/O 端口的地址，它是单向传输总线，地址总线的位数与主存地址空间大小有关
- 控制总线：传输的是控制信息，包括 CPU 送出去的控制命令和主存(或外设)返回 CPU 的反馈信号
- I/O 总线：中低速 I/O 设备相互连接的总线