北京工業(yè)大學 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 復習課件

1、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念點,不含計算方法,僅有部分提示,整理內(nèi)容僅供參考計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：指機器語言程序的設計者或是編譯程序設計者所看到的計算機系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。 透明性：一種本來存在，有差異的事物和屬性，從某種角度上看又好像不存在的現(xiàn)象，被稱為是“透明性”（ 例如，高級程序員看不到各種不同類型機器的差異性，就是一個明顯的例證。）計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ：數(shù)據(jù)表示；寄存器定義；指令系統(tǒng)；中斷系統(tǒng)；存儲系統(tǒng)；輸入輸出結(jié)構(gòu)；機器工作狀態(tài)；信息保護計算機組成：數(shù)據(jù)通路的寬度；專用部件的設置；各功能部件；控制機構(gòu)的組成方式；緩沖技術(shù)；可靠性技術(shù)的采用和方式的選擇計算機實現(xiàn)：邏輯設計的物理實現(xiàn)FLYNN分類法

2、：單指令流單數(shù)據(jù)流( SISD ),傳統(tǒng)順序處理計算機 單指令流、多數(shù)據(jù)流(SIMD )結(jié)構(gòu) , 陣列處理機、并行處理機 多指令流、單數(shù)據(jù)流( MISD )結(jié)構(gòu), 如RISC機、向量機 多指令流、多數(shù)據(jù)流( MIMD )結(jié)構(gòu), 多處理機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)的設計原則：1.加速那些使用頻率高的部件提高整個計算機性能; 2. Amdahl定律; 3.程序訪問局部性原理 Amdahl定律：系統(tǒng)中某一部件由于采用某種改進的執(zhí)行方式后，整個系統(tǒng)的性能提高了，其衡量指標為加速比。Amdahl定律可表示為：加速比Sp = Te / T0改進后時間T0= Te1 可改進部分占比fe + fe性能提高倍數(shù) re 整理

3、得Sp=11-fe+fe/reCPU性能指標: TCPU=IN*CPI*Tc=指令總數(shù)*執(zhí)行每條指令所需平均周期數(shù)*時鐘周期CPI=CPIi*IiINMIPS=INTe*106=時鐘頻率RcCPI*106MFLOPS=程序中的浮點操作次數(shù)IFN執(zhí)行時間Te*106計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)(會排序,注意23級)性能評價結(jié)果數(shù)據(jù)的處理方法: 算術(shù)性能平均法;幾何.;調(diào)和.;軟件兼容性要求:繼承軟件資產(chǎn)，保證軟件向后兼容和向上兼容數(shù)據(jù)類型:基本數(shù)據(jù)類型(二進制數(shù)位及位串、整數(shù)及自然數(shù)、實數(shù)（浮點數(shù)）、邏輯數(shù)、十進制數(shù)、字符等。二進制數(shù)位是信息存儲的最基本單位，0和1，長度為8時，構(gòu)成字節(jié)。);結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類

4、型(一組由相互有關(guān)的數(shù)據(jù)元素復合而成的數(shù)據(jù)類型，這些數(shù)據(jù)元素可以是基本數(shù)據(jù)類型中的元素，也可以是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類型本身中的元素如向量、數(shù)組、字符串、堆棧、隊列等。結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)類型除了可由用戶定義外，還有一種是系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型，它們通常是在操作系統(tǒng)中被使用的，如堆棧、隊列等。);抽象數(shù)據(jù)類型;訪問指針.數(shù)據(jù)表示：指在計算機中能由硬件直接辯認,指令系統(tǒng)可以直接調(diào) 用的數(shù)據(jù)類型。(實質(zhì)上是一個軟硬件取舍的問題)自定義數(shù)據(jù)表示：由數(shù)據(jù)本身來表明數(shù)據(jù)類型，使計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)具有自定義能力。分類:帶標志符的數(shù)據(jù)表示,數(shù)據(jù)描述符優(yōu)點1.簡化了指令系統(tǒng)2.容易檢出程序編制中的錯誤3.簡化了編譯程序4.支持數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)5.

5、簡化了程序設計6.便于軟件測試，支持應用軟件開發(fā) 缺點1.數(shù)據(jù)字長增加2.降低了指令的微觀執(zhí)行速度3.與其他計算機的兼容性差，硬件復雜程序定位方式:直接;靜態(tài);動態(tài)(優(yōu)點：在程序執(zhí)行時由硬件形成主存物理地址，主存利用率高，多個用戶可以共享同一個程序段，支持虛擬存儲器實現(xiàn)。缺點：需要硬件支持，實現(xiàn)的算法比較復雜。)RISC設計思想的起源1.20%-80%定律2.系統(tǒng)設計中硬件和軟件之間折衷3.VLSI工藝技術(shù)發(fā)展主要技術(shù):1.流水線結(jié)構(gòu)和指令調(diào)度2.寄存器窗口3.優(yōu)化編譯技術(shù)復雜指令集計算機CISC特點:1.指令的控制執(zhí)行是采用微程序控制技術(shù)，有專用的寄存器。2.控制器十分復雜，占用了大量CPU

6、芯片面積，有些復雜指令用的很少，難以用優(yōu)化編譯生成高效目標代碼。3.處理器的執(zhí)行效率不高。4.指令系統(tǒng)與軟件之間語義差別越來越大，軟件設計任務十分繁重，整個設計風格不是十分經(jīng)濟有效的。RISC特點1.指令格式簡單化、規(guī)整化（寄存器-寄存器型）2.基本是單周期操作（指令功能和執(zhí)行周期權(quán)衡選擇）3.分開的存取指令數(shù)據(jù)，引入多級Cache 4.面向寄存器堆的結(jié)構(gòu) 5.充分提高流水線效率（用各種技術(shù)減少相關(guān)阻塞）6.采用硬邏輯控制方式（少數(shù)采用微程序設計）7.采用優(yōu)化編譯技術(shù)，很好地支持高級語言存儲系統(tǒng)的三個特性:局部性;一致性(在容量大的存儲器中，一定能找到上層存儲信息的副本);包含性(副本修改，以

7、保持同一信息的一致性);計算機存儲系統(tǒng)三個基本參數(shù): 存儲容量S(以字節(jié)數(shù)表示，單位為B、KB、MB、GB、TB等);存儲器速度T(存儲器訪問周期，與命中率有關(guān));存儲器價格C(表示單位容量的平均價值單位為C/bit或C/KB)存儲層次結(jié)構(gòu)解決頻帶平衡的三種方法:1.多個存儲器并行工作，并用并行訪問和交叉訪問等方法 2.設置各種緩沖存儲器 3.采用Cache存儲系統(tǒng)。引入CACHE的目的: 提高CPU對存儲器的訪問速度 特點: 容量比較小但速度比主存高很多，接近于CPU的速度。地址映像是指某一數(shù)據(jù)在主存中的地址與在緩存中的地址兩者之間的關(guān)系。CACHE寫操作的更新策略 全寫法: Cache及主

8、存與內(nèi)容同時更新CACHE命中率的影響因素:CACHE容量,CACHE塊大小,地址映像方式LRU最近最少使用法:是依據(jù)各塊使用的情況，總是選擇那個最近最少使用的塊被替換。這種方法比較好的反映了程序局部性規(guī)律。因為最近最少使用的塊，很可能在將來的近期也很少使用，所以LRU法的命中率比較高。缺點：實現(xiàn)起來比較困難，它不但要記錄每塊使用次數(shù)的多少，而且要反映出近期使用的次數(shù)。 Cache系統(tǒng)的加速比 等效的訪問周期為T Tc:Cache的訪問周期Tm:主存儲器的訪問周期;Hc:Cache命中率存儲系統(tǒng)的訪問效率：指高一級存儲器的訪問速度(容量小速度高的一級)與系統(tǒng)等效的訪問速度之比。存儲保護:1.加

9、界保護法：在CPU中設置了多個界限寄存器，由系統(tǒng)軟件經(jīng)特權(quán)指令指定，禁止越界。(當程序運行過程中，每當訪問主存時，首先將訪問地址與上下界寄存器進行比較，如果在此區(qū)域之內(nèi)，則允許訪問；如果不在此區(qū)域之內(nèi)，即小于上界，大于下界，即說明出現(xiàn)了錯誤，稱為越界錯。這種保護方式是對存儲區(qū)的保護、運用于段式管理.)2. 鍵保護方式: 每次訪問主存，首先進行鍵號比較，如果鍵號相等才允許訪問。如同一把鑰匙開一把鎖。存放鍵與程序鍵鍵號的分配，由操作系統(tǒng)完成 3. 環(huán)保護方式：將系統(tǒng)程序和各用戶程序按其功能的性質(zhì)和要求分為幾個級別，分別授予不同的權(quán)限，如系統(tǒng)程序?qū)Π踩囊蟊容^高，授權(quán)級別就比較高，用戶程序的級別就

10、可以低些流水線的基本結(jié)構(gòu)中的三大部分：鎖存器、時鐘、功能段（站）流水線特點:1）流水一定重疊，比重疊更苛刻。2）一條流水線通常由多個流水段組成。3）每段有專用功能部件，各部件順序連接，不斷流.4）流水線有建立時間、滿載時間、排空時間.5）各段時間盡量短、一致，不一致時最慢子過程為瓶頸。6）給出的最大吞吐率等指標，為滿負載最佳指標。流水線的分級：1.按處理的級別分級(操作部件級-將復雜的算邏運算組成流水工作方式；指令級-把一條指令解釋過程分成多個子過程;處理機級或宏流水線級-由兩個以上處理機串行地對同一數(shù)據(jù)流進行處理，每個處理機完成某一專門任務，各個處理機所得到的結(jié)果需存放在與下一個處理機所共享

11、的存儲器中.) 2. 按功能分類(單功能流水線-只能實現(xiàn)一種固定的專門功能的流水線;多功能流水線-通過各站間的不同連接方式可以同時或不同時地實現(xiàn)多種功能的流水線)3. 按工作方式分類(靜態(tài)流水線-在同一時間內(nèi)各功能段只能按一種運算（功能）的連接方式工作;動態(tài)流水線-在同一時間內(nèi)各功能段允許按多種不同運算（功能）的連接方式工作。) (靜態(tài)流水線僅當指令都是同一類型時才能連續(xù)不斷地執(zhí)行。當從一種功能方式變?yōu)榱硪环N功能方式時，必須先排空流水線，然后再切換成另一種功能進行流水處理。)4. 按連接方式（流水線中是否有反饋回路）分類(線性流水線-從輸入到輸出，每個功能段只允許經(jīng)過一次，不存在反饋回路;非線

12、性流水線-存在反饋回路，從輸入到輸出過程中，某些功能段將數(shù)次通過流水線，這種流水線常用于進行遞歸運算)流水線性能指標:吞吐率Tp,加速比Sp,效率最大吞吐率：流水線達到穩(wěn)定狀態(tài)后可獲得的吞吐率。（1）TPmax=1/t（理想情況） （2）TPmax=1/ maxt1，t2，t3，t4流水線實際吞吐率m：指令流水線的段數(shù)；Dt0: 各段經(jīng)過的時間； n：指令條數(shù)。效率=n個任務實際占用的時空區(qū)m個段總得時空區(qū) 加速比Sp=T非流水T流水 對一個周期能發(fā)射多條指令計算機有超標量、超流水、超長指令字計算機，此外還有數(shù)據(jù)流計算機也屬于多發(fā)射結(jié)構(gòu)。 向量的處理方法:水平;垂直(適用于流水);分組縱橫向量

13、處理機的結(jié)構(gòu):由向量數(shù)據(jù)表示和流水線技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成的向量流水處理機。并行性概念:在數(shù)值計算，數(shù)據(jù)處理，信息處理或人工智能求解過程中，可能存在某些能同時進行運算或操作的部分。在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)完成多個性質(zhì)相同或不同的任務。并行性的開發(fā)還可以按程序大小劃分不同粒度的開發(fā)方式。并行粒度或顆粒規(guī)模- 衡量軟件進程所含計算量的尺度。測量方法是數(shù)一下顆粒（程序段）中的指令數(shù)目。一般用細、中、粗來描述，決定并行處理的基本程序段。并行性粒度：每次并行處理的規(guī)模大小。用字母G表示 G=TW/TCTW：所有處理器進行計算的時間總和；TC：所有處理器進行通信的時間總和。（設系統(tǒng)共有P個處理器）;當TC較大時

14、，通信量大，則G較小處理粒度較細。反之對于粗粒度的并行，通信量較小。粒度小結(jié):1.細粒度并行性常在指令級或循環(huán)級上借助于并行化或向量化編譯器來進行開發(fā)的。2.任務或作業(yè)步驟（過程級）中粒度并行性開發(fā)需要程序員和編譯器的共同作用。3.開發(fā)程序作業(yè)級的粗粒度并行性主要取決于高效的操作系統(tǒng)和所用算法的效率。4.共享變量通信常用于支持中、細粒度計算。消息傳遞型多計算機用于中粒度和粗粒度的計算。通常情況下，粒度越細，并行性潛力越大，通信和調(diào)度的開銷也越大。細粒度能提供較高的并行度，但與粗粒度計算相比，其通信開銷也較大。大規(guī)模并行性通常是在細粒度級上開發(fā)。如：SIMD或MIMD計算機上開發(fā)的數(shù)據(jù)并行性。陣

15、列處理機分類根據(jù)存貯器采用的組成方式不同分成兩種基本構(gòu)成。(1)分布存貯的陣列處理機:各個處理單元設有局部存貯器存放分布式數(shù)據(jù)，只能被本處理單元直接訪問。此種局部存貯器稱為處理單元存貯器PEM。在控制部件CU內(nèi)設有一個用來存放程序的主存貯器CUM。整個系統(tǒng)在CU統(tǒng)一控制下運行系統(tǒng)程序的用戶程序。執(zhí)行主存中的用戶程序指令播送給各個PE，控制PE并行地執(zhí)行。特點：處理器陣列一般是通過CU接到一臺管理處理機SC上，SC一般是一種通用計算機，用于管理整個系統(tǒng)的全部資源，完成系統(tǒng)維護、輸入輸出、用戶程序的匯編及向量化編譯、作業(yè)調(diào)度、存貯分配、設備管理、文件管理等操作系統(tǒng)的功能。（2）集中式共享存貯的陣列

16、處理機:特點,每個PE沒有局部存儲器，存儲模塊以集中形式為所有PE共享，互連網(wǎng)絡ICN受CU控制。 恒等置換I（Xn-1Xn-2X1X0）= Xn-1Xn-2X1X0直連交換置換E（ Xn-1Xn-2X1X0 ）= Xn-1Xn-2X1X0第0位取反方體置換Cubek為二進制第k位取反均勻洗牌置換 二進制左移一位逆均勻洗牌-1二進制右移一位蝶式置換（Butterfly）二進制首尾互換子蝶式（subbutterfly）(k) 置換二進制0位與k位互換超蝶式置換(k) :二進制最高位與第k位互換移數(shù)置換:將輸入端數(shù)組循環(huán)移動一定的位置向輸出端傳輸。其函數(shù)表達式：a(X)=(X+k) mod N,

17、0X N ,k為常數(shù)，指移動的位置值加減2i（PM2I）置換:實際上是一種移數(shù)置換包含2n個互連函數(shù)，其表達式為PM2+i(j)=j+2 i(mod N）; PM2-i(j)=j-2 i(mod N)式中，0jN-1，0in-1，n=log2N互聯(lián)網(wǎng)絡設計的四個特征多處理機結(jié)構(gòu)分類:共享存儲型(緊耦合系統(tǒng)),點對點型/分布型(松耦合多處理機系統(tǒng))多處理機互連結(jié)構(gòu)（總線、交叉開關(guān)、多端口存儲器、多級互聯(lián)網(wǎng)）總線結(jié)構(gòu)：把所有功能模塊（或部件、或計算機）連接到一條公共通信通路上，又稱為分時或公共總線.交叉開關(guān)網(wǎng)絡:包含一組縱橫開關(guān)陣列，把縱向的處理機P及I/O通道與橫向的存儲器模塊M連接起來，使每個

18、處理器都有有它單獨可用的通路與存儲器模塊相連，這樣可以加大頻帶寬度，每個交叉點都有開關(guān)、多路控制轉(zhuǎn)換及仲裁部件。多端口存儲器互連方式:每個存貯器模塊有多個存取端口，將分布在交叉開關(guān)矩陣中的控制，轉(zhuǎn)換和優(yōu)先級仲裁邏輯分別移到相應存貯器模塊的接口中，構(gòu)成多端口存貯器的結(jié)構(gòu)。多級互連網(wǎng): MIMD和SIMD計算機都使用多級網(wǎng)絡。每一級都用了多個a×b開關(guān)，相鄰各級開關(guān)之間都有固定的級間連接。為了在輸入和輸出之間建立所需的連接，可用動態(tài)設置開關(guān)的狀態(tài)來實現(xiàn)。總線仲裁算法:1. 靜態(tài)優(yōu)先級算法-為每個連到總線上的處理機（或計算機模塊）分配一個唯一的固定優(yōu)先級。優(yōu)點：算法簡單，易實現(xiàn).缺點：優(yōu)先級低的處理機將很少有機會使用總線 2. 平等算法：以輪轉(zhuǎn)方式將總線按固