软件设计师教程（二）计算机系统知识-计算机体系结构

软件设计师教程

软件设计师教程（一）计算机系统知识-计算机系统基础知识

计算机体系结构

• 软件设计师教程
• 计算机体系结构的发展
• • 计算机系统结构概述
  • 计算机体系结构分类
  • 指令系统
  • • 指令集体系结构的分类
    • CISC和RISC
    • 指令的流水处理
  • 阵列处理机、并行处理机和多处理机
  • • 阵列处理机
    • 并行处理机
    • 多处理机
    • 其他计算机
• 存储系统
• • 存储器的层次结构
  • 存储器的分类
  • • 位置分类
    • 构成材料
    • 工作方式
    • 访问方式
    • 寻址方式
  • 相连存储器
  • 高速缓存
  • • 组成
    • 映像方法
    • 替换算法
    • Cache的性能分析
    • 多级Cache
  • 虚拟存储器
  • 外存储器
  • • 磁表面存储器
    • 光盘存储器
    • 固态硬盘
  • 磁盘阵列技术
  • 存储域 络
• 输入/输出技术
• • 微型计算机最常用的内存与接口的编址方法
  • • 内存与接口地址独立编址
    • 内存与接口地址统一编址
  • 直接程序控制
  • • 无条件传送
    • 程序查询方式
  • 中断方式
  • • 中断方法
    • 中断优先级控制
  • 直接存储器存取方式
  • 输入/输出处理机（IOP）
• 总线结构
• • 总线的分类
  • 常见总线

计算机体系结构的发展

计算机系统结构概述

计算机体系结构 ? 计算机的概念性结构和功能属性
计算机组织 ? 计算机体系结构的逻辑实现，包括机器内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等（常称为计算机组成原理）
计算机实现 ? 计算机组织的物理实现

计算机体系结构分类

宏观处理器数量 ? 单处理系统 + 并行处理系统 + 多处理系统 + 分布式处理系统
微观按并行程度 ? Flynn分类 + 冯泽云分类 + Handler分类 + Kuck分类

指令系统

一个处理器支持的指令和指令的字节级编码称为指令集体系结构（ISA），不同的处理器族支持不同的指令集体系结构。

指令集体系结构的分类

系统结构的观点：

1> 操作数在CPU中的存储方式，即操作数从主存取出后保存在什么地方。
2> 显式操作数的数量，即在典型的指令中有多少个显式命名的操作数。
3> 操作数的位置，即任一个ALU指令的操作数否放在主存中，如何定位。
4> 指令的操作，即在指令集中提供哪些操作。
5> 操作数的类型和大小。

按暂存机制分类：

1> 堆栈
2> 累加器
3> 寄存器组

CISC和RISC

CISC 进一步增强原有指令的功能，用更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化，大多数计算机都属于CISC。 —- 复杂指令集计算机

弊端:

1. 指令集过分庞杂
2. 微程序技术是CISC的重要支柱，每条复杂指令都要通过执行一段解释性微程序才能完成，这就需要多个CPU周期，从而降低了机器的处理速度
3. 指令系统过分庞大 ? 高级语言编译程序选择目标指令的范围很大 ? 编译程序本身冗长、复杂，不高效
4. 强调完善的中断控制 ? 动作繁多、设计复杂、研制周期长
5. 芯片设计难，芯片种类增多，出错几率增大

RISC 减少指令总数和简化指令功能降低硬件设计的复杂度，使指令能单周期执行，通过优化编译提高指令的执行速度，采用硬布线控制逻辑优化编译程序。

1. 重叠寄存器窗口技术
2. 优化编译技术
3. 超流水线及标量技术、
4. 硬布线逻辑与微程序相结合在微程序技术中

优化
对大量机器语言目标代码及其执行情况进行了统计，优化目标代码。

指令的流水处理

指令控制方式 ? 顺序方式、重叠方式、流水方式

流水线的种类
级别 ? 部件级、处理机级 以及 系统级
功能 ? 单功能、多功能
连接 ? 静态、动态
是否有反馈回路 ? 线性、非线性
流动顺序 ? 同步、异步
数据表示 ? 标量、向量

相关处理 ? 局部相关和全局相关

多条指令对同一主存单元或寄存器的“先写后读”的要求，就出现了局部相关 ? 局部相关解决 ? 推后法和通路法 ? 推后就是直到我指令写完后，在读取。 通路法就是设置相关专用通路，就不必先把运算结果写入相关存储单元，再读出使用，直接通过相关通路使用运算结果

转移指令与其后面的指令存在关联，不能同时解释。执行转移指令时，可能会改动指令缓冲器中预取到的指令内容，从而会造成流水线吞吐率和效率下降 ? 全局性相关 ? 猜测转移分支、加快和提前形成条件码、加快短循环程序的处理。

首先猜一波，直接猜转移不成功，猜对了，就直接把命令加载好了。

尽早获得条件码以便对流水线简化条件转移的处理。

流水线采用特殊措施加快循环程序的处理

RISC ? 超流水线、超标量以及超长指令字

吞吐率是指单位时间内流水处理机流出的结果数，单位时间内执行的指令数。

阵列处理机、并行处理机和多处理机

并行性 同时性和并发性。 同时就是同一时刻发生，并发就是统一时间间隔连续发生。

并行处理 ? 存储器操作并行、处理器操作步骤并行、处理器操作并行、指令、任务、作业并行

阵列处理机

单指令流多数据流计算机，通过资源重复实现并行性。

并行处理机

SIMD和MIMD都是典型的并行计算机
SIMD 有共享存储器和分布式存储器两种形式，共享存储器构成同一的并行处理机存储器，通过互联 络ICN为整个并行系统的所有处理单元共享。分布式存储器含有多个同样结构的处理单元，通过寻径 络ICN以一定的方式相互连接。

多处理机

由多台处理机组成的系统，每台处理机有属于自己的控制部件，可以执行独立程序，共享一个主存储器和所有的外部设备。

其他计算机

集群。

存储系统

存储器的层次结构

映像方法

在CPU工作中，送出的是主存单元的地址，而应从Cache存储器中读写信息。需要将主存地址转换成Cache存储器的地址。

直接映像 全相联映像 组相联映像

替换算法

增加缓存的命中率
随机替换算法、先进先出替换法、近期最少使用算法、优化替换算法

Cache的性能分析

命中率是重要指标
Cache容量越大，命中率越高

多级Cache

多层次缓存，离cpu近的最快

虚拟存储器

一种逻辑存储器，实质将对物理存储设备进行逻辑化处理，并将统一的逻辑视图呈现给用户。

外存储器

磁表面存储器

硬盘，容量较大，速度较快

光盘存储器

容量大、信息保存时间长，存取速度慢

固态硬盘

容量也大，速度快，价格贵

磁盘阵列技术

多个磁盘组成的外存子系统

存储域 络

把一个或多个服务器与存储设备连接起来，每个存储设备可以是多样化的，构成了存储域 络。

输入/输出技术

微型计算机最常用的内存与接口的编址方法

内存与接口地址独立编址

内存与接口地址统一编址

直接程序控制

无条件传送

程序查询方式

有针对性地为外设提供输入输出服务

中断方式

CPU不会时时刻刻盯着数据传送任务是否完成，完成后会给CPU发出中断信 。

中断方法

• 多中断信 线法
• 中断软件查询法
• 菊花链法
• 总线仲裁法
• 中断向量表法

中断优先级控制

• 多个中断源同时中断服务，响应优先级最高的
• 中断嵌套，允许优先级插队

直接存储器存取方式

输入/输出处理机（IOP）

具有特殊功能的处理器，分担了CPU一部分功能，可以实现对外围设备的同一管理，完成外围设备与主存之间的数据传送。

总线结构

计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道。

总线的分类

数据总线，传送数据信息，双向
地址总线，传送CPU发出的地址信息，单向
控制总线，传送控制信 、时序信 和状态信息等

常见总线

• ISA总线
• EIEA总线
• PCI总线
• PCI Express总线
• 前端总线
• RS-232C
• SCSI总线
• SATA
• USB
• IEEE-1394
• IEEE-488总线