数据库系统——1.2 计算机体系结构（概述）

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1.2 计算机体系结构

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1.2.1 概述

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（1）计算机体系结构分类

（1）宏观上按处理机的数量进行分类，分为单处理系统、并行处理与多处理系统和分布式处理系统。

• 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、输入与输出等功能的系统。
• 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连起来，彼此进行通信协调，以便共同求解一个大问题的计算机系统。
• 分布式处理系统：指物理上远距离而松耦合的多计算机系统。其中，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内部总线上传输慢得多，这也正是松耦合的含义。

（2）微观上按并行程度分类，有Flynn分类法、冯泽云分类法、Handler分类法和Kuck分类法。

• Flynn分类法：按指令流和数据流的多少进行分类。指令流为机器执行的指令序列，数据流是由指令调用的数据序列。Flynn把计算机系统的结构分为单指令流单数据流、单指令流多数据流、多指令流单数据流和多指令流多数据流4类。
• 冯泽云分类法：按并行度对各种计算机系统进行结构分类。所谓最大并行度，是指计算机系统在单位时间内能够处理的最大二进制位数。冯泽云把计算机系统分成字串行位串行计算机、字并行位串行计算机、字串行位并行计算机和字并行位并行计算机4类。
• Handler分类法：基于硬件并行程度计算并行度，把计算机的硬件分为三个层次：处理机级、每个处理机中的算逻单元级、每个算逻单元中的逻辑门电路级。分别计算这三级中可以并行或流水处理的程序，即可算出某系统的并行度。
• Kuck分类法：与Flynn分类法类似的方法，用指令流和执行流及其多重性来描述计算机系统控制结构的特征。Kuck把系统结构分为单指令流单执行流、单指令流多执行流、多指令流单执行流和多指令流多执行流4类。

（2）CISC和RISC（p14）

一个处理器支持的指令和指令的字节级编码称为其指令集体系结构，不同的处理器族支持不同的指令集体系结构，因此，一个程序被编译在一种机器上运行，就不能在另一种机器上运行。CISC和RISC是指令集体系结构发展的两个不同途径。

（1）CISC：即复杂指令集计算机，基本思想是进一步增强原有指令的功能，用更为复杂的新指令代替原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬件化，导致机器的指令系统越来越庞大而复杂。

（2）RISC：即精简指令集计算机，基本思想是通过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，并通过优化编译，提高指令的执行速度，采用硬线控制逻辑，优化编译程序，导致机器的指令系统进一步精炼而简单。

（3）流水线技术（p15）

流水线是指将一个较复杂的处理过程分为m个复杂程度相当、处理时间大致相等的子过程，每个子过程由一个独立的功能部件来完成，处理对象在各子过程连成的线路上连续流动，在同一时间，m个部件同时进行不同操作，完成对不同对象的处理。

• 流水线周期：各子任务中执行时间最长的（最慢的）子任务的执行时间。

• 流水线执行完n条指令所需要的时间：
  T_n = 执行一条指令所需要的时间 + （n - 1）× 流水线周期

  例子：利用流水线技术执行一百条指令，每条指令包括1s取指令，2s分析指令，3s执行指令。
  解：流水线周期为3s
  T₁₀₀ = 1 + 2 + 3 + （100 - 1）× 3 = 303s

• 吞吐率：是指单位时间里流水线处理机流出的结果数。对指令而言，就是单位时间内执行的指令数。

• 最大吞吐率：如果流水线的子过程所用时间不一样，则吞吐率p应为最长的子过程所用时间的倒数，即
  p = 1 / max{∆t₁,∆t₂,…,∆t_m}
  流水线开始工作，须经过一定时间才能达到最大吞吐率。

• 实际吞吐率：
  p = n / T_n
  n是指令的个数，T_n是流水线执行完n条指令的时间。