计算机组成原理与体系结构----计算机结构及流水线技术

• 数据的表示
• 计算机结构
• Flynn分类法
• CISC与RISC
• 流水线技术
• 存储系统
• 总线系统
• 可靠性
• 校验码

 

• 计算机结构

计算机结构由5部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

其中运算器和控制器是CPU的组成部分。

运算器包括算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器(AC)、数据缓冲寄存器(DR)、状态条件寄存器(PSW)四部分组成。

控制器包括程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器、时序部件四部分组成。

• 计算机体系结构分类 - Flynn

体系结构类型	结构	关键特性	代表
单指令流单数据流SISD	控制部分：1个 处理器：1个 主存模块：1个		单处理器系统
单指令流多数据流SIMD	控制部分：1个 处理器：多个 主存模块：多个	各处理器以异步的形式执行同一条指令	并行处理机 阵列处理机 超级向量处理机
多指令流单数据流MISD	控制部分：多个 处理器：1个 主存模块：多个	被证明不可能 至少是不实际	目前没有，有文献成流水线计算机为此类
多指令流多数据流MIMD	控制部分：多个 处理器：多个 主存模块：多个	能够实现作业、任务、指令等各级全面并行	多处理机系统多计算机

考察点：体系结构类型的特点。

• CISC与RISC

　RISC(Reduced Instruction Set Computer)和CISC(complex instruction set computer)是当前CPU的两种架构。

　它们的区别在于不同的CPU设计理念和方法。

指令系统类型	指令	寻址方式	实现方式	其他
CISC（复杂）	数量多，使用频率差别大，可变长格式	支持多种	微程序控制技术（微码）	研制周期长
RISC（精简）	数量少，使用频率接近，定长格式， 大部分为单周期指令，操作寄存器， 只有Load/store操作内存	支持方式少	增加了通用寄存器； 硬布线逻辑控制为主； 适合采用流水线	优化编译，有效支持高级语言

考察点：两种指令系统类型的特点。

• 流水线技术

1、概念

流水线是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。各种部件同时处理是针对不同指令而言的，它们可同时为多条指令的不同部分进行工作，以提高各部件的利用率和指令的平均执行速度。

2、流水线式指令执行

指令的执行分取指、分析、执行三个步骤，每个步骤是由不同的部件完成。

3、流水线计算

流水线周期为执行时间最长的一段。

流水线计算公式为：

（1）理论公式：1条指令执行时间 + （指令条数 - 1）*流水线周期

（2）实践公式：（k + n -1）* 周期，其中k是指令执行段数，n是指令条数

4、例子

若指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行三部分，且三部分的时间分别是取指2ns，分析2ns，执行1ns。那么，流水线周期是多少？100条指令全部执行完毕需要的时间是多少？

答：流水线周期是2ns，100条指令全部执行完毕需要的时间是2+2+1+(100-1)*2=5+198=203 ns

5、流水线吞吐率

（1）概念

流水线的吞吐率（Though Put rate，TP）是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。

（2）计算公式

计算流水线吞吐率的最基本的公式如下：

TP = 指令条数 / 流水线执行时间，

如，上面例子中的吞吐率TP=100/203

（3）流水线最大吞吐率

其中，n 是指令条数，k是执行一条指令需要的步骤，是流水线周期。

6、流水线加速比

（1）概念

完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间比称为流水线的加速比。

（2）计算公式

计算流水线加速比的基本公式如下：

S = 不使用流水线执行时间 / 使用流水线执行时间

如，上面例子中的流水线加速比S=(2+2+1)*100/203 = 500/203

7、流水线的效率

（1）概念

流水线的效率是指流水线的设备利用率。在时空图上，流水线的效率定义为n个任务占用的时空区与k个流水段总的时空区之比。

（2）计算公式

E = n个任务占用的时空区 / k个流水段的总的时空区 = 

（3）例子

一个任务需要4个步骤完成，完成每个步骤的时间是，，，，连续处理4个任务的时空图如下所示，

则流水线效率为图中有颜色的长方形和与整个长方形的比 =  

考察点：流水线的执行时长问题，先使用理论公式计算，再使用实践公式