计算机分类及性能描述

计算机分类及性能描述

一.计算机的分类

1.按用途分

1.通用计算机：用途不针对某一个或某一类用户，而是可以满足多用户

• 1）个人计算机：计算能力和扩展能力有限，支持较少用户登录使用
• 2）服务器：服务器是用于高性能实现某种服务的计算机，服务器的构成与通用计算机架构类似，但是由于需要提供高可靠的服务，因此在处理能力，稳定性，可靠性，安全性，可扩展性，可管理性等方面要求较高。
• 3）超级计算机：计算机中功能最强，运算速度最快，存储容量最大的一类计算机。

2.嵌入式计算机：以应用为目标，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对各方面有严格要求的专用计算机系统。广泛应用于工业企业，军事装备的测量与控制。

2.Flynn分类法

Flynn分类法是按照计算机在执行程序的过程中信息流的特征进行分类的。在程序执行过程中存在三种信息流：

• 1）指令流IS：机器执行的指令序列，它由存储器流入控制单元CU
• 2）数据流DS：指令流所使用的数据，包括输入数据，中间数据和结果。数据在处理单元PU中进行处理。
• 3）控制流CS：指令流进入CU，由CU产生一系列控制流（信号），在控制流的控制下完成指令的功能。

按照FLynn分类法，可将计算机分为四类：

（1）单指令流单数据流SISD：计算机结构由单一控制单元，单一处理单元，单一主存储器组成。控制器控制从存储器逐条获取指令，对指令译码并产生控制信号，控制处理单元万层指令规定的功能，是最简单的一类计算机。

（2）单指令流多数据流SIMD：由一个控制单元，多个处理单元和多个主存储器构成。控制器从存储器获取一条指令，并对指令译码，产生控制信号，并用相同的控制信号控制多个处理单元，执行相同的操作，完成这条指令对多个数据的相同操作。

（3）多指令流单数据流MISD：实现的是多个控制单元同时执行多条指令对同一数据进行处理，该种计算机尚无实例。

（4）多指令流多数据流MIMD：由多个控制单元，多个处理单元和多个主存储器构成，实际上是由多处理机用各种方式连在一起构成的计算机系统，通常称为多处理机系统。这类计算机中各个处理机分别执行不同的指令，处理不同的数据，并行工作而实现某种功能。

二.计算机的性能指标

1.字长

字长是指计算机进行一次整数运算（即定点整数运算）所能处理的二进制数据的位数，通常与cpu的寄存器位数，加法器有关。因此，字长一般等于内部寄存器的大小，字长越长，数的表示范围越大，计算精度越高。计算机字长通常选为字节（8位）的整数倍。

2.数据通路带宽

数据通路带宽是指数据总线一次所能并行传送信息的位数。这里所说的数据通路宽度是指外部数据总线的宽度，它与cpu内部的数据总线宽度（内部寄存器的大熊）有可能不同。

3.主存容量

主存容量是指主存储器所能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量，也可用字数x字长来表示存储容量，如512K x 16位。其中MAR的位数反应存储单元的个数，MAR的个数反应可寻址范围的最大值而不一定是实际存储器的存储容量。
例如：MAR的位数为16位，则次存储体中含有2^16=65536个存储单元，即64K，若MDR的位数位32位，则存储容量可表示为64K x 32位。

4.运算速度

• 执行时间：也称为响应时间，定义位一个任务从开始到完成所用的时间或计算机完成一个任务所用的时间。
• 吞吐量：定义为在给定时间内（并行）完成的总任务数。
• 性能P=1/执行时间T
• 相对性能（性能比）：Px/Py=Ty/Tx=n
• CPU时钟周期：CPU中最小的时间单位，执行指令的每个动作至少需要一个CPU时钟周期
• 主频（CPU时钟频率）：机器内部主时钟的频率，是衡量机器速度的重要参数。对于同一型号的机器，主频越高，完成指令的一个执行步骤所用的时间越短，执行指令的速度越快。
• CPI（Clock cycle Per Instruction）：执行一条指令所需要的时钟周期数。不同指令执行的时钟周期数可能不同，所以对于一个程序或一个机器来说，CPI是指该程序或该机器指令集中所有指令执行所需的平均时钟周期数。

5.Amdahl定律

Amdahl定律的内容为：计算机系统中某一部件采用某种更快的执行方式后，整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。Amdahl给出了加速比的定义：

$$加速比=\frac{改进后的系统性能}{改进前的系统性能}=\frac{改进前的系统执行总时间}{改进后的系统执行总时间}$$

系统的加速比取决于下面两个因素：

• 1）可改进部分在原系统总执行时间中所占的比例fe
• 2）可改进部分改进后性能提高的程度re
  改进后系统的总执行时间为：
  $$T_n=T_o(1-f_e+\frac{f_e}{r_e})$$
  加速比Sp可表示为：
  $$S_p=\frac{1}{1-f_e+\frac{f_e}{r_e}}$$