计算机体系由结构、组织、实现、性能四个基本方面组成。
结构指的是计算机系统各种硬件的互连;组织指的是各个部件的动态联系和管理;实现指的是各模块设计的组装完成;性能指的是计算机的行为表现。
计算机体系结构、计算机体系组织和计算机实现三者的关系如下:
①计算机体系结构:计算机的概念性结构和功能属性。
②计算机体系组织:计算机体系结构的逻辑实现。
③计算机实现:计算机组织的物理实现。
(1)单处理系统:利用一个单元和其他外部设备结合起来,实现存储、计算、通信、输入与输出功能的系统。
(2)并行处理系统与多处理系统:将两个以上的处理机互连起来,彼此进行通信协调。
(3)分布式处理系统:指物理上远距离二松耦合的多计算机系统。 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。
指令集体系结构(ISA):一个处理器支持的指令和指令的字节级编码
基本思想:进一步增强原有指令的功能。用更为复杂的新指令替代原先由软件子程序完成的功能。
CISC的主要弊端:
① 指令集过于复杂
② 每条复杂指令都需要一段解释性微程序才能完成,从而降低了机器的处理能力
③ 难以优化编译使之生成高效的目标代码
④ CISC强调完善的中断控制,导致动作繁多、设计复杂、研制周期长
⑤ CISC给芯片设计带来很多困难,使芯片种类多,出错率增大,成本提高,成品率下降
基本思想: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执行速度,采用硬布线控逻辑优化编译程序。
RISC的技术关键:
① 重叠寄存器窗口技术:在处理机中设置一个数量比较大的寄存器堆,并把它划成很多个窗口。
② 优化编译技术:RISC使用了大量的寄存器,如何合理的使用这些寄存器,都应通过编译技术的优化来实现。
③ 超流水及超标量技术:为了进一步提高流水线速度而采用的技术。
④ 硬布线逻辑与微程序相结合在微程序技术中。
(1) 顺序方式:各条机器指令按照顺序逐步执行。其有点是控制简单。缺点是速度慢,机器各部件的利用率低。
(2) 重叠方式:在解释第X条指令的操作完成前,可以开始解释第X+1条指令,如下图所示:
(3) 流水方式:把并行性或并发性嵌入到计算机系统里的一种形式,将重复的顺序处理过程分解若干个子过程,就像工厂的流水线一样。如下图所示:
吞吐率:单位时间内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。
若流水线子过程所用的时间不一样,则吞吐率p应为最长子过程的倒数,即
p = 1/max{△t1,△t2,···,△tm}
若m个流水线子过程所用时间一样,均为△t0,则建立时间为
p= m△t0
高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器,其作用是存放当前最活跃的程序和数据。
地址映像:CPU工作时,送出的是主存单元地址,而应从Cache中读/写信息,这就需要将主存地址转换成Cache的地址。
主存的块与Cache块的对应关系是固定的。
优点:地址变换简单
缺点:灵活性差
全相联映像允许主存的任何一块可以调入Cache任何一块空间中
优点:主存调入Cache的位置不受限制,十分灵活
缺点:无法从主存块中直接获得Cache的块号,变化比较复杂,速度比较慢
组相联映像就是规定组采用直接映像方式,块采用全相联映像方式。即主存任何区的0组只能存到Cache的0组中,1组只能存到Cache的1组中,依次类推。
设Hc为Cache的命中率,tc为Cache的存取时间,tm为主存的访问时间,Cache的等效加权平均访问时间为ta:
当Cache访问和主存访问是同时启动时ta为
t~a~ = H~c~+(1-H~c~)t~m~ = t~c~+(1-H~c~)(t~m~-t~c~)
若在Cache不命中时才启动主存,则ta = t~c~+(1-H~c~)t~m~
随着容量的增加,Cache的命中率也会增加,但这意味着需要提高Cache的成本和增加Cache的命中时间
虚拟存储器实际上是一个逻辑存储器,实质是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。
作用:存放暂时不用的程序和数据,并且以文件的形式存储。
注:CPU不能直接访问外存中的程序和数据,只有将其以文件为单位调入主存才可访问。