体系结构.docx
- 文档编号:2905260
- 上传时间:2022-11-16
- 格式:DOCX
- 页数:6
- 大小:20.63KB
体系结构.docx
《体系结构.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《体系结构.docx(6页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
体系结构
在计算机技术中,对这种本来是存在的事物或属性,但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性(transparency)
广义(现代)的计算机体系结构的概念,它除了包括经典的计算机体系结构的概念范畴(指令集结构),还包括计算机组成和计算机实现的内容。
计算机组成是指令集结构的逻辑实现。
计算机实现是计算机组成的物理实现。
系列机(familymachine):
一种指令集结构可以有多种组成。
同样,一种组成可以有多种物理实现。
系列机就是指在一个厂家生产的具有相同的指令集结构,但具有不同的组成和实现的一系列不同型号的机器。
系列机从程序设计者看都具有相同的机器属性,因此按这个属性(指令集结构)编制的机器语言程序以及编译程序都能通用于各档机器,我们称这种情况下的各档机器是软件兼容的(softwarecompatibility)。
向上(下)兼容指的是按某档机器编制的程序,不加修改的就能运行于比它高(低)档的机器。
向前(后)兼容指的是按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序,不加修改的就能运行于在它之前(后)投入市场的机器。
不同厂家生产的具有相同指令集结构的计算机称为兼容机(compatiblemachine)。
兼容机的优势:
由于采用新的计算机组成和实现技术,因此具有较高的性能价格比;
可能对原有的组成和实现进行某种扩充,使它具有更强的功能。
响应时间(执行时间):
从事件开始到结束之间的时间。
吞吐率(Throughput):
在单位时间内所完成的工作量(任务)。
用户以响应时间为标准,多道程序系统以吞吐率为标准。
大概率事件优先的原则:
对于大概率事件(最常见的事件),赋予它优先的处理权和资源使用权,以获得全局的最优结果。
Amdahl定律:
加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比,受限于该部件在系统中所占的重要性。
一个“好”的计算机系统:
具有高性能价格比的计算机系统是一个带宽平衡的系统,而不是看它使用的某些部件的性能。
程序的局部性原理:
程序在执行时所访问地址的分布不是随机的,而是相对地簇聚;这种簇聚包括指令和数据两部分。
程序的时间局部性:
程序即将使用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。
程序的空间局部性:
程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近。
指令集格式的设计就是要确定操作码字段和地址码字段的大小及其组合形式,以及各种寻址方式的编码方法。
静态流水线:
是指在同一时间内,流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。
适合于处理一段相同的运算操作。
动态流水线:
是指在同一时间内,当某些段正在实现某种运算时,另一些段却在实现另一种运算。
线性流水线:
是指流水线的各段串行连接,没有反馈回路。
非线性流水线:
是指流水线中除有串行连接的通路外,还有反馈回路。
确定是没事后向流水线引进新的输入,从而使新输入的数据和先前操作的反馈数据在流水线中不产生冲突,此即所谓流水线调度问题。
结构相关:
当指令在重叠执行过程中,硬件资源满足不了指令重叠执行的要求,发生资源冲突时将产生“结构相关”。
数据相关:
因一条指令需要用到前面指令的结果,而无法与产生结果的指令重叠执行时,就发生了数据相关。
控制相关:
当流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令时就发生控制相关。
具有向量数据表示和相应向量指令的流水线处理机称为向量流水线处理机,也称向量处理机。
与之对应的是标量处理机,不支持向量数据表示,没有提供向量指令。
向量链接技术:
一个向量功能部件得到的结果直接送入另一个向量功能不见得操作数寄存器时所发生的连接过程称为链接。
将一重复的时序过程分解为若干子过程,每个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行,这种技术称为流水技术。
Cache块三种状态:
共享:
在一个或多个处理器上具有这个块的拷贝,且主存中的值是最新值(所有Cache均相同)。
未缓冲:
所有处理器的Cache都没有此块的拷贝。
专有:
仅有一个处理器上有此块的拷贝,且已对此块进行了写操作,而主存的拷贝仍是旧的。
这个处理器称为此块的拥有者。
对于一个网络,如果从其中任何一节点看,拓扑结构都是一样的话,则称此网络为对称网络。
消息传递机制:
消息由任意长度固定的包构成。
存储转发:
每个节点有一个包缓冲区,包先进入缓冲区,当所需要的输出通道和接收节点的包缓冲区可用时,就将它传输给下一结点。
虚拟自适应:
将一个物理通道分成几个虚拟的通道,根据后续个虚拟通道的忙闲情况自适应选择后续通道。
虫蚀(wormhole)把包进一步分成小片,硬件路由器有片缓冲区,同一个包中所有片像不可分离的同伴一样,以流水方式顺序传输。
只有片头包含目标地址,所有片必须跟随片头。
并行计算是指同时对多个任务或多条指令、或对多个数据项进行处理。
完成此项处理的计算机系统称为并行计算机系统,它是将多个处理器通过网络以一定的连接方式有序地组织起来。
考题:
比较动态网络中总线、多级网络、交叉开关的特点。
构成动态网络的总线、多级网络、交叉开关中,总线的造价最低,但其缺点是每台处理器可用的带宽较窄。
总线所存在的另一个问题是容易产生故障。
有些容错系统,如用于事务处理的Tandem多处理机等,常采用双总线以防止系统产生简单的故障。
由于交叉开关的硬件复杂性以n2上升,所以其造价最为昂贵。
但是,交叉开关的带宽和路由性能最好。
如果网络的规模较小,它是一种理想的选择。
资源共享:
是用软件的方法让多个用户共用同一套,通过提高系统的利用率来提高系统的性能和效率。
典型例子:
多道程序分时系统、计算机网络和分布处理系统等。
资源重复(ResourceReplication)是在并行概念中引入空间因素,通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能。
多处理机系统是由多台处理机组成的单一系统。
各处理机都有自己的控制部件,可带本地存储器,能执行各自的程序,但都受逻辑上统一的操作系统控制。
处理机之间以文件、单一数据或向量、数组等形式交互作用。
全面实现作业、任务、指令、数据各级的并行。
多计算机系统则是由多台独立的计算机组成的系统。
机间可以互不通信,即使通信也只是经通道或通信线路以文件或数据集形式进行,实现多个作业间的并行。
松散耦合系统:
多台计算机通过通道或通信线路实现互连,共享某些如磁带、磁盘等外围设备,以较低频带在文件或数据集一级相互作用。
紧密耦合(TightlyCoupledSystem)系统或直接耦合系统(DirectlyCoupledSystem)。
多台计算机经总线或高速开关互连,共享主存,有较高的信息传输速率,可实现数据集一级、任务级、作业级并行。
程序再定位的原因:
主存物理地址和逻辑地址不一致。
设计和确定指令系统主要应考虑如何有利于满足系统的基本功能,有利于优化机器的性能价格比,有利于指令系统今后的发展和改进。
CISC(ComplexInstructionSetComputer):
是一种如何进一步增强原有指令的功能以及设置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,机器指令系统日益庞大和复杂。
称为复杂指令系统计算机。
RISC(ReducedInstructionSetComputer):
是一种如何通过减少指令种数和简化指令功能来降低硬件设计的复杂度称,提高指令的执行速度。
按此方向发展,使机器指令系统精简,称这种途径设计成CPU的计算机为精简指令系统计算机。
对存储系统的基本要求是大容量、高速度和低价格。
异常:
由执行现行指令引起的暂停事件,如运算结果溢出、页面失效等属于异常,一般不能屏蔽,应予立即响应和处理。
中断:
则专指那些与当前进程运行无关的请求暂停的事件,如机器故障中断请求、外设中断请求、定时器中断请求等。
中断可以被屏蔽,未被响应的中断源保留在中断字寄存器中,直至屏蔽解除后仍可得到响应和处理。
虚拟存储器:
是从主存容量满足不了要求提出来的。
在主存和辅存之间,增设辅助的软、硬件设备,让它们构成一个整体,所以也称为主存-辅存存储层次。
虚拟存储器对应用程序员是透明的,对系统程序员是不透明的。
Cache存储器:
因主存速度满足不了要求而引出了Cache存储器。
在CPU和主存之间增设高速、小容量、每位价格较高的Cache,用辅助硬件将Cache和主存构成整体,如图4-2所示,称之为Cache存储器(或称为Cache-主存存储层次)。
由于CPU与主存的速度只差一个数量级,信息在Cache与主存之间的传送就只能全部用辅助硬件实现,因此,Cache存储器不仅对应用程序员而且对系统程序员都是透明的。
基于计算机程序具有局部性,它包括时间上的局部性和空间上的局部性。
层次的M1级不必存入整个程序,只需将近期用过的块或页(根据时间局部性)存入即可。
在从M2级取所要访问的字送M1时,一并把该字所在的块或页整个取来(根据空间的局部性),就能使要用的信息已在M1的概率显著增大这是存储层次构成的主要依据。
时间上的局部性:
指的是在最近的未来要用到的信息很可能是现在正在使用的信息,这是因为程序存在循环。
空间上的局部性:
指的是在最近的未来要用到的信息很可能与现在正在使用的信息在程序空间上是邻近的,这是因为指令通常是顺序存放、顺序执行,数据通常是以向量、阵列、树形、表格等形式簇聚地存放的。
流水线向下扩展指的是把子过程进一步地细分,让每个子过程经过的时间都同等程度地减少,吞吐率就会进一步提高。
流水的向上扩展可理解为在多个处理机之间流水。
多个处理机串行地对数据集处理,各处理机专门完成其中的一个任务。
因为各处理机都在同时工作,所以能流水地对多个不同的数据集进行处理,可较大地提高计算机系统的处理能力。
流水线的效率是指流水线中的设备实际使用时间占整个运行时间之比,也称流水线设备的时间利用率。
流水线局部性相关的处理方法:
采用分布式控制和管理,并设置公共数据总线,以简化各种相关的判别和实现相关直接通路的连接。
究竟间隔几拍送入下一个任务,才既不发生功能段使用冲突,又能使流水线有较高的吞吐率和效率,是流水线调度要解决的问题。
向量的流水处理方式:
横向(水平)处理、纵向方式处理和分组纵横处理方式。
交换开关是具有两个入端和两个出端的交换单元,用作各种多级互连网络的基本构件。
多处理机是指有两台以上的处理机,共享I/O子系统,机间经共享主存或高速通信网络通信,在操作系统控制下,协同求解大而复杂问题的计算机系统。
使用多处理机有两个目的:
①一个目的是想通过多台处理机对多个作业、任务进行并行执行来提高求解大而复杂问题的速度,从而提高系统的整体性能。
②另一个目的则是使用冗余的多个处理机,通过重新组织来提高系统的可靠性、适应性和可用性。
监视Cache协议法主要有:
写作废法和写更新法。
①写作废法:
当某台处理机首次将数据写入自身Cache中某一信息块的同时,也将其写入主存,并且利用这个写主存操作信号通知总线上所有其他处理机的Cache控制器,将总线上给出的地址与各自的Cache目录表中的信息块地址作比较。
如果存有这个信息块的副本,都应把此副本作废。
如果还有信息要写入该信息块时,主存块也作废,直到这个块要被替换时,才写回主存。
②写更新法:
是通知总线上所有其他处理机的Cache控制器,如有此副本的,都进行更新。
这种把所有副本信息块更新的做法叫写更新法,或者叫播写法。
目录表的原理
这种方法要建立一个目录表。
目录表中的每一项中记录一个数据块的使用情况,包括用几个标志位分别指示这个信息块的副本在其他几个处理机的Cache中是否存在。
例如,用0表示对应此位之Cache中没有该副本,用1表示对应此位之Cache中有该副本。
另外,还设一个标志位记录是否已有Cache向这个信息块写入过。
有了这个目录表后,一个处理机在写入自身Cache的同时,只需有选择地通知所有其他存有此数据块的Cache将副本作废或
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 体系结构