一锰瘸、第一章 計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)

掌握知識(shí)點(diǎn)
1避凝、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用：采用對稱多處理器（symmetric multi-processing SMP）,適用于海量并行處理（massive parallel processing眨补，MPP）
2倒脓、構(gòu)成計(jì)算機(jī)的各類部件的功能及其相互關(guān)系，控制器崎弃、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器安皱、輸入\輸出設(shè)備

1.1計(jì)算機(jī)的組成

1.1.1 計(jì)算機(jī)6中部件艇炎，控制器腾窝、運(yùn)算器、內(nèi)存存儲(chǔ)器驴娃、外存儲(chǔ)器循集、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備咒彤。

計(jì)算機(jī)組成.JPG

• a镶柱、控制器，分析和執(zhí)行指令的部件歇拆，控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作的中心部件，包括程序計(jì)數(shù)器pc厂庇，指令寄存器输吏、時(shí)序部件、微操作控制信號(hào)和中斷機(jī)構(gòu)
• b炼杖、運(yùn)算器，算術(shù)邏輯單元ALU坤邪，對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算。
• c怎静、內(nèi)存儲(chǔ)器黔衡，存儲(chǔ)現(xiàn)場操作的信息與中間結(jié)果，包括機(jī)器指令和數(shù)據(jù)
• d夜牡、外存儲(chǔ)器侣签，如硬盤，長期存儲(chǔ)
• e影所、輸入\輸出設(shè)備，鼠標(biāo)阴幌、鍵盤\顯示器卷中、打印機(jī)
  控制器和運(yùn)算器現(xiàn)在是在CPU中。

1.1.2計(jì)算的分類

關(guān)于分類的幾個(gè)定義：
a背零、指令流无埃，指機(jī)器執(zhí)行的指令序列
b、數(shù)據(jù)流嫉称，指由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列
c、多倍性：指在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時(shí)處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個(gè)數(shù)

• 1壳繁、單指令單數(shù)據(jù)流（single instruction and single data stream SISD），就是順序執(zhí)行的單處理器計(jì)算機(jī)蒿赢，每次對一條指令譯碼渣触，只對一個(gè)操作部件分配數(shù)據(jù)。
• 2皂冰、單指令多數(shù)據(jù)流养篓，（SIM（multi）D），以并行處理機(jī)為代表柳弄，按照同一指令流分配不同的數(shù)據(jù)流
• 3、多指令流單數(shù)據(jù)流峻贮，MISD应闯，具有n個(gè)處理單元挂捻，按n條不同指令處理一個(gè)數(shù)據(jù)流
• 4、多指令多數(shù)據(jù)流骨田，MIMD声怔，多處理機(jī)能進(jìn)行多任務(wù)處理
  其他的分類法
  a、馮氏分類法醋火，單位時(shí)間內(nèi)所能處理的最大二進(jìn)制位數(shù)；b柿冲、handler分類法兆旬，根據(jù)計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行的并行度和流水線；c宿饱、KUCK分類法，用指令流和執(zhí)行流和多倍性來描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特征

1.2 多級存儲(chǔ)器體系

計(jì)算機(jī)采用多級存儲(chǔ)器體系巴刻，包括寄存器蛉签、cache、主存儲(chǔ)器碍舍、外部存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器的存取方式:
1、順序存取妈经，按特定的線性順序存儲(chǔ)捧书，如磁帶
2、直接存取爆哑，每個(gè)數(shù)據(jù)塊有唯一的地址標(biāo)識(shí)舆吮，讀寫裝置可直接移動(dòng)到目標(biāo)數(shù)據(jù)塊，存取時(shí)間可變?nèi)缬脖P
3潭袱、隨機(jī)存取锋恬，存儲(chǔ)器的每個(gè)可尋址單元都具有自己唯一的地址和讀取裝置，可在相同時(shí)間內(nèi)對任意存儲(chǔ)單元進(jìn)行訪問与学，內(nèi)存采用隨機(jī)存取
4、相聯(lián)存取蜗巧，是隨機(jī)存取的一種形式蕾盯，選擇一個(gè)單元進(jìn)行讀寫取決于其內(nèi)容而不是地址蓝丙，cache采用這種方式

1.2.1主存儲(chǔ)器

即主存或內(nèi)存望拖，分為下列幾種;

• a说敏、RAM（ramdom access memory）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，斷電后無法保持盔沫，又分為DRAM（dynamic）和-SRAM（static），DRAM信息會(huì)隨時(shí)間消失拟淮，需進(jìn)行定時(shí)刷新谴忧，SRAM不斷電能一直保持信息，DRAM的密度大于SRAM價(jià)格便宜委造，SRAM速度塊簡單均驶，容量小，價(jià)格高亮垫。
• b伟骨、ROM（read only memory）燃异，只讀存儲(chǔ)器，如BIOS
• c回俐、PROM（programmable ROM）可編程ROM仅颇，可使用特殊設(shè)備進(jìn)行寫入
• d、EPROM（erasable PROM）忘瓦，可以寫多次
• e，EEPROM（electrically EPROM）境蜕，電可擦出rom
• f、閃速存儲(chǔ)售滤，與EEPROM相似台诗，U盤
• g、CAM（content addressable memory）相聯(lián)存儲(chǔ)器弊知，一種基于數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行訪問的存儲(chǔ)設(shè)備氏仗。

1.2.2輔助存儲(chǔ)器

用于存儲(chǔ)當(dāng)前不須立即使用的信息，可以和主存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)呐舔，也叫外存慷蠕，特點(diǎn)是容量大、可靠性高流炕、價(jià)格低。通常的類型有：

• a剑辫、磁帶存儲(chǔ)器渠欺，順序存儲(chǔ)的的設(shè)備
• b、磁盤存儲(chǔ)器胳岂，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于磁道上舔稀，磁道是磁盤上的一組同心圓，最外層為0道产园，每個(gè)磁道存儲(chǔ)的位數(shù)相同，故位密度從外向內(nèi)增加断箫。扇區(qū)秋冰，扇形的存儲(chǔ)區(qū)域，柱面所有盤面上相同位置的磁道組成的一個(gè)柱面埃撵。
  存儲(chǔ)容量=nts*b虽另，n為保持?jǐn)?shù)據(jù)盤面數(shù)，t為每面磁道數(shù)谣拣、s為扇區(qū)數(shù)族展，b為每個(gè)扇區(qū)的字節(jié)數(shù)
  磁盤的存取時(shí)間包括尋道時(shí)間和等待時(shí)間，尋道時(shí)間即尋找磁道的時(shí)間贵涵，等待時(shí)間等到讀寫的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所用時(shí)間恰画，一般選用磁道旋轉(zhuǎn)一周時(shí)間的一半作為平均等待時(shí)間。
  磁盤傳輸速率拴还，單位時(shí)間寫入或讀出的字節(jié)數(shù)片林，R=TB/T，TB為磁道上記錄的字節(jié)數(shù)拇厢，T為磁道旋轉(zhuǎn)一圈所需的時(shí)間
• c孝偎、RAID存儲(chǔ)器
  廉價(jià)冗余磁盤陣列（redundant array of inexpensive disks）
  RAID0即一個(gè)硬盤存儲(chǔ)凉敲，RAID1即鏡像磁盤寺旺，一個(gè)讀寫一個(gè)備份势决。，RAID2此級別以上帶有校驗(yàn)功能陈莽。
  RAID10級虽抄，即建立在RAID0和RAID1之基礎(chǔ)上。
• d私植、光盤存儲(chǔ)器车酣，cd（compact disk）

1.2.3cache緩存

cached的功能是提高CPU數(shù)據(jù)輸入輸出的速率，在CPU和內(nèi)存間設(shè)置cache高速緩存贫悄。
1.cache的基本原理:依據(jù)程序的局部性原理破衔，把內(nèi)存中訪問概率高的放在cache中，CPU先從cache中讀取數(shù)據(jù)嫡丙，cache中無則從內(nèi)存送往cpu和cache读第。
平均存儲(chǔ)周期=t1h+t2（1-h）怜瞒，h是命中率，t1吴汪，t2分別是cache和內(nèi)存的存儲(chǔ)周期
2.映射機(jī)制*
CPU發(fā)出訪問請求，存儲(chǔ)地址送到cache確定是否已在cache中杆融，稱為地址映射霜运。主存和cache將均分成容量相同的塊蒋腮。
直接映射：以隨機(jī)存取存儲(chǔ)器作為cache存儲(chǔ)器池摧，是一種多對一的映射關(guān)系激况。
缺點(diǎn)：每個(gè)主存頁只能復(fù)制到某一固定的cache頁，即主存中的每個(gè)區(qū)的第0頁只能進(jìn)入到cache的第0頁宦棺。塊沖突率非常高黔帕。

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4. 寫操作 為保證cache中的數(shù)據(jù)與內(nèi)存中的內(nèi)容一致演熟。
   a 寫直達(dá) ，當(dāng)要寫cache時(shí)兄纺，數(shù)據(jù)同時(shí)寫回內(nèi)存
   b 寫回 write back化漆，cpu修改一cache的某一塊后，數(shù)據(jù)不立即寫入內(nèi)存疙赠，而是當(dāng)塊從cache中被淘汰時(shí)朦拖，才把數(shù)據(jù)寫回內(nèi)存。寫設(shè)置標(biāo)志位捍岳。
   c 標(biāo)記法睬隶，對cache中每一個(gè)數(shù)據(jù)設(shè)置一個(gè)有效位理疙。

1.3流水線

可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的重疊執(zhí)行，提高工作效率砖顷。 這樣就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的重疊執(zhí)行赃梧，提高工作效率。 這樣就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的重疊執(zhí)行物咳，提高工作效率蹄皱。

1.3.1 流水線周期

最耗時(shí)的那一段所消耗的時(shí)間為流水先周期芯肤。即最大值压鉴。

1.3.2 計(jì)算流水線執(zhí)行時(shí)間

T=第一條指令執(zhí)行時(shí)間+（n-1）*流水線周期 n代表處理的任務(wù)數(shù)量

1.3.3 流水線吞吐率 through put rate TP

單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量
最大吞吐率為 tpmax=1/t t為流水線周期

1.3.4 流水線加速比

完成同樣一批任務(wù)油吭，不使用流水線所使用的時(shí)間與使用流水線所用的時(shí)間之比稱為加速比 speedup ratio
s=nkt/(k+n-1)t

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