系统分析师之计算机组成与体系结构

知识点：

1. 各种计算机体系结构的特点和应用：采用对称多处理（Symmetrical Multi-Processing，SMP）技术构成系统的结构和主要特点，SMP的适合场所；采用海量并行处理结构（Massive Parallel Processing，MPP）技术构成系统的结构和特点，MPP的适用场所。
2. 构成计算机的各类部件的功能及其相互关系。

计算机的组成与分类

掌握计算机的基本组成和Flynn分类。

计算机主要有6种部件：

（1）控制器：分析和执行指令的部件。所依据的是机器指令。包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序部件、微操作控制信号部件和中断机构。

（2）运算器：（Arithmetic and Logic Unit,ALU）算术逻辑单元，对数据进程算数运算和逻辑运算。由ALU、通用寄存器、多路转换器、数据总线组成。

（3）内存储器（内存、主存）：存储机器指令和数据。

（4）外存储器（外存、辅存）：存储持久化信息。

（5）输入设备

（6）输出设备

注意：现在控制器和运算器统称中央处理器（Central Processing Unit，CPU）

计算机分类

Flynn根据不同的指令流-数据流组织形式，把计算机分成4类：

1. 单指令流单数据流（Single Instruction stream and Single Data stream,SISD）:流水线方式的单处理机
2. 单指令流多数据流（Single Instruction  stream and Multiple Data stream,SIMD）：并行处理机（阵列处理机），相联处理机
3. 多指令流单数据流（Multiple Instruction stream and Single Data stream,MISD）：流水线计算机
4. 多指令流多数据流（Multiple Instruction stream and Multiple Data stream,MIMD）：多处理剂系统，包括MPP和SMP

多级存储器体系

（1）为什么要采用多级存储器体系？

为了确保能够获得尽可能高的存储速率，同时保持较低的成本。

（2）常见的存储器有哪些？

寄存器，Cache（高速缓存），主存储器，磁盘存储器，光盘存储器，磁带等。

数据存取方式：

1. 顺序存取：数据以记录的形式进程组织，对数据的访问必须按特定的现行顺序进行。典型例子是磁带。
2. 直接存取：每个数据块拥有唯一的地址标识，读写装置可以直接移动到目的数据块所在的位置进行访问。存取时间是可变的。典型例子是磁盘存储器。
3. 随即存取：每一个可寻址单元都有自己唯一的地址和读写装置，系统可以在相同的时间内对任意一个存储单元的数据进行访问。典型例子是主存储器。
4. 相联存取：随即存取的一种形式，但选择某一单元进行读写是取决于其内容而不是地址。典型例子是Cache。

主存储器

也叫主存或内存，根据工艺和技术不同，可分为以下几种：

1. RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)：可读可写，断电丢失数据，用于暂存数据。又分为DRAM（动态RAM）和SRAM（静态RAM）。DRAM信息会逐渐消失，需要定时刷新，优点是便宜。SRAM速度快，不用刷新，但是价格高。
2. ROM（Read Only Memory，只读存储器）：用于存放系统程序BIOS（Basic Input Output System）和微程序控制。
3. PROM（Programmable ROM，可编程ROM）
4. EPROM（Erasable PROM，可擦除可编程ROM）
5. E^2PROM(Electrically EPROM，电可擦除可编程ROM)
6. flash memory（闪存）：性能介于EPROM和 E^2PROM之间。
7. CAM（Content Addressable Memory，相联存储器）：基于数据内容进行访问的存储设备（参见Cache技术）。速度最快。

辅存

容量大、可靠性高、价格低。

（1）磁带

顺序存取设备，存取时间长，便宜，容量大，便于携带。
（2）磁盘

磁盘的数据存放于磁道。磁道是磁盘上的一组同心圆，宽度与磁头的宽度相同。

沿磁盘半径方向，每英寸长度内磁道的数目称为道密度（道/英寸，TPI），最外层为0道。

沿磁道方向，单位长度内存储二进制信息的个数称为位密度。

每个磁道存储的位数都是相同的，其位密度由外向内而增加。

磁盘上的数据以块为形式进行存放，称为扇区（sector）。

所有盘面上相同位置的磁道组称为一个柱面（每个柱面有n个磁道），若每个磁盘有m个磁道，则该组磁盘有m个柱面。

磁盘存储容量=n*t*s*b

其中：n为保存数据总盘面数，t为每面磁道数，s为每道扇区数，b为每个扇区存储字节数。

磁盘的存取时间包括寻道时间和等待时间。

寻道时间为磁头移动到目标磁道所需时间（半径方向上）。

等待时间为等待读写的扇区旋转到磁头下方所用时间，一般选用旋转半周所用时间为平均等待时间（磁道方向上）。

磁盘的数据传输速率：磁头找到地址后，单位时间内写入或读出的字节数。

R=TB/T

其中：TB为一个磁道上记录的字节数，T为旋转一周所用时间，R为数据传输速率。

（3）RAID存储器

廉价磁盘冗余阵列（Redundant Array of Inexpensive Disks,RAID）。

（4）光盘

CD（Compact Disk，压缩盘），CD-ROM（Copmact Disk Read-Only Memory）,CD-I（CD-Interactive），DVD（Digital Video Disc），EOD（Erasable Optical Disk）

优点：便宜、容量大、可靠性高、便于携带、制作简单

缺点：只读，存取时间长

Cache

提高CPU数据输入输出速率。容量小、速度快、价格高。

（1）Cache基本原理

依据程序的局部性原理。

h表示对Cache的访问命中率。1-h表示失效率（未命中率）。

命中率提高一小步，系统平均存储周期将会缩短。

未使用Cache时，某操作的存取时间为 m，m为内存读写时间

使用了Cache时，该操作的存取时间为m*(1-h) + h * n，h为Cache命中率，n为Cache读取时间

例如：某计算机主存读写时间为100ns，有一个指令和数据合一的Cache，已知该Cache读写时间的10ns，取指令命中率为98%，取数命中率为95%。在执行某类程序时，约有1/5指令需要存取一个操作数，则每条指令的平均访存时间为：

(1-98%)*100ns + 98%*10ns + 1/5 * ((1-95%)*100ns + 95%*10ns) =  14.7ns

（2）映射机制

当CPU发出访存请求后，存储器地址先被送到Cache控制器以确定所需数据是否已在Cache中，若命中则直接对Cache进行访问。这个过程被称为Cache的地址映射（映像）。常见的映射有直接映射、全相联映射和组相联映射。

a）直接映射

使用随机存储器作为Cache存储器。

多对一的映射关系，一个主存块只能复制到Cache的一个特定位置上去。

优点是实现简单，缺点是不够灵活，Cache的存储空间可能得不到充分利用。

b）全相联映射

使用相联存储器组成Cache存储器。主存的每一页都可以映射到Cache的任一页。

优点是方式灵活，缺点是速度慢，电路难以实现。

c）组相联映射

直接映射和全相联映射的折中方案。

将Cache中的块再分组，通过直接映射决定组号，通过全相联映射决定Cache中的块号。

主存内一组内的块数与Cache的分组数相同。

（3）淘汰算法

当Cache产生一次访问未命中之后，相应的数据同时读入CPU和Cache。当Cache已存满数据后，新数据必须淘汰Cache中的某些旧数据。最常用的淘汰算法有随即淘汰法、先进先出法（First In and First Out，FIFO）和最近最少使用淘汰法（Least Recently Used，LRU）。平均命中率最高的是LRU算法。

（4）写操作

需要保证缓存在Cache中的数据域内存中内容一致。

a）写直达（write through）。写Cache时，数据同时写回内存。

b）写回（write back）。CPU修改Cache的某一行后，相应的数据并不立即写入内存单元，而是当该行从Cache中被淘汰时，才把数据写回内存中。

c）标记法。

输入输出接口

（1）输入输出方式

a）程序控制方式

CPU直接利用I/O指令编程，实现数据的输入输出。

b）程序中断方式

CPU利用中断方式完成数据的输入/输出，当I/O系统与外设交换数据时，CPU无需等待也不必查询I/O状态，当I/O系统完成数据传输后以中断信号通知CPU。

c）DMA方式

使用DMA控制器（Direct Memory Access Controler，DMAC）来控制和管理数据传输。

d）通道方式

通过一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器。

e）输入输出处理机

也叫外围处理机，具有丰富的指令系统和完善的中断系统。

（2）总线和接口

总线是一组互连和传输信息（指令、数据和地址）的信号线是连接计算机系统各个部件之间的桥梁。

a）总线分类

按相对于CPU或其他芯片的位置可分为内部总线（CPU或其他芯片内部）和外部总线。总线速度是制约计算机整体性能的最大因素。

按总线功能可分为地址总线、数据总线和控制总线3类。

按总线在微机中的位置分为机内总线或机外总线（外设标准）。

按功用分为局部总线、系统总线和通信总线。

（3）接口分类

根据外设与I/O模块交换数据的方式，系统接口分为串行接口和并行接口。串行接口一次只能传送1位信息，并行接口一次可传送多位信息。

串行通信又可分为异步通信方式和同步通信方式。

（4）常见接口

a）ESDI（Enhanced Small Drive Interface，加强型小型设备接口），5~10Mbps。

b）IDE磁盘接口，分为普通IDE（1.5Mbps）和增强型IDE（EIDE）接口（150Mbps）。

c）SCSI，大容量存储设备、音频设备和CD-ROM驱动器的一种标准。最大传输速率为5Gbps（640MB/s）。

d）PCMCIA（Personal Computer Memory Card International Assocation，个人计算机内存卡）。广泛应用于计算机的接口标准。又叫PC Card接口。

e）IEEE-1394，又叫i.Link或FireWire。初始数据传输速率为200Mbps，现在有800Mbps。

f）USB。通用串行总线接口。支持热拔插，最多可支持127个设备。USB1.0速率为12Mbps，USB2.0速率为480Mbps，USB3.0为4.8Mbps。

各种体系结构

（1）精简指令系统计算机

复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Compuer，CISC）主要特点：

 

• 指令数量众多，100~250条左右。
• 指令使用频率相差悬殊
• 支持多种寻址方式
• 变长的指令
• 指令可以对存储单元中的数据进行直接处理。

精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC），简化指令，减少指令执行周期数。

主要特点：

 

• 指令数量少
• 指令寻址方式少
• 指令长度固定
• 只提供Load/store指令访问存储器
• 以硬布线逻辑控制为主。
• 单周期指令执行
• 优化的编译器

采用RISC技术的CPU硬件具有如下特点：寄存器数量多；采用流水线组织；控制器的实现采用硬布线控制逻辑电路。

CISC和RISC的简单对比

	CISC	RISC
指令条数	多	只选取最常见的指令
指令复杂度	高	低
指令长度	变化	短、固定
指令执行周期	随指令变化	大多在几个机器同期完成
指令格式	复杂	简单
寻址方式	多	极少
设计访问主存指令	多	只有Load和Store
通用寄存器数量	一般	大量
译码方式	微程序控制	硬件电路
对编译系统要求	低	高

（2）流水线技术

通过并行硬件来提高系统性能的常用方法。将一件任务分解为若干顺序执行的子任务，不同的子任务由不同的执行机构来复杂执行，而这些执行机构可以同时并行工作。

a）参数计算

假设有某种类型的任务，共可分成n个子任务，每个子任务所需时间t，则完成该任务所需时间为nt。以传统方式，完成k个任务所需时间为knt；使用流水线技术执行，则花费时间为nt + （k-1）*t。除了第一个任务需要完整的时间外，其他都通过并行，节省了大量的时间。

如果每个子任务所需时间不同，则其速度取决于执行顺序中最慢的那个，

例如：指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行3部分，且3部分的时间分别为2ns，3ns，1ns，那么最长的是3ns，在设计流水线周期时，以执行时间最长的那个为标准，100条指令全部取完的时间为：（2+3+1）+（100-1）*3 = 303ns。

流水线的吞吐率（ThroughPut rate,TP）是指单位时间内流水线锁完成的任务数量或输出的结果数量。

流水线的加速比（speedup rate）指完成同一批任务，不适用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比。

在上述例子中，303ns的时间内完成了100条指令，从指令角度上看，该流水线的吞吐率为10^9/3.03 = 3.3*10^8/s，加速比为600/3.03 = 2。

b）影响流水线的主要因素

 

• 转移指令，前面的转移指令没完成，流水线就无法确定下一条指令的地址，也就无法向流水线中添加这条指令。
• 共享资源访问冲突
• 响应中断

c）非线性流水线

单流水线方式：nt+(k-1)*t

多流水线方式：nt + (k/m-1)*t

（3）并行处理

a）超级标量处理机，配置了多个功能部件和指令译码电路，采取了多条流水线，可以同时执行多个操作。

b）超级流水线处理机。

c）超长指令字处理机，单指令流多操作码多数据的系统结构。

d）向量处理机。

e）多处理机系统

f）大规模并行处理机，也叫阵列处理机，使用按地址访问的随即存储器，以SIMD方式工作，主要用于要求大量高速进行向量矩阵运算的应用领域。MPP是由众多微处理器组成的大规模并行系统，基于RISC微处理器，被用作开发万亿次甚至更高速的并行系统。

g）对称多处理机，SMP也基于RISC微处理器，与MPP最大的差别就是存储系统。SMP有一个统一共享主存空间，而MPP则是每个微处理器都拥有自己的本地存储器。

按多处理机之间连接的紧密程度，又可分为紧耦合系统和松耦合系统。

紧耦合系统又称为直接耦合系统，是指各处理机之间通过互联网络共享内存。用于并行作业中的多任务，一般处理机是同构的，SMP属于紧耦合系统。

松耦合系统又称为间接耦合系统，是指各处理机间通过共享I/O子系统、通道或通信线路实现机间通信，不共享内存。适合粗粒度的并行计算，MPP属于松耦合系统。

（4）互联网络（ICN）

连接一个计算机系统各个处理单元、存储模块以及各种外部设备，在系统软件控制下，使各个处理单元或各个部件相互通信的硬件网络结构。

并行处理机互联方法：

a）恒等置换：相同编号的输入端与输出端一一对应。左右一样。

b）交换置换：实现二进制地址编号中第0位位值不同的输入端和输出端之间的连接。第0位不一样，其他都一样。

c）方体置换：第k位不一样

d）均匀洗牌置换（Shuffle）：循环左移，最高位放置在最低位上。

e）蝶式置换：最低位和最高位换位置。

f）位序颠倒置换：全部反向。