[体系结构学习笔记1-4] 系统的发展和并发性的发展

[体系结构学习笔记1-4] 系统的发展和并发性的发展

[1.4.1] 冯·诺依曼结构

存储程序原理的基本点：指令驱动

程序预先存放在计算机存储器中，计算机一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作

需要注意数据流方向

• 特点
  • 以运算器为中心,集中控制。
  • 在存储器中，指令和数据同等对待
  • 存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的
  • 指令的执行是顺序的
  • 指令由操作码和地址码组成
  • 指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算

对系统结构进行的改进

• 输入/输出方式的改进

• 并行处理
• 存储器组织结构发展
• 指令集发展

[1.4.2] 软件对系统结构的影响

软件的可移植性(Portability)是指软件不修改或者只经过少量修改就可以由一台机器移到另一台机器上运行，同一软件可应用于不同的环境。

实现软件移植的技术主要有如下：

统一高级语言

近期困难但长远来看依然是必须解决的重要问题之一

系列机

• 系列机：具有相同的系统结构，但组成和实现技术不同的一系列计算机系统

模拟和仿真

• 模拟和仿真：从指令系统来看，是指要在一种机器的系统结构上实现另一种机器的指令系统

• 模拟（Simulation）：用机器语言程序解释实现软件移植的方法
• 仿真（Emulation）：用微程序直接解释另一种机器指令的方法

模拟

进行模拟工作的A机称为宿主机（Host Machine）；被模拟的B机称为虚拟机（Virtual Machine）

所有为各种模拟所编制的解释程序通称为模拟程序，编制非常复杂和费时
只适合于移植运行时间短，使用次数少，而且在时间关系上没有约束和限制的软件

仿真

进行仿真工作的A机称为宿主机
被仿真的B机称为目标机（Target Machine）

所有为仿真所编制的解释微程序通称为仿真微程序；

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二者的选择

[1.4.3] 并行性的发展

并行性的概念

• 并行性（Parallelism）：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作
  • 同时性（Simultaneity）：两个或两个以上的事件在同一时刻发生
  • 并发性（Concurrency）：两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生
• 目的是为了能并行处理，以提高计算机的效率

提高并行性的技术途径

• 时间重叠: 引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度
• 资源重复: 引入空间因素，以数量取胜。通过重复设置硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能
• 资源共享：这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备

单处理机

在发展高性能单处理机过程中，起主导作用的是时间重叠原理 (部件功能的专用化)
资源重复原理的运用也和普遍(实质是模拟多处理机的功能，形成虚拟机的概念)

多处理机

多机系统遵循时间重叠、资源重复、资源共享原理，发展为3种不同的多处理机：异构型多处理机、同构型多处理机、分布式系统

耦合度：反映多机系统中各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱