计算机体系结构--第一章1----体系结构的分类

计组和计算机体系结构区别

计算机组成与计算机体系结构
1.计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现-----怎样实现的
2. 计算机体系结构：性能分析，设计，评估-----为什么要这样实现

外特性 和 内特性

外特性：从程序设计者角度：不需要知道硬件怎么实现的，而是知道功能和结构：例如

• ⑴指令系统⑵数据表示⑶作数的寻址方式⑷寄存器的构成定义⑸中断机构和例外条件⑹存储体系和管理⑺I/O结构⑻机器工作状态定义和切换⑼信息保护
  外特性定义了系统的软硬件功能界面
  
  

内特性：从系统设计人员角度：要知道具体的实现技术逻辑实现

外特性、内特性和物理实现的3这关系

• 外特性---- 1：n ------ 内特性 ----- 1:n ------ 物理实现

系统结构的设计与硬件的设计不同，不可混淆

计算机体系结构定义

研究计算机系统中软硬件之间的界面定义和其上下的功能分配与逻辑实现

侧重于外特性这门课

基本概念

• 软硬件功能在逻辑上是等价的
  – 某一层既可以用软件实现，也可以用硬件来实现，只是灵活性，成本和性能有所不同
• 透明性分析法
  – 本来存在的事务从某个角度看不到。因为是层次体系结构，所以低层对高层透明

体系结构的分类

传统：

• 按处理机个数和种类：单处理机、多处理机、并行处理机、管理按处理机、超标量处理机、超流水线处理机、SMP、MPP
• 按种类和用途：科学计算、事务处理、实时控制、家用

1. 按流分类—Flynn分类法

• 指令流(IS) - 机器执行的指令序列
• 数据流(DS) - 指令流调用的数据序列
• 多倍性 - 在最受限制的元件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大个数

基本模块

• MM ：内存模块，与系统总线相连
• PU：处理单元，从MM处读取数据，处理读取的数据，向MM写入数据
• CU：控制单元，通过总线从MM读取指令，将读出的指令用于控制PU

按照指令流和数据流的多寡，将体系结构分成4种类型

前提说明：CU从MM中取指令，指令控制PU读取MM中的数据

• SISD（单指令流单数据流）

  • CU, PU,MM 串行工作，CU（控制单元）从MM（内存模块）处读取一条指令，每一条指令串行的控制一个PU（控制单元）对MM串行的读取

  • 每个指令部件每次仅译码一条指令，而且在执行时仅为操作部件提供一份数据

  • 顺序执行的单处理器计算机

  • 应用：微型计算机

  • 以加法指令为例，单指令单数据（SISD）的CPU对加法指令译码后，执行部件先访问内存，取得第一个操作数；之后再一次访问内存，取得第二个操作数；随后才能进行求和运算

• SIMD（单指令流多数据流）

  • 一个CU从MM串行的读取指令，每一条指令控制多个PU从MM并行的读取
    
  • PU和MM之间是并行的（多连接），CU和MM之间是串行的（单链接）
  • 适合向量计算--------（计算机中向量计算：并行计算中的一种，操作数和结都以向量形式保存）
  • 合适：阵列处理机、并行处理机

• MISD

  * 没有MISD计算机的原因之一：
  1. 通常PU用于处理简单数据，一般没有多个简单数据需要一组相同处理的需求
  2. 适合多指令处理一个复杂数据的应用，但是单个PU只能处理简单数据，否则PU的复杂度、PU和MM连接的复杂度将大幅提高。
  3. 没有存在的必要性：任何复杂数据都可以分解为简单数据-----可以化为SISD或者SIMD来实现

• MIMD

  • 
  • 多个CU同时从多个MM中读取多条指令，这些指令同时控制多个PU从MM中读取多个数据、处理多个数据、写回数据，各模块之间多连接
  • 各类模块之间的操作全部都是并行的
  • 适合：多处理机

• 从最大并行度分类（冯氏分类法）

  • 最大并行度Pm：指一个系统在单位时间内能够处理的最多二进制位数；Pm数值越大越好

  • 分类：

    • 字串位串：n=1,m=1 ，第一代
    • 字并位串：n>1,m=1
    • 字串位并：n=1,m>1
    • 字并位并：n>1,m>1
    • ATT: n–字宽（一个字同时处理的二进制位数） ； m—位片宽（一个位片能同时处理的字数）

    怎么分类？
    点----表一个计算机系统
    一个系统的最大并行度为： n * m，图形表示：矩形

  • 实际情况：计算机不能总是在最大并行度下进行工作：实际并行度和执行的查程序有关
    
    

• 基于流水线和并行度Handler分类法 ？？？？

  • 分类：
    • 程序控制部件的个数k：
    • 算术逻辑部件或者处理部件（PE）的个数d：
    • 每个算术逻辑部件包含基本逻辑线路（ELC）的套数w：

  t（系统型号）=（k,d,w）对于各个层次的值越大越好