代码网站怎么做的,安阳吧 百度贴吧,wordpress 关闭更新警告,成都建设网页公司第9章 计算机体系结构9.1 什么是计算机体系结构计算机系统结构#xff08;Computer Architecture#xff09;也称为计算机体系结构#xff0c;它是由计算机结构外特性#xff0c;内特性#xff0c;微外特性组成的。经典的计算机系统结构的定义是指计算机系统多级层次结构中…第9章 计算机体系结构9.1 什么是计算机体系结构计算机系统结构Computer Architecture也称为计算机体系结构它是由计算机结构外特性内特性微外特性组成的。经典的计算机系统结构的定义是指计算机系统多级层次结构中机器语言机器级的结构它是软件和硬件/固件的主要交界面是由机器语言程序、汇编语言源程序和高级语言源程序翻译生成的机器语言目标程序能在机器上正确运行所应具有的界面结构和功能。 [1] 计算机系统结构指的是什么? 是一台计算机的外表? 还是是指一台计算机内部的一块块板卡安放结构? 都不是那么它是什么? 计算机系统结构就是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性就是计算机的概念性结构和功能特性。用一个不恰当的比喻一比如动物吧它的系统结构是指什么呢? 它的概念性结构和功能特性就相当于动物的器官组成及其功能特性如鸡有胃胃可以消化食物。至于鸡的胃是什么形状的、鸡的胃部由什么组成就不是系统结构研究的问题了。冯·诺依曼计算机的主要特点是存储程序方式指令串行执行并由控制器加以集中控制单元定长的一维线性空间的存储器使用低级机器语言数据以二进制表示单处理机结构以运算器为中心。 [2] 改进后的冯·诺依曼计算机使其从原来的以运算器为中心演变为以存储器为中心。从系统结构上讲主要是通过各种并行处理手段提高计算机系统性能。9.2 计算机体系结构分类按流分类的方法这是Flynn教授提出的按指令流和数据流的多倍性概念进行分类的方法。共有四大类即S-single 单一的 I-instruction 指令 M-multiple 多倍的 D-data 数据SISD 单指令流单数据流传统的单处理机属于SISD计算机。SIMD 单指令流多数据流并行处理机是SIMD计算机的典型代表。中国的YH-I型是此类计算机型。MISD 多指令流单数据流实际上不存在但也有学者认为存在。MIMD 多指令流多数据流包括了大多数多处理机及多计算机系统。中国的YH-Ⅱ型计算机是这种类型的计算机。一般将标量流水机视为SISD类型把向量流水机视为SIMD类型。按并行级和流水线分类这是在计算机系统中的三个子系统级别上按并行程度及流水线处理程度进行分类的方法。SIMD全称Single Instruction Multiple Data单指令多数据流能够复制多个操作数并把它们打包在大型寄存器的一组指令集。多指令流多数据流MIMD是用于实现并行性的技术。MIMD计算机具有多个异步和独立工作的处理器。在任何时钟周期内不同的处理器可以在不同的数据片段上执行不同的指令也即是同时执行多个指令流而这些指令流分别对不同数据流进行操作。MIMD架构可以用于诸如计算机辅助设计、计算机辅助制造、仿真、建模、通信交换机的多个应用领域。 MIMD机器可以是共享存储器或分布式存储器类别。共享存储器机器包括UMA、NUMA、COMA等。分布式存储器机器包括NORAM等。单指令多数据(SIMD)意味着所有并行单元共享相同的指令但它们计算不同的数据。例如执行数组[1,2,3,4]加上[5,6,7,8]得到一个数组[6,8,10,12]。此时共有4个算术单元在工作但它们都可以共享相同的指令此处为“加法”并且所有相同的操作都是同步执行的。下图是表明SIMD的图片SIMD 用于需要大量计算且所有处理器执行相同工作的情况。由于 SIMD 设计简单成本更低速度更快。由于是同步的SIMD 架构中的编程相对容易。SIMD 仅限于少数应用在我们没有相同且独立的任务的情况下使用 MIMD 架构。多指令多数据(MIMD)意味着每个并行单元具有独立的指令因此每个单元都可以在任何时间执行不同的操作一个执行加法另一个可能执行乘法另一个可能执行分支等等。这时可以让程序将函数调用分发给不同的处理器上执行这些核心都是独立的无论它们是在同一芯片上多核、不同的芯片上多处理器还是两者的混合。下图是表明MIMD的图片MIMD 操作可能同步也可能不同步。由于设计的复杂性MIMD 处理器往往很昂贵可以比SIMD解决更复杂的问题。9.3 指令集指令系统有如下两个截然不同的发展方向1.增强原有指令的功能设置更加复杂的新指令实现软件功能的硬化称为CISCx86架构2.减少指令种类和简化指令功能提高指令的运行速度称为RISCARM架构、MIP架构1.复杂指令系统计算机CISC随着VLSI技术的发展硬件成本下降软件成本上升促使人们在指令系统中增加更多、更复杂的指令。主要特点指令系统庞大复杂指令数目在20条以上。指令的长度不固定指令格式多寻址方式多。可以访存的指令不受限制。各种指令执行时间相差很大大部分指令需要多个时钟时期才能完成。控制器大多采用微程序控制有些指令非常复杂以至于无法采用硬连线控制。难以用优化编译生成高效的目标代码程序。2.精简指令系统计算机RISC中心思想要求指令系统简化尽量采用寄存器-寄存器操作指令指令格式力求一致。主要特点选取使用频率最高的一些简单指令复杂指令的功能由简单指令的组合来实现指令长度固定指令格式种类少寻址方式种类少只有Load/Store取数/存数指令访存其余指令都在寄存器之间进行CPU中通用寄存器的数量相当多RISC一定采用指令流水线技术大部分指令的操作都在一个时钟周期内完成以硬布线控制为主不用或少用微程序控制特别重视编译优化工作以减少程序执行时间CISC兼容性更好。3.CISC和RISC的比较与CISC相比RISC的优点更能充分利用VLSI芯片的面积有更高的运算速度便于设计可降低成本提高可靠性有利于编译程序代码的优化对比表微程序使用多个微码来解释复杂指令集中的复杂指令这也是复杂指令为什么可以实现复杂功能的原因。CISCRISC指令系统复杂庞大简单精简指令数目一般大于200条一般小于100条指令字长不固定固定可访存指令不加限制只有Load/Store指令各种指令执行时间相差较大绝大多数在一个周期内完成各种指令使用频度相差很大都比较常用通用寄存器数量较少多目标代码难以用优化编译生成高效的目标代码程序采用优化的编译程序生成代码较为高效控制方式绝大多数为微程序控制绝大多数为组合逻辑控制指令流水线可以通过一定方式实现必须实现9.4 两大结构1冯诺依曼结构中央处理器CPU通过控制器将数据读从输入设备读取到存储器上然后通过运算器对存储器中的数据进行运算最后再通过控制器将运算结果显示到输出设备上这种结构称之为冯诺依曼结构。在冯诺依曼结构中数据存储器和指令存储器在一个存储器上但已经有了分开的概念。2哈佛结构中央处理器先从指令存储器里读取程序指令的内容解码得到数据地址再到相应的数据存储器中读取程序执行所需的数据然后执行这种结构我们称之为哈佛结构。在哈佛结构中数据存储器和指令存储器是分开的两个存储器。3冯诺依曼结构和哈佛结构的区别哈佛结构将数据和指令分开来存储具有较高的执行效率在执行指令的同时可以提前读取下一条指令而且因为数据和指令分开存储在两个存储器中数据和指令就可以采用两种不同的数据长度进行存储。但在程序执行的过程中我们通常要频繁的变化所执行的程序指令这个时候就要对数据和指令占有的存储器从新分配这个时候冯诺依曼结构统一的编码格式就能最大限度的利用资源。ARM核通常是冯诺依曼结构DSP通常采用哈佛结构计算机体系结构主要影响的编译器对高级编程语言影响是透明的9.5 层次存储物理存储器-- 成本约束9.5.1 层次化结构9.5.2 Cache备注可以看到两者的主要差别是冯诺依曼架构不区分数据与指令将两者放在同一内存中而哈佛结构将两者分别存放在Instruction Memory和Data Memory。指令和数据放在一起的后果是取指令和取数据不能同时进行否则会引起访存的混乱。发展到今天CPU的运算速度已经远远超过了访存速度因此CPU必须浪费时间等数据而哈佛构架由于指令和数据是分开存放的所以在等数据的同时可以预取指令CPU的利用率更高。由于指令与数据放在同一内存带来的CPU利用率吞吐率降低就是冯诺依曼瓶颈。9.5.3 局部性原理9.5.4 主存分类9.5.5 主存编址9.5.6 磁盘结构与参数详细了解硬盘的工作原理原来数据的读写这么神奇,数码,数码硬件,好看视频 (baidu.com)9.6 流水线流水线又称装配线工业上的一种生产方式指每一个生产单位只专注处理某一个片段的工作以提高工作效率及产量。按照流水线的输送方式大体可以分为皮带流水装配线、板链线、倍速链、插件线、网带线、悬挂线及滚筒流水线这七类流水线。一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、涨紧装置、改向装置和支承件等组成。cpu流水线技术是一种将指令分解为多步并让不同指令的各步操作重叠从而实现几条指令并行处理以加速程序运行过程的技术。指令的每步有各自独立的电路来处理每完成一步就进到下一步而前一步则处理后续指令。采用流水线技术后并没有加速单条指令的执行每条指令的操作步骤一个也不能少只是多条指令的不同操作步骤同时执行因而从总体上看加快了指令流速度缩短了程序执行时间。为了进一步满足普通流水线设计所不能适应的更高时钟频率的要求高档位处理器中的流水线的深度级数在逐代增多。当流水线深度在5~6级以上时通常称为超流水线结构Super Pipeline。显然流水线级数越多每级所花的时间越短时钟周期就可以设计的越短指令速度越快指令平均执行时间也就越短。流水线技术是通过增加计算机硬件来实现的。它要求各功能段能互相独立地工作这就要增加硬件相应地也加大了控制的复杂性。如果没有互相独立的操作部件很可能会发生各种冲突。例如要能预取指令就需增加指令的硬件电路并把取来的指令存放到指令队列缓冲器中使微处理器能同时进行取指令和分析、执行指令的操作。9.7 总线9.10 嵌入式9.10.1 主处理芯片9.10.2 交叉开发环境9.10.3 初始化过程备注片级初始 》板级初始化》 系统级初始化SOC/CPU 》 UBOOT 》 Linux OS9.10.4 校验码1奇偶校验2CRC3海明码9.11 系统配置与性能评价9.11.1 计算机性能指标9.11.2 阿姆达尔解决方案9.11.3 性能评价方法时钟时钟-》指令数cpu》混合指令cpu 》数据处理cpu内存》多核计算 》基准程序从物理信号 》基准程序 》 典型应用程序 》 真实应用程序备注基准程序是通用基准程序是经过严格精确设计的程序。
