计算机体系结构

一、概述

计算机系统结构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,主要研究计算机系统的基本工作原理,以及在硬件、软件界面划分的权衡策略,建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念。

1982年,梅尔斯定义了组成计算机系统的若干层次,每一层都提供了一定的功能支持他上面的一层,并把不同层的界面定义为某种类型的体系结构,即指令体系结构。

1984年,拜尔给出了更加广泛的定义:体系结构由结构,组织,实现,性能4个基本方面组成。其中:

      结构:指计算机系统各种硬件的互连,是计算机的概念性结构和功能属性。

      组织:指各部件的动态联系与管理,是计算机体系结构的逻辑实现,包括机器内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

      实现:指各模块设计的组装完成,是计算机组织的物理实现。

      性能:指计算机系统的行为表现。

二、计算机体系结构分类

1.宏观

  按处理机的数量分类,分为单处理系统,并行处理与多处理系统和分布式处理系统。

(1)单处理系统:一个处理单元。

(2)并行处理与多处理系统:两个以上的处理机互连批次通信协调。

(3)分布式处理系统:指物理上远距离而松耦合的多计算机系统。如下图:

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 2.微观

按并行程度分类,有Flynn分类法,冯泽云分类法,Handler分类法和Kuck分类法。

(1)Flynn分类法:按指令流和数据流的多少进行分类。指令流指机器执行的指令序列,数据流指由指令调用的数据序列。有如下分类:

计算机体系结构_第2张图片

 

 

 ①单指令流,单数据流(SISD):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。

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 ②单指令流,多数据流(SIMD):一种采用一个控制器来控制多个处理器,同时对一组数据(又称“数据矢量”)中的每一个分别执行相同的操作从而实现空间上的并行性的技术。

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 ③多指令流,单数据流(MISD):使用多个控制器来异步地控制多个处理器,但是在执行时仅为操作部件提供一份数据。

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 ④多指令流,多数据流(MIMD):是使用多个控制器来异步地控制多个处理器,从而实现空间上的并行性的技术。

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2)冯泽云分类法:按并行度进行分类,所谓并行度Pm指计算机系统在单位时间内能够处理的最大二进制位数。

       ①字串行位串行(WSBS) :同时只对一个字的一位进行处理

  ②字并行位串行(WPBS):同时对许多字的同一位(称位片)进行处理

  ③字串行位并行(WSBP):同时对一个字的全部位进行处理

  ④字并行位并行(WPBP):同时对许多字的全部或部分位进行处理

(3)Handler分类法:在系统中三个层次上按并行程度及流水线处理程度分类

       ①PCU(处理控制器器或宏流水) K级

  ②ALU(算逻部件或指令流水) D级

  ③BLC(位级电路或操作流水) W级

(4)Kuck分类法:用指令流和执行流及其多重性来描述计算及系统控制结构的特征

       ①单指令流单执行流(SISE)

  ②单指令流多执行流(SIME)

  ③多指令流单执行流(MISE)

  ④多指令流多执行流(MIME)

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