系统架构设计-计算机组成与体系结构

Posted 2021-08-08 小毕超

一、计算机硬件的组成

控制器。控制器是分析和执行指令的部件，也是统一指挥并控制计算机各部件协调工作的中心部件，所依据的是机器指令。控制器的组成包含如下：

1. 程序计数器PC：存储下一条要执行指令的地址；
2. 指令寄存器IR：存储即将执行的指令；
3. 指令译码器ID：对指令中的操作码字段进行分析解释；
4. 时序部件：提供时序控制信号。

运算器。运算器也称为算术逻辑单元（ArithmeticandLogicUnit，ALU），其主要功能是在控制器的控制下完成各种算术运算和逻辑运算。

二、计算机系统分类

1. 存储程序的概念

“存储程序”的概念是冯•诺依曼等人于1946年6月首先提出来的，它可以简要地概括为以下几点：

1. 计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。
2. 计算机内部采用二进制来表示指令和数据。
3. 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。

2. Flynn 分类

1966年，Michael．J．Flynn 提出根据指令流、数据流的多倍性特征对计算机系统进行分类（通常称为 Flynn 分类法），有关定义如下。

1. 指令流：指机器执行的指令序列；
2. 数据流：指由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果，但不包括输出数据。

3. 复杂指令集系统CISC和精简指令集系统 RISC

CISC 指令系统的特点

1. 指令数量众多。指令系统拥有大量的指令，通常有 100～250 条。
2. 指令使用频率相差悬殊。最常使用的是一些比较简单的指令，仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频率却占80%。而大部分复杂指令却很少使用。
3. 支持很多种寻址方式。支持的寻址方式通常为 5～20 种。
4. 变长的指令。指令长度不是固定的，变长的指令增加指令译码电路的复杂性。
5. 指令可以对主存单元中的数据直接进行处理。典型的 CISC 通常都有指令能够直接对主存单元中的数据进行处理，其执行速度较慢。
6. 以微程序控制为主。CISC 的指令系统很复杂，难以用硬布线逻辑（组合逻辑）电路实现控制器，通常采用微程序控制。

RISC 指令系统的特点

1. 指令数量少。优先选取使用频率最高的一些简单指令和一些常用指令，避免使用复杂指令。只提供了 LOAD（从存储器中读数）和 STORE（把数据写入存储器）两条指令对存储器操作，其余所有的操作都在 CPU 的寄存器之间进行。
2. 指令的寻址方式少。通常只支持寄存器寻址方式、立即数寻址方式和相对寻址方式。
3. 指令长度固定，指令格式种类少。因为 RISC 指令数量少、格式少、相对简单，其指令长度固定，指令之间各字段的划分比较一致，译码相对容易。
4. 以硬布线逻辑控制为主。为了提高操作的执行速度，通常采用硬布线逻辑（组合逻辑）来构建控制器。
5. 单周期指令执行，采用流水线技术。因为简化了指令系统，很容易利用流水线技术，使得大部分指令都能在一个机器周期内完成。少数指令可能会需要多周期，例如， LOAD/STORE 指令因为需要访问存储器，其执行时间就会长一些。
6. 优化的编译器：RISC 的精简指令集使编译工作简单化。因为指令长度固定、格式少、寻址方式少，编译时不必在具有相似功能的许多指令中进行选择，也不必为寻址方式的选择而费心，同时易于实现优化，从而可以生成高效率执行的机器代码。
7. CPU 中的通用寄存器数量多，一般在 32 个以上，有的可达上千个。
   大多数 RISC 采用了 Cache 方案，使用 Cache 来提高取指令的速度。而且，有的 RISC 使用两个独立的 Cache 来改善性能。一个称为指令 Cache，另一个称为数据 Cache。这样，取指令和取数据可以同时进行，互不干扰。

三、层次化的存储结构

存储器中数据常用的存取方式有顺序存取、直接存取、随机存取和相联存取四种。

1. 磁带存储器采用顺序存取的方式
2. 磁盘存储器采用直接存取的方式
3. 主存储器采用随机存取的方式
4. Cache 采取相联存取的方式

如上题，计算有多少个地址单元和存储位，首先根据题目为AC000H到C7FFFH，那么首先计算中间相差多少内存，即 C7FFFH + 1 - AC000H = 1C000H，由于1k 转为 2 进制的话为 10000000000，而1C000H 转为二进制为 0001 1100 0000 0000 0000 ，后者除以前者即 1110000 ，再将 1110000 化为十进制即 0111 0000 => 64 + 32 + 16 = 112 即第一个选B，又因为内存地址按字（16bit）编制，由28片存储器芯片构成，即一个存储单元存储： 112 * 16 / 28 * 16 = 4，即选A。

磁盘存储

一台硬盘驱动器中有多个磁盘片，每个盘片有两个记录面，每个记录面对应一个磁头，所以记录面号就是磁头号。

磁盘访问时间（存取时间） = 寻道时间+旋转延迟时间

上题，由题意可知磁道被划分为11个物理块，磁盘旋转周期为33ms，即一个物理块需要3毫秒，又因为使用单缓冲区，每个记录需要3ms，即直接读取一个物理块 需要 3 + 3 = 6ms 的时间，但由于是使用磁盘结构，需要考虑寻到时间，可以分析当磁头在R0的开始处时，读取数据需要花费3ms 读取数据，然后还需3ms 放入缓冲区中，在放入缓冲区时磁盘的旋转是不会停止的即R0读取和放入缓冲区结束，磁头应该在R2的开始处，此时读取R1的数据需要磁盘旋转一周到R1的开始处，就需要耗费 （11 - 1）3 = 30ms的时间，即读取后面的都该如此，即总时长应该为 (30 + 3 + 3) * 10 + （3 + 3 ）= 366 ms，此时即为最长时间，由上面的分析可以看出耗时主要在 寻转一周 到上一个物理块的地方，加入没有这个处理速度肯定会大大提高，那怎么优化呢，分析下，上面的情况，就是每个物理块都是顺序排列的，读完R0 ，R1就被转过去了，读完R1 而 R2又被转过去了，那如果改为 间隔着放的，R0读完放入缓冲区被来到R2的开始处，将R2换为R1，同理下面都换位，就没有旋转一周的时间，那此时耗时就为 （3 + 3） 11 = 99ms。

四、流水线

流水线技术把一个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负责执行，而这些机构可以同时并行工作。在任一时刻，任一任务只占用其中一个执行机构，这样就可以实现多个任务的重叠执行，以提高工作效率。

计算流水线执行时间

流水线执行时间=第1条指令的执行时间+（n-1）*流水线周期

流水线的吞吐率

流水线的最大吞吐率

流水线的加速比

流水线的效率

五、性能评测

性能指标，是软、硬件的性能指标的集成。在硬件中，包括计算机、各种通信交换设备、各类网络设备等；在软件中，包括：操作系统、协议以及应用程序等。