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计算机体系结构基础知识

计算机体系结构

1、计算机体系结构是什么?

▪ 计算机体系结构--传统是研究如何在给定工艺限制和软件要求下设计更好的计算机。最早指的是指令集的设计;

▪ 后来发展为:涉及计算机硬件(逻辑设计和封装技术)、指令集体系结构、微体系结构(存储器系统、互联系统、 CPU等)

▪ 当前信息互联网发展迅速,计算机体系结构的外延进一步 扩展,不再单纯涉及计算机内部,新的计算模式也属于体系结构范畴,包括计算机硬件、计算机软硬件接口、计算机系统级软件等。类似一张蓝图,设定了计算系统主要组件间的互联关系,以及每个组件的整体功能,通常不提供过多细节。由计算机内部扩展到并行、分布式、云计算等。

2、为什么要学习计算机体系结构?软件人员还需要学习体系结构知识吗?

▪ 熟悉计算机软硬件知识,有助于计算系统设计;

▪ 软件人员有助于开发高质量程序,优化程序性能;

▪ 引导研究生进行并行计算等体系结构相关方向的研究工作,掌握基础知识和研究思路,探索技术和方向的融合;

▪ 有助于开展其他方向的研究,共同的性能优化和设计方法引导。

3、现实生活中到底存在哪些类的计算机?分类的标准都是什么?常见的计算机都是什么体系结构,有什么特征?

3.1计算机计算能力分类

---大型机,或者称大型主机,英文名mainframe。大型机使用专用的处理器指令集、操作系统和应用软件。通常是指system/360 开始的一系列的IBM计算机。

---小型机,传统小型机是指采用RISC、MIPS等专用处理器,主要支持 UNIX操作系统的封闭、专用的计算机系统,所以又称RISC服务 器或Unix服务器。

---微型计算机(PC) - 桌面计算机,办公或家庭用的电脑,使用的是x86架构的CPU。

3.2计算机用途分类

▪ 专业计算机 - 图像工作站、工业控制计算机、量子计算机等

▪ 通用计算机 - 办公、编程、娱乐等

3.3经典分类(主流计算机市场)

▪ 个人移动设备 ---一类有多媒体用户界面的无线设备,比如手机、平板电脑等,实时性、存储等要求高。

▪ 桌面计算机 --- PC机,性价比高。

▪ 服务器 ---企业中枢,具有高可用性、高可扩展性以及高吞吐量。

▪ 机群/仓储计算机 --- 一组PC或服务器通过局域网连接起来组成更大型的计算机。相对服务器,组件更加廉价。

▪ 嵌入式计算机 --- 洗衣机、汽车中都有嵌入式微处理器,与个人移动设备类似,指的是无法运行第三方软件。

4、典型计算机体系结构

使用语言或硬件/软件交互的角度划分层次结构

4.1冯.诺依曼模型

4.1.1来源

▪ 最早期的计算机,不存在分层体系结构,编程就是利用各种导线进行接插连线, 费时费力。

▪ ENIAC研究完成之前,John W. Mauchly和J. Presper Eckert设计了一种利用汞延迟线形式的存储设备,来存储指令,从而重新开发或者调试时,无须重新连线,希望用于下一代计算 机EDVAC中。由于ENIAC的保密性,这种设计没有被发表 。

▪ ENIAC计划的外围人员,数学家John Von Neumman则读了前面两位的研究计划后,公开发表了这种设计。后来, 所有存储程序的计算机都被称为使用的是冯.诺依曼架构。

4.1.2组成和执行

▪ 由三部分硬件组成:CPU (中央处理单元):控制单元、算数逻辑单元(ALU)、若干寄存器、程序计数器;主存储器;IO系统

▪ 具有执行顺序指令的处理能力

▪ 主存储器和CPU控制单元包含一条单一路径(物理或逻辑的)叫冯.诺依曼瓶颈

执行周期(取指->译码->执行,循环)操作如下:

- 控制单元从存储器中取下一条程序指令,使用程序计数器确定指令所在的位置。

- 对提取的指令进行译码,变成ALU能够理解的语言。

- 从存储器中取出执行指令所需的各种操作数的数据,并把它们放入 CPU的寄存器中。

- ALU执行指令,并将执行的结果存放到寄存器或者存储器中。

4.1.3改进

▪ 程序和数据通常保存在 慢速访问存储介质(持久化的硬盘)

▪ 在程序执行时,再将这些程序和数据复制到可 快速访问的易失性的存 储介质(RAM)

▪ 体系结构也演化为系统总线模型

- 数据总线将数据从主存储器传送到CPU的寄存器,反之亦然。

- 地址总线负责保持数据总线正在访问的数据的地址。

- 控制总线则负责传送各种必要的控制信号,以指定的信息传输发生的方式。

4.1.4特征

▪ 以运算器为中心。

▪ 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

4.2非冯.诺依曼模型(哈佛模型)

▪ 冯.诺依曼模型占据主流通用计算机设计,但存在冯.诺依曼瓶颈

▪ 非冯.诺依曼模型与冯.诺依曼模型特征不同:比如不把程序和数据存储在存储器或不按顺序处理

▪ 非.冯诺依曼模型为特殊目的设计:图像处理、数字信号处理器(DSP)、媒体处理器(比如可执行一条指令处理一组数据,而不是一条指令处理一个数据)、量子计算机等。

▪ 组织方式:处理器、指令存储器、数据存储器和IO设备

▪ 与冯.诺依曼模型的区别:在程序和数据的存储和访问方式上有所不同,指令与数据存储器相分离

▪ 优势:可分别对于数据存储单元和指令存储单元进行优化

▪ 缺点:不够灵活,需要指定数据、程序存储单元的大小,且不能相互调整

▪ 应用:常用于小型嵌入式系统设计

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