要求:
1、掌握计算机系统结构的层次结构
2、掌握解释、编译两种技术的定义和区别
3、掌握计算机系统结构的分类方法
4、了解计算机系统结构的设计方法
1、计算机系统结构的层次结构:
L0级是微程序机器级。这一级的机器语言是二进制编码的微指令集,是实实在在的二进制语言。
L1级是传统机器级。这一级的机器语言是机器指令集。程序员用机器指令集编写的程序可以由L0级微程序进行解释。
L2级是操作系统虚拟机。这一级机器语言中的多数指令是传级机器级指令。此外还提供操作系统级指令,如打开文件、读/写文件、关闭文件等指令。
L3级是汇编语言虚拟机。这一级的机器语言是汇编语言。用汇编语言编写的程序,首先翻译成L2级和L1级语言,然后再由相应的机器执行。
L4级是高级语言虚拟机。这一级的机器语言是各种高级语言,如C、C++、FORTRAN等。
最外层的L5级是应用语言虚拟机。这一级是为使计算机满足某种用途而专门设计的,因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。
2、编译和解释两种技术的定义和区别
3、计算机系统结构的分类
1)按代分类,通常把计算机系统按其性能与价格的综合指标分为巨型、大型、中型、小型、微型、单片机 等
2)按用途分类,计算机系统可分为科学计算、事务处理、实时控制、家用等计算机。
3)按处理机个数分,计算机系统可分为单处理机,多处理机。
4)按种类分可分为标量处理机,超标量处理机,超流水处理机,向量处理机,机群系统等。
5) 以度分类 度:对数据并行处理的程度。 按度分类: W—字 B—位 S—串行处理 P—并行处理 字串位串 WSBS:纯串行计算机 字串位并 WSBP:具有一定的并行度(常见) 字并位串 WPBS:对多个字的同一位进行处理(位片机) 字并位并 WPBP:全并行(阵列机)
下面从计算机系统结构的并行性能出发,介绍两种常用的分类方法:
1、Flynn分类法
(1) 单指令流单数据流SISD(single instruction stream single datastream);
(2) 单指令流多数据流SIMD(single instruction stream multiple datastream);
(3) 多指令流单数据流MISD(multiple instruction stream single datastream);
(4) 多指令流多数据流MIMD(multiple instruction stream multiple datastream)。
由于实际情况中,采用多指令流处理多数据流才是更有效的方法,因此MISD只是作为理论模型出现,没有投入到实际应用之中。所以MISD类型的计算机平台很少或根本不存在。
2、Handler分类法
处理控制器CPU、算术逻辑部件ALU(或运算部件PE)、位级电路BLC
【例5】 CRAY-1计算机有1个CPU,12个相当于ALU或PE的处理部件,最多可以实现8级流水线。字长为64位,可以实现1~14位流水线处理。所以CRAY-1的系统结构可表示为:
T(CRAY-1)=〈1,12×8,64×(1~14)〉
4、计算机系统结构的设计方法
从上到下设计
从下到上设计
从中间到两头设计(优点:可实现软、硬件人员同时设计,从而加速系统设计进度)
提高并行性的技术途径
1)时间重叠
2)资源重复
3)时间重叠+资源重复