1. 計算機系統知識
1.1 硬體知識
1.1.1 計算機結構
·計算機組成(運算器,控制器,儲存器,i/o部件)
運算器:
對資料進行加工處理，完成算數邏輯運算。
通常由算數邏輯部件(alu),暫存器,多路轉換器,資料匯流排組成.
控制器:
依次訪問程式指令,進行指令解碼,並協調其他裝置.
通常由程式計數器,指令暫存器,指令解碼器,狀態/條件暫存器,時序發生器,微操作訊號發生器等組成.
程式計數器(pc):每取出一條指令,pc內容自動增加乙個值,指向下一條要取得指令.
指令暫存器(ir):存放當前要執行的指令.
指令解碼器(id):對現行指令進行分析,確定指令型別,要完成的操作及定址方式.
時序發生器:產生時序脈衝和節拍點位控制計算機有序的工作.
微操作訊號發生器:綜合各種訊號形成特定的操作序列,完成取指令的執行控制.
儲存器:
具有記憶能力的部件,用來存放程式或資料.
輸入裝置:
把程式和原始資料轉換成計算機中用以表示二進位制的電訊號,輸入到計算機記憶體.
輸出裝置:
把運算結果按照人們要求的形式輸出.
·指令系統(指令,定址方式,cisc,risc)
指令系統:
一台計算機的所有指令組成指令系統.
指令:計算機能執行的基本操作叫做指令.
指令由操作碼和位址碼組成.
操作碼:指明操作的型別和性質.
操作碼的位數決定了指令系統中指令的多少:
指令數=2^操作碼位數
定長操作碼:操作碼的位數和位置固定不變,通常佔據指令最前面的幾位.
擴充套件操作碼:指令較短時,利用某些指令中位址字段減少的位數,擴充套件操作碼的位數.
位址碼:指明運算元(原始的資料)及運算結果存放的位址.
定址方式:
指令中如何提供運算元或提供運算元位址,稱為定址方式或編址方式.
運算元可寄存於:cpu的暫存器(用暫存器名操作),主儲存器(指出儲存單元位址),堆疊(先進後出儲存機制,用棧頂指標sp標記當前位置),外儲存器,外圍裝置.
指令定址方式(2種):
順序定址:把程式首位址賦予pc,根據pc內容從記憶體中取出指令,穩定到達指令暫存器後,pc內容自動加1,指向下一條指令.
轉移定址:若記憶體中取出的指令是轉移指令或者轉子指令,則修改pc內容,指向新的位址執行.
運算元定址方式(5種):
立即定址:指令的位址碼字段給出的不是運算元的位址而是運算元本身,執行時間短.
直接定址:指令的位址碼字段直接給出運算元位址或運算元所在暫存器號.
暫存器定址:指令的位址碼字段直接給出運算元所在的暫存器號.
暫存器間接定址:指令的位址碼欄位在暫存器中給出.
變址定址:指令的位址碼字段給出的位址需要與特定的位址值累加從而得出運算元位址.
cisc:複雜指令計算機,擁有很多且複雜的指令來提高系統的效率.
risc:精簡指令計算機,使用少量結構簡單的指令,提高計算機效能.
risc的特徵:
1,精簡指令數量.
2,簡化指令格式.
3,幾乎所有指令都在乙個機器週期內完成.
4,採用暫存器操作.
5,絕大部分指令採用硬聯控制實現,只有少量指令採用微程式實現.
6,優化編譯程式來支援高階程式語言.
決定計算機執行程式所需時間p的因素：
機器指令數i
執行每條指令的平均週期數cpi
每個機器週期的時間t
p=i*cpi*t
cisi&risc特性比較
典型的risc處理器：dec alpha21164,ibm power pc620,hp pa-8000,sgi mips分部的ts,sun ultra sparc.
流水線技術
通過硬體並行來提高系統效能的常用方法,把一件任務分解為若干順序執行的子任務,有不同的執行機構同時並行執行.
技術特點
1,流水線可以分成若干個相互關聯的子過程
2,實現子過程的功能所需時間盡可能相等
3,形成流水處理,需要一段準備時間
4,指令流不能順序執行時,會使流水過程中斷,再形成流水過程則需要時間
計算執行時間
將某任務分為n個子任務,每個子任務需要時間t,有k個任務需要完成；
傳統方式;t=knt
流水線技術:t=nt+(k-1)t
注意:如果每個子任務所需時間不同,則其速度取決於最慢的乙個(流水線週期=最慢指令週期).
術語:流水線吞吐量:任務數/完成時間
加速比:不採用流水線的執行時間/採用流水線的執行時間
流水線的破壞(3種):不能重疊執行
轉移指令:前面的轉移指令沒有完成,流水線無法確定下一條指令的位址,無法新增此指令到流水線.無條件跳轉指令不影響流水線.
共享資源訪問衝突:後一條指令需要使用的資料與前一條指令發生衝突,或者相鄰的指令使用了相同的暫存器,流水線被破壞.
響應中斷:有中斷請求.
精確斷點法:立即響應中斷,流水線停止.
不精確斷點法:流水線中的指令繼續執行,不再新增指令進入流水線.
·處理器效能
cpu功能:
1,指令控制:控制機器以規定的順序執行程式.
2,操作控制:根據分析產生的操作序列控制部件完成指令規定的操作.
3,時間控制:對微操作實施時間控制,使計算機有條不紊的工作.
4,資料加工:算數邏輯運算.
cpu特性:
指令週期:取出並執行一條指令所用的時間,也稱機器週期.
匯流排週期:cpu從儲存器或i/o埠訪問乙個位元組所需的時間,也稱主振週期.
時鐘週期:cpu處理動作的最小單位,如:賽揚1.8ghz,2.0ghz(個時鐘週期).
關係:1指令週期=n匯流排週期
1匯流排週期=k時鐘週期(k通常為4)
計算計算匯流排資料傳輸速率:
匯流排資料傳輸速率=時鐘頻率/每個匯流排包含的時鐘週期數x每個匯流排週期傳送的位元組數
[, ]
計算機系統速度(指令/秒,事務項/秒):
每秒指令數=時鐘頻率/每個匯流排包含的時鐘週期數/指令平均占用匯流排週期數
每秒事物項=每秒指令數/乙個事務項含有指令的個數
·多處理器(緊耦合系統,松耦合系統,陣列處理機,雙機系統,同步)
並行性是指在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不同的工作.只要在時間上互相重疊,都存在並行性.
並行措施(3種):
1,時間重疊:多個處理過程在時間上相互錯開,輪流重疊使用同一套硬體裝置.主要代表:流水線部件,流水線處理機.
2,資源重複:空間重複,即引入多套硬體裝置共同完成.主要代表:多處理機系統,陣列式處理機(**昂貴不易實現).
3,資源共享:在時間上並行,通過軟體實現.多個使用者按一定時間順序輪流使用同一套硬體裝置(cpu,裝置在工作時間上的重疊).
主要代表:多道程式,分時系統,分布式系統和計算機網路是更高層次上的資源共享.
主要並行技術
並行處理機(陣列處理機)
體系結構:simd(單指令流多資料流)
主要應用:使用向量和陣列等規整資料結構的科學計算與工程計算.
特點:拓撲決定結構,與演算法聯絡,具有專用性.
主要分類:1)具有分布儲存器,2)具有共享儲存器.
多處理機系統
體系結構:mimd(多指令流多資料流)
主要應用:不同的多處理機系統結構可以用於不同的場合.
特點:每台處理機都有控制部件,結構複雜,需專門並行指令來控制併發執行(並行任務派生),需專門的同步措施.
主要分類;1)異構型:時間重疊;2)同構型:處理器相同;3)分布式處理作業系統協同.
並行性發展
單處理機:改進功能部分,按三種重疊措施(主要是時間重疊)來實現.
資源共享:多道程式,分時系統,虛存器=>多終端,遠端終端=>分布式處理系統
資源重複;多儲存塊,多操作部件=>相聯處理機,並行處理機=>同構型多處理機
時間重疊;先行控制,快取記憶體=>指令,操作,巨集流水線=>異構型多處理機
多機系統:多指令流多資料(mimd)系統
網路化:通訊處理機,計算機網路=>計算機區域網=>分布式處理系統
多機互聯:緊耦合系統=>可重構,容錯多處理機=>同構型多處理機
功能專用化:松耦合系統=>高階語言,資料庫處理機=>異構型多處理機
1.1.2 儲存器
計算機系統的記憶裝置,用來存放程式,原始資料,中間結果及最終結果.
訪問方式(4種)
順序訪問:共享讀寫裝置,無資料塊標誌,特定線形順序訪問.代表:磁帶.
直接訪問:共享讀寫裝置,資料分塊,每塊乙個唯一標誌,可直接移到特定資料塊訪問.代表:磁碟.
隨機訪問:每個可定址單元專有讀寫裝置,每個可定址單元均有乙個唯一位址,隨時訪問任何乙個儲存單元.代表:主存.
相聯訪問: 每個可定址單元專有讀寫裝置,每個可定址單元均有乙個唯一位址,根據內容而非位址選擇讀寫點.代表:cache.
·儲存介質(半導體儲存器,磁儲存器,光儲存器)
1,磁芯儲存器.
2,半導體儲存器:cache,主存.
3,磁表面儲存器:磁帶,磁碟,磁卡.
4,光碟儲存器.
5,其他儲存器.
·儲存系統
儲存系統層次結構:cache——主存——輔存
主存——輔存層次: 主存中存放當前執行的程式和所需資料,供cpu直接訪問.外村中存放暫時不用的程式和資料.依靠輔助軟體和硬體的控制實現.
主存——cache層次:加入快取記憶體彌補主存速度的不足,使之與cpu速度相匹配.依靠輔助硬體構成整體.
·主存與輔存
主存:用來存放當前要執行的程式和所需的資料.cpu可直接訪問,速度快.由半導體儲存器組成.
輔存:用來存放暫時不用的程式和資料,並且以檔案的形式儲存.cpu不直接訪問外存中的程式和資料,只用將其調入主存後方可訪問.
·主存型別,主存容量和效能
主存的種類:
ram:隨機儲存器,可讀寫,斷電後資料無法儲存,只能暫存資料.
sram:靜態隨機儲存器,在不斷電時資訊能夠一直保持.
dram:動態隨機儲存器,需要定時重新整理以維持資訊不丟失.
rom:唯讀儲存器,用掩膜技術寫入,常用於存放bios和微程式控制.
prom:可程式設計rom,指能夠一次讀寫,需用特殊的電子裝置寫入.
eprom:可擦除rom,用紫外線照射15~20分鐘可擦去所有資訊,可寫入多次.
e^2prom:電可擦除eprom,可以寫入,但速度慢.
快閃儲存器主存的組成:
儲存體:儲存單元的集合,每個儲存單元可以存放若干二進位制資訊.
位址暫存器:用於存放cpu要訪問的儲存單元位址.
計算機系統基礎知識
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