X86,MIPS,ARMCPU体系结构特点.

X86,MIPS,ARMCPU体系结构特点.
X86,MIPS,ARMCPU体系结构特点.

在回答以下问题之前我们有必要说明一下什么是处理器体系结构和体系架构。

体系架构:

● CPU架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范,主要目的是为了● 区分不同类型CPU的重要标示。目前市面上的CPU主要分有两大阵营,一个是intel系列CPU,另一个是AMD系列

CPU。

体系结构:

● 在计算世界中, "体系结构"一词被用来描述一个抽象的机器,而不是一个具体的机器实

现。一般而言,一个CPU的体系结构有一个指令集加上一些寄存器而组成。“指令集”与“体系结构”这两个术语是同义词。

问题一:X86,MIPS,ARM三块cpu的体系结构和特点

X86:

X86采用了CISC指令集。在CISC指令集的各种指令中,大约有20%的指令会被反复使用,占整个程序代码的80%。而余下的80%的指令却不经常使用,在程序设计中只占20%。

● 总线接口部件BIU

总线接口部件由4个16位段寄存器(DS,ES,SS,CS)、一个16位指令指针寄存器(IP)、20位物理地址加法器、6字节指令队列(8088为4字节)及总线控制电路组成,负责与存储器及I/O端口的数据传送。

● 执行部件EU

执行部件由ALU、寄存器阵列(AX,BX,CX,DX,SI,DI,BP,SP)、标志寄存器(PSW)等几个部分组成,其任务就是从指令队列流中取出指令,然后分析和执行指令,还负责计算操作数的16位偏移地址。

寄存器的结构

1)数据寄存器AX、BX、CX、DX均为16位的寄存器,它们中的每一个又可分为高字节H和低字节L。即AH、BH、CH、DH及AL、BL、CL、DL可作为单独的8位寄存器使用。不论16位寄存器还是8位寄存器,它们均可寄存操作数及运算的中间结果。有少数指令指定某个寄存器专用,例如,串操作指令指定CX 专门用作记录串中元素个数的计数器。

2)段寄存器组:CS、DS、SS、ES。8086/8088的20位物理地址在CPU内部要由两部分相加形成的。SP、BP、SI、DI是用以指明其偏移地址,即20位物理地址的低16位;而CS、DS、SS、ES是用以指明20位物理地址的高16位的,故称作段寄存器。

4个存储器使用专一,不能互换,CS识别当前代码段,DS识别当前数据段,SS 识别当前堆栈段;ES识别当前附加段。一般情况下,DS和ES都须用户在程序中设置初值。

3)控制寄存器组:IP和FLAG。指令指针IP用以指明当前要执行指令的偏移地址(段地址由CS提供)。标志寄存器FLAG有16位,用了其中的九位,分两组:状态标志和控制标志。前者用以记录状态信息,由6位组成,后者用以记录控制信息由3位组成。6位状态标志,包括CF、AF、OF、SF、PF和ZF,它反映前一次涉及ALU操作的结果,对用户它“只读不写”。控制标志包括方向标志DF,中断允许标志IF及陷阱标志TF,中断允许标志IF及陷阱标志TF,可通过指令设置。

MIPS:

● 所有指令都是32位编码;有些指令有26位供目标地址编码;有些则只有16位。因此要想加载任何一个32位值,

就得用两个加载指令。16位的目标地址意味着,指令的跳转或子函数的位置必须在64K以内(上下32K);

● 所有的动作原理上要求必须在1个时钟周期内完成,一个动作一个阶段;有32个通用寄存器,每个寄存器32位(对32位机)或64位(对64位机);本身没有任何帮助运算判断的标志寄存器,要实现相应的功能时,是通过测试两个寄存器是否相等来完成的;所有的运算都是基于32位的,没有对字节和对半字的运算(MIPS里,字定义为32位,半字定义为16位);没有单独的栈指令,所有对栈的操作都是统一的内存访问方式。因为push和pop指令实际上是一个复合操作,包含对内存的写入和对栈指针的移动;由于MIPS固定指令长度,所以造成其编译后的二进制文件和内存占用空间比x86的要大,(x86平均指令长度只有3个字节多一点,而MIPS是4个字节);寻址方式:只有一种内存寻址方式。

就是基地址加一个16位的地址偏移;内存中的数据访问必须严格对齐(至少4字节对齐);跳转指令只有26位目标地址,再加上2位的对齐位,可寻址28位的空间,即256M;条件分支指令只有16位跳转地址,加上2位的对齐位,共18位寻址空间,即256K; MIPS默认不把子函数的返回地址(就是调用函数的受害指令地址)存放到栈中,而是

存放到$31寄存器中;这对那些叶子函数有利。如果遇到嵌套的函数的话,有另外的机制处理;

高度的流水线:

*MIPS指令的五级流水线:(每条指令都包含五个执行阶段)

第一阶段:从指令缓冲区中取指令。占一个时钟周期;

第二阶段:从指令中的源寄存器域(可能有两个)的值(为一个数字,指定

$0~$31中的某一个)所代表的寄存器中读出数据。占半个时钟周期;

第三阶段:在一个时钟周期内做一次算术或逻辑运算。占一个时钟周期;

第四阶段:指令从数据缓冲中读取内存变量的阶段。从平均来讲,大约有3/4的指令在这个阶段没做什么事情,但它是指令有序性的保证。占一个时钟周期;第五阶段:存储计算结果到缓冲或内存的阶段。占半个时钟周期;

所以一条指令要占用四个时钟周期;

ARM:

ARM处理器是一个32位元精简指令集(RISC)处理器架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。

● RISC(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机)

RISC体系结构应具有如下特点:

1)采用固定长度的指令格式,指令归整、简单、基本寻址方式有2~3种。

2)使用单周期指令,便于流水线操作执行。

3)大量使用寄存器,数据处理指令只对寄存器进行操作,只有加载/ 存储指令可以访问存储器,以提高指令的执行效率。

● ARM体系结构还采用了一些特别的技术,在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积,

并降低功耗:

1)所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行,从而提高指令的执行效率。

2)可用加载/存储指令批量传输数据,以提高数据的传输效率。

● 寄存器结构

ARM处理器共有37个寄存器,被分为若干个组(BANK),这些寄存器包括:1)31个通用寄存器,包括程序计数器(PC指针),均为32位的寄存器。

2)6个状态寄存器,用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态,均为32位,目前只使用了其中的一部分。

● 指令结构

ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集:ARM指令集和Thumb指令集。其中,ARM指令为32位的长度,Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集,但与等价的ARM代码相比较,可节省30%~40%以上的存储空间,同时具备32位代码的所有优点。

问题二:arm 和 x86在体系架构上的区别和各自的优点

Arm 使用 RISC 结构。X86使用 CISC 结构。

所以要说明两者的区别需要从RISC , CISC 的结构特点来入手:

● CISC和RISC的比较

CISC:

CISC体系的指令特征使用微代码。指令集可以直接在微代码记忆体(比主体的速度快很多)里执行,新设计的处理器,只需增加较少的电晶体就可以执行同样的指令集,也可以很快地编写新的指令集程式。有庞大的指令集。

CISC体系的优缺点

优点:

能够有效缩短新指令的微代码设计时间,允许设计师实现CISC体系机器的向上相容。新的系统可以使用一个包含早期系统的指令超集合,也就可以使用较早电脑上使用的相同软体。另外微程式指令的格式与高阶语言相匹配,因而编译器并不一定要重新编写。

缺点:

指令集以及晶片的设计比上一代产品更复杂,不同的指令,需要不同的时钟周期来完成,执行较慢的指令,将影响整台机器的执行效率。

RISC:

1)精简指令集包含了简单、基本的指令,透过这些简单、基本的指令,就可以组合成复杂指令。

2)每条指令的长度都是相同的,可以在一个单独操作里完成。

3)大多数的指令都可以在一个机器周期里完成,并且允许处理器在同一时间内执行一系列的指令。

RISC体系的优缺点:

优点:

在使用相同的晶片技术和相同运行时钟下,RISC系统的运行速度将是CISC的2~4倍。由于RISC处理器的指令集是精简的,它的记忆体管理单元、浮点单元等都能设计在同一块晶片上。RISC处理器比相对应的CISC处理器设计更简单,

所需要的时间将变得更短,并可以比CISC处理器应用更多先进的技术,开发更快的下一代处理器。

缺点:

多指令的操作使得程式开发者必须小心地选用合适的编译器,而且编写的代码量会变得非常大。另外就是RISC体系的处理器需要更快记忆体,这通常都集成于处理器内部,就是L1 Cache(一级缓存)。

综合上面所述,若要再进一步比较CISC与RISC之差异,可以由以下几点来进行分析:

1、指令的形成

CISC因指令复杂,故采用微指令码控制单元的设计,而RISC的指令90%是由硬体直接完成,只有10%的指令是由软体以组合的方式完成,因此指令执行时间上RISC较短,但RISC所须ROM空间相对的比较大,至于RAM使用大小应该与程序的应用比较有关系。

2、定址模式

CISC需要较多的定址模式,而RISC只有少数的定址模式,因此CPU在计算记忆体有效位址时,CISC占用的汇流排周期较多(是什么?)。

3、指令的执行

CISC指令的格式长短不一,执行时的周期次数也不统一,而RISC结构刚好相反,故适合采用管线处理架构的设计,进而可以达到平均一周期完成一指令的方向努力。因此,在设计上RISC较CISC简单,同时因为CISC的执行步骤过多,闲置的单元电路等待时间增长,不利于平行处理的设计,所以就效能而言RISC 较CISC还是站了上风,但RISC因指令精简化后造成应用程式码变大,需要较大的程式记忆体空间,且存在指令种类较多等等的缺点。

综上来分析X86和ARM的区别:

X86指令集有以下几个突出的缺点:

通用寄存器组——对CPU内核结构的影响X86指令集只有8个通用寄存器。所以,CISC

的CPU执行是大多数时间是在访问存储器中的数据,而不是寄存器中的。这就拖慢了整个系统的速度。

RISC系统往往具有非常多的通用寄存器,并采用了重叠寄存器窗口和寄存器堆等技术使寄存器资源得到充分的利用。

● 解码——对CPU的外核的影响

解码器,这是x86CPU才有的东西。其作用是把长度不定的x86指令转换为长度固定的类似于RISC的指令,并交给RISC内核。解码分为硬件解码和微解码,对于简单的x86指令只要硬件解码即可,速度较快,而遇到复杂的x86指令则需要进行微解码,并把它分成若干条简单指令,速度较慢且很复杂。

寻址范围小——约束了用户需要

(优点见CISC优点)

ARM指令集的特点:

● 体积小,低功耗,低成本,高性能;

● 支持 Thumb ( 16 位) /ARM ( 32 位)双指令集,能很好的兼容 8 位 /16 位器件;●

ARM的一些非RISC思想的指令架构:

● 允许一些特定指令的执行周期数字可变,以降低功耗,减小面积和代码尺寸。

● 增加了桶形移位器来扩展某些指令的功能。

使用了16位的Thumb指令集来提高代码密度。使用条件执行指令来提高代码密度和性能。使用增强指令来实现数据信号处理的功能。大量使用寄存器,指令执行速度更快;大多数数据操作都在寄存器中完成;寻址方式灵活简单,执行效率高;指令长度固定;流水线处理方式 Load_store结构:在RISC中,所有的计算都要求在寄存器中完成。而寄存器和内存的通信则由单独的指令来完成。而在CSIC中,CPU是可以直接对内存进行操作的。

小结:

X86采用CISC,具有大量的复杂指令、可变的指令长度、多种的寻址方式这些CISC的特点,也是CISC的缺点,因为这些都大大增加了解码的难度,而在现在的高速硬件发展下,复杂指令所带来的速度提升早已不及在解码上浪费点的时间。除了个人PC市场还在用X86指令集外,服务器以及更大的系统都早已不用CISC了。x86仍然存在的理由就是为了兼容大量的x86平台上的软件,同时,它的体系结构组成的实现不太困难。

ARM采用的RISC体系最大特点是指令长度固定,指令格式种类少,寻址方式种类少,大多数是简单指令且都能在一个时钟周期内完成,易于设计超标量与流水线,寄存器数量多,大量操作在寄存器之间进行,因此有较快运行速度。因此,

ARM处理器才成为是当前最流行的处理器系列,是几种主流的嵌入式处理体系结构之一。

问题三:给出intel和amd在体系架构上的区别和各自的优点

INTEL与AMD在体系架构上的区别最主要的是在于微架构和连接架构的区别。INTEL在微架构方面胜于AMD,而AMD 在连接架构上胜于INTEL。

先来说明一下微架构和连接架构:

INTEL微架构上的优点:

英特尔的Core微架构具有四发射能力,即每个周期可以同时对4条x86指令进行解码,Core微架构还结合了微指令融合和宏指令融合两项优化技术,同时可以对多达5~6条指令进行处理。显然,在频率相同的情况下,处理器的指令并行度越高,实际性能就越强。正因为这方面的优势,Core 2 Duo处理器才能够在较低的频率下保有超越高频Pentium 4的卓越性能。

AMD 微架构上的缺陷:

AMD K8微架构同时只能对3条指令进行解码,也没有任何指令优化技术,并行能力远逊于英特尔的“Core”以及Pentium M家族所采用的“P6增强”微架构。INTEL连接结构上的缺陷:

英特尔平台处理器通过前端总线与北桥芯片连接(北桥芯片包括图形接口控制器和内存控制器两个逻辑单元),北桥芯片通过特定的总线与南桥芯片连接(南桥芯片则负责I/O扩展,包括存储、网络、音频、内部扩展总线(PCI、PCI Express x1)、外部连接总线(并口、串口、USB)等等)。

● 处理器必须通过“前端总线”与北桥芯片相连,然后再经由单/双通道“内存总线”才

能与内存系统实现数据交换,那么只有当前端总线的带宽高于内存总线时,处理器才能够充分利用内存资源。而由于技术上的限制,前端总线难有大幅度提升的空间,这就注定内存瓶颈难以消除。

● 内存的访问延迟——由于需要前端总线和北桥芯片的中转,处理器的内存延迟较长,导

致处理器必须浪费很多时间在数据等待上,处理器即便拥有一流的微架构,也难以充分发挥潜能。

AMD连接架构上的优点:(集成内存控制器+芯片直连总线)

以AMD K8处理器为例子,K8的连接架构特点:

● 将内存控制器集成于处理器内部,处理器核心与内存控制器通过超高速、低延时的内部● 总线连接;引入通用的HyperTransport总线技术,实现处理器与处理器、处理器与I/O芯片组之间

的高速直连。微架构:它描述的是处理器最基础的指令执行部分,包括执行的方式和运算单元构成等。连接架构:描述的是处理器和各部分芯片组等的连接方式和数据传输等。如果说微架构决定了计算机大脑的智商,那么连接架构所决定的就是神经系统的敏锐程度,这两者相辅相成,从不同的角度对系统性能产生着重大影响。

● 这两项技术有效改变了传统连接方案的弊病,让处理器得以充分发挥自身潜能而不会被

内存系统拖后腿,同时也有利于构建更强大的多路并行计算系统。

在多路服务器领域,集成内存控制器的设计让每颗处理器都拥有属于自己的内存系统,不会再有任何因资源分享造成的性能降低或存取冲突之类的问题,系统的多路扩展也变得更加容易。

● HyperTranport更大的意义体现在多处理器的扩展——AMD K8微架构中包含三个独立的

HyperTranport控制器,可支持三路HyperTranport总线输出,这三路总线可以根据需要同其他的处理器和I/O控制芯片连接,进而建立起一套完整的高性能计算单元。结合上述两项技术,K8微架构非常适合用于构建超级计算机系统。

● 现在内存控制器由处理器所整合,芯片组的功能仅剩下图形接口控制器/整合图形和I/O

扩展,这两个部分的功能都非常稳定,没有迫切升级的必要,而且处理器与芯片组连接的HyperTranport总线也是非常稳定。计算机的主板就变成一个规格稳定的承载平台,用户如果要进行硬件升级,只要更换处理器或升级内存即可。从用户的角度来看,选择AMD平台可以让计算机拥有更长的生命周期,相比之下,英特尔当前的Core 2 Duo平台就缺乏这个优势。

问题四:针对目前的多核cpu,目前软件编程上存在哪些问题?提出解决问题方案或设想。

多核心处理器与之前的单核心处理器有很大的不同就是它需要软件的支持,只有基于线程化的软件硬应用上多核心处理器才能发挥出应有的效能,因此多核心处理器的最大问题就是软件问题。之所以要提出多核心处理器,就要涉及到CPU 的性能发展趋势:

之前CPU性能的提升主要靠:

1、时钟速度

2、执行优化

3、缓存

现在由于物理技术的限制,1,2两点已经频临极限。剩下3可以使用。

所以如今主要的提升方向为:

1、超线程

2、多核

3、缓存

其中多核正如上面所说的只有写得较好的多线程应用才能真正发挥多核的作用。单线程应用无法享受到好处。正如早期编程从结构化到面向对象编程的改革,多核的出现使软件编程面临了有一个改革:并发程序的编写。

并发程序的编写是困难的:

因为大多数计算机和编程语言发明之初就是按照冯·诺依曼理论进行设计的。根据冯·诺依曼的理论,CPU是按照程序指令,一条条取出来并顺序执行的。而在多核或者多CPU的计算机中,同时会有多条指令在执行,与在单个顺序处理器中通过交替执行不同任务来造成并行的假象不同,针对多核和多CPU平台开发的软件是真正的并行软件,有多个执行内核(或者多CPU)参与计算,为了充分发挥多核(多CPU)的能力,就要尽可能地让各个执行内核

(或者多CPU)均衡工作。

不过,多核对于不用应用领域的软件影响并不相同:

第一类是传统的科学计算用户,他们的软件大部分是高性能计算专家写的,也多是并行的,他们对MPI、OpenMP等并行编程模型也已经掌握。对这类用户而言,多核提供的是更高性能的执行平台,他们下一步工作是对进行高性能计算的系统软件针对多核优化,但这不是当前最主要的问题。所以对这类用户来说,多核的应用基本不存在太大困难。

第二类是一般意义上提到的服务器用户,如银行以及搜狐、Google这样的互联网公司,它们主要的业务特征是并发的访问。这些应用具有天然的并行性,如多用户的访问本身就是并行的。对于这些服务器、数据库处理而言,多核同样也为他们提供了一个便宜而且高性能的计算平台,面临的挑战也不是很大。

第三类是移动用户和桌面用户,他们是面临挑战最大的群体。这些用户的原有大部分程序都是串行的,如大部分串行程序是用Visual Basic语言编写的,怎样为这类用户提供很好的并发编模型和开发环境,以帮助他们开发有效的并行程序,这是多核应用最重大的挑战。

其实,多核软件的开发所遇到的难题并不新鲜,因为本质上多核软件与多CPU

软件没有多大区别,这就是并行程序设计的问题。并行程序设计很早就有人开始研究,而且很多人一直在进行这方面的研究。

解决方法:

● 开发一款较为成熟的多线程编程工具,多线程编译器和多线程分析工具。有助于并发程

序的开发。

● 逐渐将适应于多核计算机的多线程编程的课程代入大学课堂,激发多线程研发潜力。

软件体系结构总结

第一章:1、软件体系结构的定义 国内普遍看法: 体系结构=构件+连接件+约束 2、软件体系结构涉及哪几种结构: 1、模块结构(Module) 系统如何被构造为一组代码或数据单元的决策 2、构件和连接件结构(Component-And-Connector,C&C) 系统如何被设计为一组具有运行时行为(构件)和交互(连接件)的元素 3、分配结构(Allocation) 展示如何将来自于模块结构或C&C结构的单元映射到非软件结构(硬件、开发组和文件系统) 3、视图视点模型 视点(View point) ISO/IEC 42010:2007 (IEEE-Std-1471-2000)中规定:视点是一个有关单个视图的规格说明。 视图是基于某一视点对整个系统的一种表达。一个视图可由一个或多个架构模型组成 架构模型 架构意义上的图及其文字描述(如软件架构结构图) 视图模型 一个视图是关于整个系统某一方面的表达,一个视图模型则是指一组用来构建 4、软件体系结构核心原模型 1、构件是具有某种功能的可复用的软件结构单元,表示了系统中主要的计算元素和数据存储。 2.连接件(Connector):表示构件之间的交互并实现构件

之间的连接 特性:1)方向性2)角色3)激发性4)响应特征 第二章 1、软件功能需求、质量属性需求、约束分别对软件架构产生的影响 功能性需求:系统必须实现的功能,以及系统在运行时接收外部激励时所做出的行为或响应。 质量属性需求:这些需求对功能或整个产品的质量描述。 约束:一种零度自由的设计决策,如使用特定的编程语言。 质量原意是指好的程度,与目标吻合的程度,在软件工程领域,目标自然就是需求。 对任何系统而言,能按照功能需求正确执行应是对其最基本的要求。 正确性是指软件按照需求正确执行任务的能力,这无疑是第一重要的软件质量属性。质量属性的优劣程度反映了设计是否成功以及软件系统的整体质量。 系统或软件架构的相关视图的集合,这样一组从不同视角表达系统的视图组合在一起构成对系统比较完整的表达

计算机系统结构复习总结

计算机系统结构复习总结

计算机系统结构复习总结 一、计算机系统结构概念 1.1 计算机系统结构:程序员所看到的计算机的基本属性,即概念性结构与功能特性。 *注意:对不同层次上的程序员来说,由于使用的程序设计语言不同,可能看到的概念性结构和功能特性会有所不同。 1.2 计算机系统的层次结构 现代计算机是一种包括机器硬件、指令系统、系统软件、应用程序和用户接口的集成系统。 现代计算机结构图 *注意:计算机结构的层次模型 依据计算机语言广义的理解,可将计算机系统看成由多级“虚拟”计算机所组成。

从语言层次上画分可得下图: 计算机结构的层次模型 1.3计算机系统结构组成与实现 计算机系统结构:是计算机系统的软件与硬件直接的界面 计算机组成:是指计算机系统结构的逻辑实现 计算机实现:是指计算机组成的物理实现*计算机系统结构、组成与实现三者间的关系: 计算机系统结构不同会影响到可用的计算机组成技术不同,而不同的计算机组成又会反过来影响到系统结构的设计。因此,计算机系统结构的设计必须结合应用来考虑,要为软件和算法的实现提供更多更好的硬件支持,同时要考虑可

能采用和准备采用哪些计算机组成技术,不能过多或不合理地限制各种计算机组成、实现技术的采用与发展。 计算机组成与计算机实现可以折衷,它主要取决于器件的来源、厂家的技术特长和性能价格比能否优化。应当在当时的器件技术条件下,使价格不增或只增很少的情况下尽可能提高系统的性能。 1.4 计算机系统结构的分类 计算机结构分类方式主要有三种: (1)按“流”分类 按“流”分类法是Flynn教授在1966年提出的一种分类方法,它是按照计算机中 指令流(Instruction Stream)和数据流(Data Stream)的多倍性进行分类。指令流是指机 器执行的指令序列,数据流是指指令流调用 的数据序列。多倍性是指在计算机中最受限 制(瓶颈最严重)的部件上,在同一时间单 位中,最多可并行执行的指令条数或处理的 数据个数。 *注意:按“流”分类法,即Flynn分类法的逻

计算机体系结构知识点

目录 第一章计算机系统结构基本概念 (2) (一) 概念 (2) (二) 定量分析技术 (3) (三) 计算机系统结构发展 (4) (四) 计算机的并行性 (5) 第二章计算机指令集结构 (7) 一. 指令集结构的分类 (7) 二. 寻址方式 (7) 三. 指令集结构的功能设计 (8) 四. 指令格式的设计 (10) 五. MIPS指令集结构 (10) 第三章流水线技术 (14) 一. 流水线的基本概念 (14) 二. 流水线的性能指标 (14) 三. 流水线的相关与冲突 (16) 四. 流水线的实现 (18) 第四章指令集并行 (18) 付志强

第一章计算机系统结构基本概念 (一)概念 什么是计算机系统结构:程序员所看到的计算机属性,即概念性结构与功能特性. 透明性:在计算机技术中,把本来存在的事物或属性,但从某种角度看又好像不存在的概念成为透明性. 常见计算机系统结构分类法 冯氏分类法(冯泽云):按最大并行度对计算机进行分类. Flynn分类法:按指令流和数据流多倍性进行分类 ①单指令流单数据流 ②单指令流多数据流 ③多指令流单数据流(不存在) ④多指令流多数据流 付志强

(二)定量分析技术 Amdahl定律:加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比,受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比. 加速比=系统性能 改进后 系统性能 改进前 = 总执行时间 改进前 总执行时间 改进后 加速比依赖于以下两个因素 ①可改进比例 ②部件加速比 CPU性能公式 CPU时间 CPU时间=执行程序所需时间的时钟周期数x时钟周期时间(系统频率倒数) CPI(Cycles Per Instruction) CPI =执行程序所需时钟周期数/所执行指令条数 ∴CPU时间= IC x CPI x 时钟周期时间 可知CPU性能取决于一下三个方面 ①时钟周期时间:取决于硬件实现技术和计算机组成 付志强

计算机系统结构学习心得

计算机系统结构学习心得 姓名: 班级: 学号:

在大四上学期课程中对于计算机系统结构的学习已经结束,老师细心的讲解,耐心的辅导,是我从中学到很多的知识。 从中我了解到计算机系统结构(Computer Architecture)也称为计算机体系结构,它是由计算机结构外特性,内特性,微外特性组成的。经典的计算机系统结构结构的定义是指计算机系统多级层次结构中机器语言机器级的结构,它是软件和硬件固件的主要交界面,是由机器语言程序、汇编语言源程序和高级语言源程序翻译生成的机器语言目标程序能在机器上正确运行所应具有的界面结构和功能。计算机系统结构指的是什么? 是一台计算机的外表? 还是是指一台计算机内部的一块块板卡安放结构? 都不是,那么它是什么? 计算机系统结构就是计算机的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。用一个不恰当的比喻一,比如动物吧,它的"系统结构"是指什么呢? 它的概念性结构和功能特性,就相当于动物的器官组成及其功能特性,如鸡有胃,胃可以消化食物。至于鸡的胃是什么形状的、鸡的胃部由什么组成就不是"系统结构"研究的问题了。系统结构只管到这一层。关于计算机系统的多层次结构,用"人"这种动物的不恰当的例子列表对比如下。计算机系统,人,应用语言级,为人民服务级,高级语言级,读书、学习级,汇编语言级,语言、思维级,操作系统级,生理功能级,传统机器级,人体器官级,微程序机器级,细胞组织级,电子线路级,分子级。传统机器级以上的所有机

器都称为虚拟机,它们是由软件实现的机器。软硬件的。功能在逻辑上是等价的,即绝大多部分硬件的功能都可用软件来实现,反之亦然。计算机系统结构的外特性,一般应包括以下几个方面(这也就是我们要分章学习的几个章节)把这几个方面弄清了,系统结构也就基本明确了:(1)指令系统 (2)数据指令 (3)作数的寻址方式 (4)寄存器的构成定义 (5)中断机构和例外条件 (6)存 储体系和管理 (7)I/O结构 (8)机器工作状态定义和切换 (9)信息保护。所以在以后的学习中常回头想想这是系统结构的哪一方面,这对把握全局有好处。这里提一下计算机系统结构的内部特性,计算机系统结构的内特性就是将那些外特性加以"逻辑实现"的基本属性。所谓"逻辑实现"就是在逻辑上如何实现这种功能,比如"上帝"给鸡设计了一个一定大小的胃,这个胃的功能是消化食物,这就是鸡系统的某一外特性,那怎么消化呢,就要通过鸡喙吃进食物和砂石,再通过胃的蠕动、依靠砂石的研磨来消化食物,这里的吃和蠕动等操作就是内特性。还有一个就是计算机实现,也就是计算机组成的物理实现。它主要着眼于器件技术和微组装技术。拿上面的例子来说,这个胃由哪些组织组成几条肌肉和神经来促使它运动就是"鸡实现"。据此我们可以分清计算机系统的外特性、内特性以及物理实现之间的关系。在所有系统结构的特性中,指令系统的外特性是最关键的。因此,计算机系统结构有时就简称为指令集系统结构。我们这门课注重学习的是计算机的系统结构,传统的讲,就是处在硬件和软件之间介面的描述,

计算机测试系统发展综述

计算机测试系统发展综述 来源:牌技研究中心 https://www.360docs.net/doc/1d1491867.html, 摘要: 计算机测试系统通常作为设备或武器系统的一个不可缺少的组成部分,其测试性能是衡量设备或武器系统优劣的一项重要指标。其应为基于标准总线的、模块化的开放式体系结构且具备虚拟仪器特点。通过分析和比较VXI总线和PXI总线特点,给出了计算机测试系统的发展方向。归纳出了计算机测试系统应具备的9个方面功能。给出了设计和研制计算机测试系统应遵循的基本原则。 关键词: 测试系统;VXI总线; PXI总线 测试技术涉及到众多学科专业领域,如传感器、数据采集、信息处理、标准总线、计算机硬件和软件、通信等等。测试技术与科学研究、工程实践密切相关,两者相辅相成,科学技术的发展促进了测试技术的发展,测试技术的发展反过来又促进了科学技术的进步。 测试仪器发展至今,大体经历了5 代: 模拟仪器、分立元件式仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。自上个世纪80年代以来,伴随微电子技术和计算机技术飞速发展,测试技术与计算机技术的融合已引起测试领域一场新的革命。1986 年美国国家仪器公司提出“虚拟仪器”即“软件就是仪器”的概念。虚拟仪器是卡式仪器的进一步发展,是计算机技术应用于仪器领域而产生的一种新的仪器类型,它以标准总线作为测试仪器和系统的基本结构框架,配置测量模块,通过软件编程实现强大的测量功能。在虚拟仪器系统中,用灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件,用人的智力资源代替物质资源,特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析,使仪

器中的一些硬件、甚至整件仪器从系统中“消失”,而由计算机的硬软件资源来完成它们的功能。另外,通过软件可产生许多物理设备难以产生的激励信号以检测并处理许多以前难以捕捉的信号。虚拟仪器是计算机技术和测试技术相结合的产物,是传统测试仪器与测试系统观念的一次巨大变革。 测试技术和设备涉及国民经济和国防建设的各行各业,先进的电子测试设备在众多行业的科研、生产和设备维护使用过程中起着举足轻重的作用。特别是在电子产品、航空航天、武器装备、工业自动化、通信、能源等诸多领域,只要稍微复杂一点的涉及到弱电的系统(或装置)都要考虑测试问题。测试系统是设备或装备的一个必不可少的组成部分,如武器系统的维护维修离不开测试设备。一个系统(或装置)测试功能的完备与否已成为衡量其设计是否合理和能否正常运行的关键因素之一。 测试仪器和系统在国民经济和国防建设中起着把关和指导者的作用,它们广泛应用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工和国防科研等行业。测试仪器和系统从生产现场各个环节获得各种数据,进行处理、分析和综合,通过各种手段或控制装置使生产环节得到优化,进而保证和提高产品质量。在武器系统科研试验现场,测试仪器和系统可获得试验中各个阶段和最终试验数据,用于及时发现试验中出现的问题和给出试验结论,并为后续相关试验提供依据。因此,测试仪器与系统对于提高科研和试验效率,加快武器试验进程和保证试验安全至关重要。以雷达、综合电子战为代表的军事电子领域,以预警机、战斗机、卫星通信、载人航天和探月工程为代表的航空、航天领域及以导弹武器系统为代表的兵器领域等都离不开测试设备,它是这些装备和系统正常使用和日常维护及维修所必备的。 1 系统类型 现代的测试系统主要是计算机化系统,它是计算机技术与测量技术深层次结合的产物。随着计算机技术的发展,构成测试系统的可选择性不断加大,按照测试功能要求,可构成多种类型的计算机测试系统。在计算机测试系统分类问题上并没有严格的统

软件体系结构综述

软件体系结构研究综述 班级:软件092 学号:17 姓名:陈世华摘要: 近年来,软件体系结构逐渐成为软件工程领域的研究热点以及大型软件系统与软件产品线开发中的关键技术之一.归纳了软件体系结构技术发展过程及其主要研究方向.在分析了典型的软件体系结构概念之后,给出了软件体系结构的定义.通过总结软件体系结构领域的若干研究活动,提出了软件体系结构研究的两大思路,并从7个方面介绍了软件体系结构研究进展.探讨了软件体系结构研究中的不足之处,并分析其原因.作为总结,给出了软件体系结构领域最有前途的发展趋势. 关键词: 软件体系结构;基于体系结构的软件开发;软件体系结构描述语言;软件体系结构描述方法;软件体系结构演化;软件体系结构发现;软件体系结构分析;软件体系结构验证;特定域软件体系结构(DSSA) Abstract: Software architecture (SA) is emerging as one of the primary research areas in software engineering recently and one of the key technologies to the development of large-scale software-intensive system and software product line system. The history and the major direction of SA are summarized, and the concept of SA is brought up based on analyzing and comparing the several classical definitions about SA. Based on summing up the activities about SA, two categories of study about SA are extracted out, and the advancements of researches on SA are subsequently introduced from seven aspects. Additionally, some disadvantages of study on SA are discussed, and the causes are explained at the same time. Finally, it is concluded with some significantly promising tendency about research on SA. Key words: software architecture; architecture-based development; architecture description language; architectural representation and description; architectural evolution and reuse; architectural discovery; architectural analysis; architectural verification and evaluation; domain-specific software architecture (DSSA)

计算机体系结构知识点汇总

第一章计算机体系结构的基本概念 1.计算机系统结构的经典定义 程序员所看到的计算机属性,即概念性结构与功能特性。 2.透明性 在计算机技术中,把这种本来存在的事物或属性,但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。 3.系列机 由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。 4.常见的计算机系统结构分类法有两种:Flynn分类法、冯氏分类法Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类: 单指令流单数据流(SISD) 单指令流多数据流(SIMD) 多指令流单数据流(MISD) 多指令流多数据流(MIMD) 5. 改进后程序的总执行时间

系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比 6.CPI(Cycles Per Instruction):每条指令执行的平均时钟周期数 CPI = 执行程序所需的时钟周期数/IC 7.存储程序原理的基本点:指令驱动 8.冯·诺依曼结构的主要特点 1.以运算器为中心。 2.在存储器中,指令和数据同等对待。 指令和数据一样可以进行运算,即由指令组成的程序是可以修改的。 3.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。 4.指令的执行是顺序的 5.指令由操作码和地址码组成。 6.指令和数据均以二进制编码表示,采用二进制运算。 9.软件的可移植性 一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上正确地运行。差别只是执行时间的不同。我们称这两台计算机是软件兼容的。 实现可移植性的常用方法:采用系列机、模拟与仿真、统一高级语言。 软件兼容: 向上(下)兼容:按某档机器编制的程序,不加修改就能运行于比它高(低)档的机器。 向前(后)兼容:按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序,不加修改地就能运行于在它之前(后)投入市场的机器。 向后兼容是系列机的根本特征。 兼容机:由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。

第一部分计算机系统组成及说明

第一部分:计算机系统组成及说明 一、计算机系统组成 一个完整的计算机系统通常是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。(一)硬件(hardware) 硬件是指计算机的物理设备,包括主机及其外部设备。具体地说,硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。 ①存储器。存储器是计算机用来存放程序和原始数据及运算的中间结果和最后结果的记忆部件。 ②运算器。运算器对二进制数码进行算术或逻辑运算。 ③控制器。控制器是计算机的“神经中枢”。它指挥计算机各部件按照指令功能的要求自动协调地进行所需的各种操作。 ④输入/输出设备(简称I/O设备)。计算机和外界进行联系业务要通过输入输出设备才能实现。输入设备用来接受用户输入的原始数据和程序,并将它们转换成计算机所能识别的形式(二进制)存放到内存中。输出设备的主要功能是把计算机处理的结果转变为人们能接受的形式,如数字、字母、符号或图形。 (二)软件(software) 软件是指系统中的程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档的集合。包括计算机本身运行所需的系统软件和用户完成特定任务所需的应用软件(三)硬件和软件的关系

硬件是计算机的基础,软件对硬件起辅助支持作用,二者相辅相成,缺一不可,只有有了软件的支持,硬件才能充分发挥自己的作用。 二、计算机工作原理 (一)冯·诺依曼设计思想 计算机问世50年来,虽然现在的计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域和价格等方面与当时的计算机有很大的差别,但基本体系结构没有变,都属于冯·诺依曼计算机。 冯·诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点: ①计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。 ②计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中,操作码表示运算性质,地址码指出操作数在存储器的位置。 ③将编好的程序和原始数据送入内存储器中,然后启动计算机工作,计算机应在不需操作人员干预的情况下,自动逐条取出指令和执行任务。 冯·诺依曼设计思想最重要之处在于他明确地提出了“程序存储”的概念。他的全部设计思想,实际上是对“程序存储”要领的具体化。

计算机系统结构复习(个人总结)

第一章: 计算机系统的层次结构:(按照计算机语言从低级到高级) 微程序机器,传统机器语言机器,操作系统机器,汇编语言机器,高级语言机器和应用语言机器。 计算机系统结构: 传统机器程序员所看到的计算机属性,即概念属性和功能特性。 计算机组成: 计算机系统结构的逻辑实现,包括物理机器级中的数据流和控制流的组成和逻辑设计等。计算机实现: 计算机组成的物理实现,包括处理机,主存等物理结构及整机装配技术。(器件技术和微组装技术) 透明性: 在计算机技术中,把这种本来存在的事物和属性,但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。 Flynn分类法是依旧:指令流和数据流的多倍性进行分类的。 冯氏分类发:是按照计算机系统的最大并行度来分类的。 计算机系统设计的定量原则: 1,以经常性事件为重点:在计算机系统中对于经常发生的事件,赋予它优先的处理权和系统使用权。 2,Amdahl定律:加快某部件的执行速度所获得的系统性能的加速比。S n=1 1?F e+F e e (注: Fe=可改进时间比例,Se=性能提高倍数) 3,CPU性能公式:执行一个程序所需要的CPU时间=IC*CPI*时钟周期时间(CPI指令平均时 钟周期=执行程序所需要的时钟周期数/所执行的指令数)CPI=(CPI i?IC i IC ) n i=1 4,程序的局部属性:程序执行时,所访问的存储器地址不是随机分布的,而是相对簇聚的。 包括时间局部性和空间局部性。 计算机系统设计者的主要任务: 1,确定用户对计算机系统的功能,价格和性能的要求。 2,软硬件功能的分配。 3,设计出生命周期长的系统结构。 软件兼容: 一台计算机上的程序不加修改或只需要少量的修改就可以由一台计算机一直到另一台计算机上运行,差别只是执行时间的不同 从中间开始设计:

《计算机系统结构》课程教学大纲

《计算机系统结构》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程代码: 课程名称:计算机系统结构 英文名称:Computer Architecture 课程类别: 专业课 学时:72(其中实验18学时) 学分: 3.5 适用对象: 计算机科学与技术、网络工程专业 考核方式:考试(其中平时成绩占30%,期末考试成绩占70%) 先修课程:计算机组成原理、操作系统 二、课程简介 本课程是计算机专业一门重要的专业基础课,对于培养学生的抽象思维能力和自顶向下、系统地分析和解决问题的能力有非常重要的作用。其目标是使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计和分析方法,并对计算机系统结构的发展历史和现状有所了解。通过学习本课程,能把在“计算机组成原理”等课程中所学的软、硬件知识有机地结合起来,从而建立起计算机系统的完整概念。 This course is a computer professional important foundation for the professional class, for training students in abstract thinking, and top-down, System analysis and the ability to solve problems is a very important role. The goal is to enable students to master computer system structure the basic concepts, basic principles and basic structure, basic design and analysis methods and computer system architecture and the history of the development of an understanding of the status quo. Through the study of this course, can in "Principles of Computer Organization", y the school curriculum of the software and hardware knowledge combined organic, Computer systems in order to establish the integrity of the concept. 三、课程性质与教学目的 《计算机系统结构》的教学对象为计算机相关专业的高年级本科生专业技术基础课程,目的是介绍计算机体系结构的概念、技术和最新动态,着重介绍软,硬件功能分配以及如何最佳、最合理地实现软、硬件功能分配。要求了解基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法。使学生对计算机系统结构、组成和实现有一个整体掌握。 四、教学内容及要求 第一单元计算机系统结构的基本概念

计算机系统结构知识点复习考点归纳总结

0.从(使用语言的)角度可以将系统看成是按(功能)划分的多个机器级组成的层次结构 1、从计算机系统执行程序的角度看,并行性等级由低到高分为(指令内部)、(指令之间)、(任务或进程之间)和(作业或程序之间)四级。 2、从计算机系统中处理数据的并行性看,并行性等级从低到高分为(位串字串)、(位并字串)、(位串字并)和(全并行)。 3、存储器操作并行的典型例子是(并行存储器系统和相联处理机),处理机操作步骤并行的典型例子是(流水线处理机),处理机操作并行的典型例子是(阵列处理机),指令、任务、作业并行的典型例子是(多处理机)。 4、开发并行的途径有(时间重叠),资源重复和资源共享。 5、计算机系统多级层次中,从下层到上层,各级相对顺序正确的应当是(微程序机器级,传统机器语言机器级,汇编语言机器级)。 6、对系统程序员透明的应当是(CACHE存储器、系列机各档不同的数据通路宽度、指令缓冲寄存器) 7、对机器语言程序员透明的是(主存地址寄存器) 8、计算机系统结构包括(机器工作状态、信息保护、数据表示) 9、对汇编语言程序员透明的是(I/O方式中的DMA访问) 10、属计算机系统结构考虑的是(主存容量和编址方式) 11、从计算机系统结构上讲,机器语言程序员所看到的机器属性是(编程要用到的硬件组织) 12、计算机组成设计考虑(专用部件设置、控制机构的组成、缓冲技术) 13、在多用户机器上,应用程序员能使用的指令是(“执行”指令、“访管”指令、“测试与置定”指令) 14、软硬件功能是等效的,提高硬件功能的比例会(提高解题速度、提高硬件成本、减少所需存储器用量) 15、下列说法中正确的是(软件设计费用比软件重复生产费用高、硬件功能只需实现一次,而软件功能可能要多次重复实现、硬件的生产用比软件的生产费用高) 16、在计算机系统设计中,比较好的方法是(从中间开始向上、向下设计)。 17、推出系列机的新机器,不能更改的是(原有指令的寻址方式和操作码)。 18、不同系列的机器之间,实现软件移植的途径包括(用统一的高级语言、模拟、仿真)。 19、在操作系统机器级,一般用(机器语言)程序(解释)作业控制语句。 20、高级语言程序经(编译程序)的(翻译)成汇编语言程序。 21、传统机器语言机器级,是用(微指令程序)来(解释)机器指令。 22、汇编语言程序经(汇编程序)的(解释)成机器语言程序。 23、微指令由(硬件)直接执行。 24、系列机软件必须保证(向后兼容),一般应做到(向上兼容) 25、在计算机系统的层次结构中,机器被定义为(能存储和执行相应语言程序的算法和 数据结构)的集合体 26、优化性能价格比指(在某种价格情况下尽量提高性能)或(在满足性能前提下尽量降低价格)。 27、目前,M0由(硬件)实现,M1用(固件)实现,M2至M5大多用(软件)实现。 28、系列机中(中档机)的性能价格比通常比(低档机、高档机)的要高 29、(计算机组成)着眼于机器级内各事件的排序方式,(计算机体系结构)着眼于对传统机器级界面的确定,(计算机组成)着眼于机器内部各部件的功能,(计算机实现)着眼于微程序设计。 30、计算机系统结构也称(计算机体系结构),指的是(传统机器级)的系统结构。 31、用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法称为(仿真),用机器语言解释

(完整word版)计算机系统结构心得体会

计算机系统结构心得体会 计算机系统结构安排在大学最后一个课程学期上课,这也让我有不一样的感觉,除了从课程学到专业知识之外,我也体会了计算机的乐趣。 计算机系统结构指的是什么? 是一台计算机的外表? 还是是指一台计算机内部的一块块板卡安放结构? 都不是,那么它是什么? 计算机系统结构就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。用一个不恰当的比喻一,比如动物吧,它的"系统结构"是指什么呢? 它的概念性结构和功能特性,就相当于动物的器官组成及其功能特性,如鸡有胃,胃可以消化食物。至于鸡的胃是什么形状的、鸡的胃部由什么组成就不是"系统结构"研究的问题了。 而我在学习这门课程的时候遇到最为困难的问题是流水线问题,包括流水线的工作方式以及流水线的调度对我来说都难以掌握。后来,我请教了同班同学,他们实实在在地给我讲了一遍概念,我从模糊认识也瞬间到了清晰理解。这让我深刻的感到学习不能偷懒,越难的问题越要弄懂概念,越要花时间分析最基本的问题。 是的,计算机系统结构是非常重要的,在计算机学习中起到十分重要的作用。我印象最为深刻的是有趣的上课方式和可爱的老师。 上这门课的老师是我们的张老师,除了专业知识非常渊博之外,课堂相对来说非常民主。最令我觉得有趣的是,老师点到的时候会很搞笑,由于是三个班和在一起上课的,所以老师的名单总是不齐,所

以点名会浪费一部分课堂时间。作为学生时代的我们,多多少少还是喜欢这样的状况的,课堂可以偷懒放松几分钟是非常渴望的。正是因为这样,我也喜欢上这门课程了,也喜欢老师点名,并且很享受这种“小偷懒”,上课效率也特别好。说到老师民主,还有一点,这门课作为考察课,关于考察方式老师也尊重我们的意见,把本来原定的闭卷考试换成课堂考核了,这点也让学生万分佩服。是的,张老师就是这样一个轻松的老师。 时间特别快,计算机系统结构作为大学最后一门课程,我想是让我们从大体概括整个计算机专业吧!最后感谢张老师这一学期对我们教授以及付出!

计算机体系结构综述

体系结构高性能的追求 计算机体系结构是选择并相互连接硬件组件的一门科学和艺术,在人们不断探索研究的过程中,一直在追求计算机的功能、性能、功率以及花费的高度协调,以期达到各方面的最佳状态,在花费、能量、可用性的抑制下,实现计算机的多功能、高性能、低功率、少花费的一个新时代。 根据当前体系结构的发展现状,要实现以上全部要求的一台计算机,还存在着诸多的限制条件,包括逻辑上的以及硬件上的。本篇综述针对2008年的ISCA会议上的几篇论文,经过仔细研读,深刻剖析,这些文章将现在计算机体系结构发展遇到的各种瓶颈列出,并给出了相关的意见及可行的解决方案。 计算机的体系结构范围很广,定义也很宽泛,它包含了指令集的设计、组织、硬件与软件的边界问题等等,同时涉及了应用程序、技术、并行性、编程语言、接口、编译、操作系统等很多方面。作为各项技术发展的中心,体系结构一直在不断地朝前发展。 纵观计算机体系结构一路发展的历史,从60年代中期以前,最早的体系结构发展的早期时代,计算机系统的硬件发展很快,通用硬件已经很普遍,但是软件的发展却很滞后,刚刚起步,还没有通用软件的概念。从60年代中期到70年代中期,体系结构有了很大进步。多道程序、多用户系统引入了人机交互的新概念,开创了计算机应用的新境界,使硬件和软件的配合上了一个新的层次,但是此时的软件由于个体化特性很难维护,出现了“软件危机”。从20世纪70年代中期开始,分布式系统开始出现并流行,极大地增加了系统的复杂性,出现了微处理器并获得了广泛应用。如今计算机的体系结构发展已经进入了第四代,硬件和软件得到了极大的综合利用,迅速地从集中的主机环境转变成分布的客户机/服务器(或浏览器/服务器)环境,新的技术不断涌现出来。尽管如此,计算机在总体上、功能上需要解决的问题仍然存在。随着RISC技术、Cache等创新技术的发展,不仅仅在专业领域,越来越多的PC机也在向此靠拢。在每一次进步与创新的同时使组件的成本降到最低成为最需要考虑的问题。 此次会议上发表的几篇论文,分别从以下几个方面对计算机体系结构的发展与改进进行了探究。 一、新一代服务器的发展 在《Understanding and Designing New Server Architectures for Emerging Warehouse-Computing Environments》一文中,提出了一个改善服务器性能的方案。这篇论文旨在试图理解和为新兴的“仓库计算”环境设计下一代服务器。文中有两个主要的

软件体系结构描述语言ADL综述_bycs

软件体系结构描述语言ADL综述 Advancement of Architecture Description Language (ADL) 引言 60年代的软件危机使得人们重新开始重视软件工程的研究。最初人们选择了“算法+数据结构=程序”的设计模式。但随着软件系统的规模和复杂性越来越大,传统的设计模式已经不能适应要求。同时为了保证软件质量,提高软件的可靠性、可重用行和可维护性,软件设计的核心逐渐转向对系统的总体结构即软件体系结构(Software Architecture)的设计和规范。这类方法主要着眼于软件系统的全局组织形式,在更高层次上把握系统各组件之间的内在联系。并从全局的,整体的角度去理解和分析整个系统的行为和特性,有助于解决当前开发复杂的大型软件所存在的困难。 研究软件体系结构的首要问题是如何描述软件体系结构。目前已有很多表现形式和方法表法、模块连接语言、软构件描述法和体系结构描述语言ADL等。而其中ADL作为形式化的表示软件体系结构的工具呈现出强大的生命力。它提供了规范化的体系结构描述,同时是对软件体系结构进行求精、验证、演化和分析的前提与基础。目前已经成为软件体系结构方向的研究热点。实践工作者将这些ADL应用于实践中,获得了成功。同时,我们应注意到不同的ADL所支持的抽象能力及其提供的分析能力变化很大,学术领域目前对ADL的定义尚未取得一致。 一、软件体系结构的概述 由于对软件体系结构的研究和应用刚刚兴起,许多专家学者从不同的角度和侧面对软件体系结构进行刻画,因此,目前软件体系结构还没有一个标准定义。这里给出一个目前学术领域广泛接受的定义。(D.Garlan&M Shaw,1993)软件体系结构是软件设计过程中的一个层次,在计算过程中的算法设计和数据结构之上,处理总体系统结构设计和描述方面的一些问题。包括总体组织与全局控制结构、通讯协议、同步、数据存取、设计元素的功能分配,物理分布,设计元素的复台,设计方案的选择、评估和实现等。 二、软件体系结构描述语言ADL的概述 2.1对ADL的不同理解 当前在学术界对ADL 的定义尚未取得一致下面的定义大多来源于自身对某种ADL语言的开发所得到的体会。尽管它们不免有以偏概全之赚,但还是为我们了解ADL提供了有价值的信息。 (1)在文[1]中,Tracz定义一个ADL包含4“C”:组件(components) , 连接子(connectors),配置(configurations),约束(constraint s)。 (2)根据其UniCon的经历,Shaw 与同事列出了ADI 应该展示的属

计算机系统结构期末知识点总结

单元1 1.系统结构:由程序员设计者所看到的一个计算机系统的属性,及概念性结构和功能特性。 2.层次结构:第0级和第1级具体实现机器指定功能的中央控制部分;第二级是传统机器语言机器;第三级是操作系统机器;第四级是汇编语言机器;第五级是高级语言机器;第六级是应用语言机器; 电子线路--微程序机器级--传统机器级--操作系统级---汇编语言级--高级语言级--应用语言级4.Amdahl定律:系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占用总执行时间的比例有关。 5. 、 9.CPU时间:一个程序所花的CPU时间(CPU的执行时间,不包括I/O等待时间)。 CPU时间=CPU时钟周期数*时钟周期长度=CPU时钟周期数/频率 CPU时间=(CPI×IC(指令条数))/ 频率 时钟周期:由于计算机的时钟速度是固定的,它的运行周期称为时钟周期。 10.CPI(Cycle Per instruction):每条指令执行时所花费的平均时钟周期数。 ] IC:每个时钟周期平均执行的指令条数 CPI = CPU时钟周期数 / IC 则 CPU时间=(CPI×IC)/ 频率 11.Te:一个标准测速程序的全部执行时间 Ti:其中所有第i种指令的累计时间

13.MIPS(每秒百万条指令数 ):衡量机器性能的唯一可靠的标准就是真正的执行程序的时间,可以用MIPS 来作为衡量程序执行时间的一个指标。优点:直观、方便。主要缺点: (1) 不同指令的执行速度差别很大(2) 指令使用频度差别很大(3)有相当多的非功能性指令 单元2 | 2.数据表示是指计算机硬件能够直接识别,可以被指令系统直接调用的那些数据类型。例如:定点、逻辑、浮点、十进制、字符、字符串、堆栈和向量等 3.数据表示原则:1)缩短程序的运行时间。2)减少CPU 与主存储器之间的通信量。3)这种数据表示的通用性和利用率 4.零地址空间个数:三个零地址空间,两个零地址空间,一个零地址空间,隐含编址方式。 并行存储器的编址技术:高位交叉编址,低位交叉编址。 7.高位交叉编址:扩大存储器容量。低位交叉编址:提高存储器速度。 者一个存储器操作数。对于存储器操作数来说,由寻址方式确定的存储器地址为有效地址。 9.多种寻址方式:显着地减少程序的指令条数,可能增加计算机的实现复杂度和指令的CPI 。 10.寻址方式:立即数寻址方式,寄存器寻址方式,主存寻址方式(直接寻址、间接寻址、变址寻址),堆栈寻址方式。 、 11.指令格式的设计:确定指令字的编码方式,包括操作码字段和地址码字段的编码和表示方式。 指令格式的优化:如何用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息。 12.操作码的三种编码方法:固定长度、Huffman 编码、扩展编码 操作码优化的程度可以用信息熵来衡量。 i n i i p p H 21log ?-=∑= 表示用二进制编码表示n 个码点时,理论上的最短平均编码长度 。 信息冗余量为:R=1-(H/平均码长) 13.码长表示法:哈弗曼树、2-4等长扩展编码,1-2-3-5(3-4)扩展编码、2-8扩展编码法、3-7扩展编码法:长码的前缀不能是短码的操作码 - 14.码点表示法:15/15/15,8/64/512, 计算扩展码点: 1.若(16-x):(2的6次方-1)x=1:9 x=2,则扩展码点为2 则双地址的范围为:0000-1101(14条) 单地址为:1110 *** **0 ,1111 *** **0 126条 零地址为:1110 111 111 *** *** ,1111 111 111 *** *** 128条 2.单地址范围:2的6次方-1=63 1111 000 000 --1111 111 110 双地址范围:2的(6-2)次方-1=15 0000-1110 / 零地址范围:1111 1111 1100 0000----1111 1111 1111 1111 15.单地址指令范围为:2的n 次方-1 (留一个扩展码点)

冯诺依曼体系结构发展综述

冯·诺依曼体系结构发展综述 摘要:本文介绍了冯·诺依曼体系结构的诞生和发展,探讨了制约现代计算机进一步发展的主要因素。指出基础硬件IC生产技术的极限和冯·诺依曼体系结构的缺陷将成为计算机发展的两大瓶颈。调查了现在为了突破冯·诺依曼体系瓶颈各国科学家做出的努力,总结了现在正在研究发展中的几种非冯·诺依曼体系结构计算机。 关键词:冯·诺依曼体系结构;计算机;局限;发展 1冯·诺依曼体系的诞生和发展 1.1冯·诺依曼体系结构概述 众所周知,第一台计算机是诞生于1946年的ENIAC。作为第一台计算机的研制者,数学家冯·诺依曼提出了计算机制造的三个基本原则,即采用二进制逻辑、程序存储执行以及计算机由五个部分组成(运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备),这套理论被称为冯·诺依曼体系结构。该体系结构在创立70年后的今天仍然指导着计算机的制造,冯·诺依曼由此被称为“计算机之父”。对冯体系结构的传承与突破也记载着计算机的发展进程。[1] 1.2冯·诺依曼提下的发展动向 作为经久不哀的经典理论,冯·诺依曼系结构的优点是逻辑清晰、结构简单、实现成本低,缺点是存储的指令和数据共享一条总线,信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈,串行执行指令的方式影响了指令的执行速度。基于该理论的特点,对冯·诺依曼体系结构的三原则的演变角度分析计算机的发展动向。[2] 1.2.1二进制逻辑的演变 计算机诞生前,人类对计算机的逻辑并无清晰的概念,计算机采用什么进制一度成为科学家争论的焦点。基于人类的习惯,计算机采用十进制似乎更符合人类规范,能更好地为人类服务。但是,冯·诺依曼以电子设备存在二种稳态为依据提出了以二进制逻辑作为计算机逻辑基础,沿用至今。取决进制使用的关键在于基本稳态数量,人类普遍有十根手指,十种基本稳态造成了人类使用十进制这一现象。计算机的制造元器件如二极管等,普遍具有通断、高电平低电平、充放电等二种稳态,故而计算机内采用二进制。目前,科学家研究的新型计算机如生物计算机、量子计算机等,其制造元件使用生物分子和量子等,具备的基本稳态数量很多,其内部采用的进制也必然不同。在生物、量子等前沿科技的推动下,未来将很有可能制造出采用十进制的计算机。

计算机系统结构复习总结

1、计算机系统结构:指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构与功能特性。 透明性: 一种本来存在,有差异的事物和属性,从某种角度上看又好像不存在的现象,被称为是“透明性” 2、计算机系统结构、组成与实现三者区别: (1)计算机系统结构-机器语言级的程序员所了解的计算机的属性,即外特性。 (2)计算机组成-计算机系统结构的逻辑实现。 (3)计算机的实现-指其计算机组成的物理实现。 3、计算机按系统的结构分类通常有三种方法: 弗林(FLYNN)分类法 指令流:指令的传送序列。数据流:数据传送、加工的序列。多倍性:在系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。 4、计算机系统的设计原则: (一) 加速那些使用频率高的部件——提高整个计算机性能(二) Amdahl定律(三)程序访问局部性原理 Amdahl定律:系统中某一部件由于采用某种改进的执行方式后,整个系统的性能提高了,其衡量指标为加速比。 加速比=采用改进措施后的性能/采用改进措施前的性能 如果系统性能用执行某任务的时间来表示:加速比=采用改进措施前执行某任务所用时间/采用改进措施后执行某任务所用时间 Amdahl定律可表示为:Sp = Te/ T0 T0= Te(1 –fe + fe /re) Sp:加速比; Te:采用改进措施前执行某任务系统所用的时间; T0:采用改进措施后所需的时间; fe:可改进部分在原系统计算时间中所占的比例,改进前可改进部分占用的时间/改进前整个任务执行时间,总是小于1; re: 性能提高的倍数,改进前可改进部分占用的时间/改进后改进部分的时间,总是大于1。 例1:运行60s的程序中,有20s的运算可加速,则:fe=20/60=33.3% 例2:系统改进后执行程序,可改进部分花费时间为2s,改进前改进部分花费时间为5s,则:re=5/2=2.5 5、CPI:执行每条指令所需的平均时钟周期数 CPI=执行整个程序所需的CPU时钟周期数/程序中指令的总数 IPS:含义是每秒执行的指令条数。MIPS:以百万来计量。 MFLOPS:指每秒百万次浮点操作次数。 持续性能:通过实际测试得到的,即实际值。 7、性能评价结果数据的处理方法: 算术性能平均法: 几何性能平均法: 调和性能平均法: 6、

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