系统分析师-第二章(计算机组成与体系结构 B)

输入输出(I/O)接口

• I/O系统的工作方式
  • 程序控制：CPU使用I/O指令编程控制，需要不停的查询I/O系统是否完成指令
  • DMA 使用DMA控制器(Direct Memory Access)和CPU共享系统总线，在进行DMA时 CPU放弃系统总线控制器 [处理速度最快，CPU无需介入]
  • 程序中断 当I/O系统与设备交换数据时，CPU无需等待数据交换，当数据交换完成时I/O系统发送中断信号通知CPU，CPU保存现场后，完成I/O系统后续动作后，返回中断现场 [对突发时间做处理]
  • 通道 通过通道程序管理I/O系统和控制器，每当用户请求启动外设时，会构造通道程序和通道状态字
    • 字节多路通道
    • 选择通道
    • 数据多路通道
  • I/O处理机 相比通道方式，指令更丰富，有局部存储器，适用于大型机
• 总线原理：从两个或两个以上源部件传送信息（指令、数据和地址）到一个或多个部件的一组传输线, 如一根传输线仅用于连接 一个源部件(输出)和一个或多个目的部件(输入),则不称为总线
• 总线分类
  • CPU与其他芯片位置划分
    • 内部总线（适用范围：CPU内部的ALU，寄存器，控制部件之间的数据通信）
    • 外部总线（适用范围：***CPU与其他组件 ***RAM、ROM和I/O设备的数据通路）
  • 功能划分
    • 数据总线 传输数据
    • 地址总线 传输地址
    • 控制总线 传输控制信号量
    • 工业标准 ISA总线 划分 98条线，数据线16条，地址线24条，其余是控制线
  • 总线在计算机的位置
    • 机内总线 CPU与其他芯片的连接
    • 机外总线 与外设相连的接口标准
  • 总线扩展
    • 局部总线 在原有总线规范成为性能瓶颈时，在CPU和ISA之间增加的一级总线或者是管理层
    • 系统总线 插背板之间数据通信一组信号线
    • 通信总线 和外设通信的一组信号线
• 总线速度 最终会成为 性能的瓶颈
• 总线接口
  • 串行接口：一次发送1 bit信息，通信连线少，适合长距离传输，传输慢，控制复杂
    • 同步通信
    • 异步通信
  • 并行接口：一次发送多 bit信息(8的倍数)，通信连接多，高速数据传输，传输快，控制简单
• 设备接口
  • SCSI
    • 大容量存储设备设备的标准。SCSI设备彼此独立运行，相互交互数据，数据以分组方式传输，最大可以达到5Gbps(640MB/s)
  • ESDI
  • IDE
  • PCMCIA
  • IEEE-1394
  • USB

各种体系结构

指令系统

• 复杂指令系统计算机(CISC)
  • 指令多
  • 指令使用频率相差悬殊
  • 支持多种寻址方式
  • 指令长度不固定
  • 大量指令对存储器单元中的数据直接处理(读取存储器的效率很低，应该读取寄存器)
• 精简指令系统计算机(RISC)
  • CPU 寄存器多
  • 选择频率高的简单指令、使用率搞不复杂的指令
  • 指令长度固定、种类少、寻址种类少
  • 较少访问存储器、尽可能的放在寄存器
  • 大多数采用Cache，以及 流水线 组织

流水线技术

• 采用并行硬件提高性能，将一个指令拆分成多个指令任务，各指令任务串行执行并且由不同机构执行，而不同机构执行时之间可以并行执行
  • 一般一个指令分为 取指、分析、执行 三个任务
  • 如果有100个指令，取指令1ns，分析2ns，执行2ns
  • 由于第一条指令需要拆分串行运行，耗时为 1+2+2=5ns
  • 拆分的指令可以并行执行，任务中耗时最长的是2ns(这就是并行的流水周期)，在第一个指令被拆分为3个子任务耗时5ns后，还剩下100-1个指令，在最长的耗时(100-1)*2ns的情况里，其余的子任务都会完成
  • (1)标量流水处理机 耗时为 (1+2+2) + (100-1)*2 = 203ns
  • (1)标量非流水处理机 耗时为 (1+2+2)*100=500ns
  • (4)标量流水处理机 耗时为 (1+2+2) + (100/4-1)*2 = 53ns
  • 流水线计算公式是time=(n*t) + [(k-1)*t] n是子任务数，t是每个子任务耗时，k是指令个数
  • 有时候可能会使用 周期时间累加作为第一次取值总耗时
  • 吞吐率TP 单位时间内流水线完成的任务数量
    • 吞吐率 100/203ns
  • 加速比 不使用流水线耗时与使用流水线的耗时比
    • 加速比 500/203=2.46(感兴趣的可以去套下高数公式)
  • 复杂的流水线计算使用画时空图更快

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• 流水线技术被破坏的条件(流水线技术采用的是重叠时间多执行器并行执行)
  • 转移指令 流水线无法确认下一步指令地址
  • 共享资源冲突 前后数据冲突，导致指令无法继续执行，这种大多数都是局部性的资源冲突，比如前一条指令还在写寄存器，另一条指令已经准备读寄存器了，解决方法如下
    • 推后法 推后相关read操作，等待wait执行完成
    • 通路法 不将结果write into storage unit后供read，而是通过专用通路直接读取，可以加快s剫
  • 响应中断
    • 精确中断 立即停止当前流水线，CPU指令变复杂
    • 不精确中断 封闭流水线指令入口，让当前指令执行完成，执行中断处理程序，实现简单

并行处理

• 超标量处理机
• 超级流水线处理机
• 超长指令字处理机
• 向量处理机
• 多处理机系统(MIMD 中高端机通过高速通信网络进行通信，相比SIMD 有更高的并行层面)
  • 共享存储器多处理机
  • 分布式存储器多处理机
• 大规模并行处理机(阵列处理机 MPP 有独立主空间 SIMD)
• 对称多处理机(SMP 共享主存空间 通过网络)
• 紧耦合系统 SMP
• 松耦合系统 MPP

互联网络

• ICN 连接计算机中各个处理单元、存储模块以及I/O设备，一般结构有
  • 总线
  • 交叉开关
  • 多级互联网
• 并行处理机互联方法
  • 恒等置换 I 相同编号的输入输出地址一致
  • 交换置换 E 二进制地址编号 第0位位值不同 的是输入/输出
  • 方体置换 Cube 二进制地址编号 第k位位值不同 的是输入/输出
  • 均匀洗牌置换 Shuffle 输入端二进制地址编号 左移一位得到输出端二进制地址
  • 蝶式置换 B 输入端二进制地址编号 最高位和最低位互换得到输出端二进制地址
  • 位置颠倒置换 P 输入端二进制地址编号 位置顺序颠倒得到输出端二进制地址

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• 计算机系统由 硬件 和 软件组成，软件 又区分为 系统软件 和 应用软件
• 计算机只能读懂二进制指令，需要通过编译程序转码，然后由指令系统执行
• 总线控制线路包括 总线判优或仲裁逻辑、驱动器和中断逻辑