網頁 計算機體繫結構

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\"計算機體繫結構是指那些對程式員可見的係統屬性，還包括設計思想與體繫結構。\\n\\n計算機體繫結構（ComputerArchitecture）是程式員所看到的計算機的屬性，即概念性結構與功能特性。按照計算機係統的多級層次結構，不同級程式員所看到的計算機具有不同的屬性。一般來說，低級機器的屬性對於高層機器程式員基本是透明的，通常所說的計算機體繫結構主要指機器語言級機器的係統結構。經典的關於“計算機體繫結構（computerarchitecture）”的定義是1964年C.M.Amdahl在介紹IBM360係統時提出的，其具體描述為“計算機體繫結構是程式員所看到的計算機的屬性，即概念性結構與功能特性”\\n\\n計算機體繫結構\\n\\n計算機體繫結構\\n\\n基本概念\\n\\n計算機體繫結構就是指適當地組織在一起的一係列係統元素的集合，這些係統元素互相配合、相互協作，通過對資訊的處理而完成預先定義的目標。通常包含的係統元素有：計算機軟件、計算機硬體、人員、數據庫、文檔和過程。其中，軟件是程式、數據結構和相關文檔的集合，用於實現所需要的邏輯方法、過程或控製；硬體是提供計算能力的電子設備和提供外部世界功能的電子機械設備(例如傳感器、馬達、水泵等)；人員是硬體和軟件的用戶和操作者；數據庫是通過軟件訪問的大型的、有組織的資訊集合；文檔是描述係統使用方法的手冊、表格、圖形及其他描述性資訊；過程是一係列步驟，它們定義了每個係統元素的特定使用方法或係統駐留的過程性\\n\\n計算機體繫結構\\n\\n語境。\\n\\n計算機體繫結構\\n\\n8種屬性\\n\\n計算機體繫結構\\n\\n1·機內數據表示：硬體能直接辨識和操作的數據類型和格式\\n\\n計算機體繫結構2·尋址方\\n\\n式：最小可尋址單位、尋址方式的種類、地址運算\\n\\n3·暫存器組織：操作暫存器、變址暫存器、控製暫存器及專用暫存器的定義、數量和使用規則\\n\\n4·指令係統：機器指令的操作類型、格式、指令間排序和控製機構\\n\\n5·存儲係統：最小編址單位、編址方式、主存容量、最大可編址空間\\n\\n6·中斷機構：中斷類型、中斷級彆，以及中斷響應方式等\\n\\n7·輸入輸出結構：輸入輸出的連接方式、處理機\\/存儲器與輸入輸出設備間的數據交換方式、數據交換過程的控製\\n\\n8·資訊保護：資訊保護方式、硬體資訊保護機製。\\n\\n發展曆程\\n\\n計算機體繫結構\\n\\n計算機係統已經經曆了四個不同的發展階段。\\n\\n計算機體繫結構\\n\\n第一階段\\n\\n60年代中期以前，是計算機係統發展的早期時代。在這個時期通用硬體已經相當普遍，軟件卻是為每個具體應用而專門編寫的，大多數人認為軟件開發是無需預先計劃的事情。這時的軟件實際上就是規模較小的程式，程式的編寫者和使用者往往是同一個(或同一組)人。由於規模小，程式編寫起來相當容易，也冇有什麼係統化的方法，對軟件開發工作更冇有進行任何管理。這種個體化的軟件環境，使得軟件設計往往隻是在人們頭腦中隱含進行的一個模糊過程，除了程式清單之外，根本冇有其他文檔資料儲存下來。\\n\\n第二階段\\n\\n從60年代中期到70年代中期，是計算機係統發展的第二代。在這10年中計算機技術有了很大進步。多道程式、多用戶係統引入了人機互動的新概念，開創了計算機應用的新境界，使硬體和軟件的配合上了一個新的層次。實時係統能夠從多個資訊源收集、分析和轉換數據，從而使得進程控製能以毫秒而不是分鐘來進行。在線存儲技術的進步導致了第一代數據庫管理係統的出現。計算機係統發展的第二代的一個重要特征是出現了“軟件作坊”，廣泛使用產品軟件。但是，“軟件作坊”基本上仍然沿用早期形成的個體化軟件開發方法。隨著計算機應用的日益普及，軟件數量急劇膨脹。在程式運行時發現的錯誤必須設法改正；用戶有了新的需求時必須相應地修改程式；硬體或操作係統更新時，通常需要修改程式以適應新的環境。上述種種軟件維護工作，以令人吃驚的比例耗費資源。更嚴重的是，許多程式的個體化特性使得它們最終成為不可維護的。“軟件危機”就這樣開始出現了。1968年北大西洋公約組織的計算機科學家在聯邦德國召開國際會議，討論軟件危機課題，在這次會議上正式提出並使用了“軟件工程”這個名詞，一門新興的工程學科就此誕生了。\\n\\n第三階段\\n\\n計算機係統發展的第三代從20世紀70年代中期開始，並且跨越了整整10年。在這10年中計算機技術又有了很大進步。分散式係統極大地增加亍計算機係統的複雜性，局域網、廣域網、寬帶數字通訊以及對“即時”數據訪問需求的增加，都對軟件開發者提出了更高的要求。但是，在這個時期軟件仍然主要在工業界和學術界應用，個人應用還很少。這個時期的主要特點是出現了微處理器，而且微處理器獲得了廣泛應用。以微處理器為核心的“智慧”產品隨處可見，當然，最重要的智慧產品是個人計算機。在不到10年的時間裡，個人計算機已經成為大眾化的商品。\\n\\n在計算機係統發展的第四代已經不再看重單台計算機和程式，人們感受到的是硬體和軟件的綜合效果。由複雜操作係統控製的強大的桌麵機及局域網和廣域網，與先進的應用軟件相配合，已經成為當前的主流。計算機體繫結構已迅速地從集中的主機環境轉變成分佈的客戶機\\/服務器(或瀏覽器\\/服務器)環境。世界範圍的資訊網為人們進行廣泛交流和資源的充分共享提供了條件。軟件產業在世界經濟中已經占有舉足輕重的地位。隨著時代的前進，新的技術也不斷地湧現出來。麵向對象技術已經在許多領域迅速地取代了傳統的軟件開發方法。\\n\\n總結\\n\\n軟件開發的“第四代技術”改變了軟件界開發計算機程式的方式。專家係統和人工智慧軟件終於從實驗室中走出來進入了實際應用，解決了大量實際問題。應用模糊邏輯的人工神經網絡軟件，展現了模式識彆與擬人資訊處理的美好前景。虛擬現實技術與多媒體係統，使得與用戶的通訊可以采用和以前完全不同的方法。遺傳演算法使我們有可能開發出駐留在大型並行生物計算機上的軟件。\\n\\n基本原理\\n\\n計算機體繫結構解決的是計算機係統在總體上、功能上需要解決的問題，它和計算機組成、計算機實現是不\\n\\n計算機體繫結構\\n\\n同的概念。一種體繫結構可能有多種組成，一種組成也可能有多種物理實現。\\n\\n計算機體繫結構計算機係統結構的邏輯實現，包括\\n\\n機器內部數據流和控製流的組成以及邏輯設計等。其目標是合理地把各種部件、設備組成計算機，以實現特定的係統結構，同時滿足所希望達到的效能價格比。一般而言，計算機組成研究的範圍包括：確定數據通路的寬度、確定各種操作對功能部件的共享程度、確定專用的功能部件、確定功能部件的並行度、設計緩沖和排隊策略、設計控製機構和確定采用何種可靠技術等。計算機組成的物理實現。包括處理機、主存等部件的物理結構，器件的整合度和速度，器件、模塊、外掛、底板的劃分與連接，專用器件的設計，信號傳輸技術，電源、冷卻及裝配等技術以及相關的製造工藝和技術。\\n\\n分類\\n\\nFlynn分類法\\n\\n1966年，Michael.J.Flynn提出根據指令流、數據流的多倍性（multiplicity）特征對計算機係統進行分類，定義如下。\\n\\n計算機體繫結構\\n\\n·指令流：機器執行的指令序列\\n\\n計算機體繫結構·數據流：由指令流調用的數據序列，包\\n\\n括輸入數據和中間結果\\n\\n·多倍性：在係統效能瓶頸部件上同時處於同一執行階段的指令或數據的最大可能個數。\\n\\nFlynn根據不同的指令流-數據流組織方式把計算機係統分為4類。\\n\\n1·單指令流單數據流（SingleInstructionStreamSingleDataStream，SISD）\\n\\nSISD其實就是傳統的順序執行的單處理器計算機，其指令部件每次隻對一條指令進行譯碼，並隻對一個操作部件分配數據。\\n\\n2·單指令流多數據流（SingleInstructionStreamMultipleDataStream，SIMD）\\n\\nSIMD以並行處理機為代表，結構如圖，並行處理機包括多個重複的處理單元PU1～PUn，由單一指令部件控製，按照同一指令流的要求為它們分配各自所需的不同的數據。\\n\\n3·多指令流單數據流（MultipleInstructionStreamSingleDataStream，MISD）\\n\\nMISD的結構，它具有n個處理單元，按n條不同指令的要求對同一數據流及其中間結果進行不同的處理。一個處理單元的輸出又作為另一個處理單元的輸入。\\n\\n4·多指令流多數據流（MultipleInstructionStreamMultipleDataStream，MIMD）\\n\\nMIMD的結構，它是指能實現作業、任務、指令等各級全麵並行的多機係統，多處理機就屬於MIMD。（2）\\n\\n馮式分類法\\n\\n1972年馮澤雲提出用最大並行度來對計算機體繫結構進行分類。所謂最大並行度Pm是指計算機係統在單位時間內能夠處理的最大的二進製位數。設每一個時鐘週期△ti內能處理的二進製位數為Pi，則T個時鐘週期內平均並行度為Pa=(∑Pi)\\/T(其中i為1，2，…，T)。平均並行度取決於係統的運行程度，與應用程式無關，所以，係統在週期T內的平均利用率為μ=Pa\\/Pm=(∑Pi)\\/(T*Pm)。用最大並行度對計算機體繫結構進行的分類。用平麵直角座標係中的一點表示一個計算機係統，橫座標表示字寬(N位)，即在一個字中同時處理的二進製位數；縱座標表示位片寬度(M位)，即在一個位片中能同時處理的字數，則最大並行度Pm=N*M。\\n\\n由此得出四種不同的計算機結構：\\n\\n①字序列、位序列(簡稱WSBS)。其中N=1，M=1。\\n\\n②字並行、位序列(簡稱WPBS)。其中N=1，M>1。\\n\\n③字序列、位並行(簡稱WSBP)。其中N>1，M=1。\\n\\n④字並行、位並行(簡稱WPBP)。其中N>1，M>1。\\n\\n技術革新\\n\\n計算機體繫結構以圖靈機理論為基礎，屬於馮·諾依曼體繫結構。本質上，圖靈機理論和馮·諾依曼體繫結構是一維序列的，而多核處理器則屬於分散式離散的並行結構，需要解決二者的不匹配問題。\\n\\n首先，序列的圖靈機模型和物理上分佈實現的多核處理器的匹配問題。圖靈機模型意味著序列的編程模型。序列程式很難利用物理上分佈實現的多個處理器核獲得效能加速.與此同時,並行編程模型並冇有獲得很好的推廣，僅僅侷限在科學計算等有限的領域.研究者應該尋求合適的機製來實現序列的圖靈機模型和物理上分佈實現的多核處理器的匹配問題或縮小二者之間的差距，解決“並行程式編程困難，序列程式加速小”的問題。\\n\\n計算機體繫結構\\n\\n計算機體繫結構在支援多線程並行應用方麵，未來多核處理器應該從如下兩個方向加以考慮。第\\n\\n一是引入新的能夠更好的能夠表示並行性的編程模型。由於新的編程模型支援編程者明確表示程式的並行性，因此可以極大的提升效能。比如Cell處理器提供不同的編程模型用於支援不同的應用。其難點在於如何有效推廣該編程模型以及如何解決相容性的問題。第二類方向是提供更好的硬體支援以減少並行編程的複雜性。並行程式往往需要利用鎖機製實現對臨界資源的同步、互斥操作，編程者必須慎重確定加鎖的位置，因為保守的加鎖策略限製了程式的效能，而精確的加鎖策略大大增加了編程的複雜度。一些研究在此方麵做了有效的探索。比如，SpeculativeLockElision機製允許在冇有衝突的情況下忽略程式執行的鎖操作，因而在降低編程複雜度的同時兼顧了並行程式執行的效能。這樣的機製使得編程者集中精力考慮程式的正確性問題，而無須過多地考慮程式的執行效能。更激進的，TransactionalCoherenceandConsistency(TCC)機製以多個訪存操作（Transaction）為單位考慮數據一致性問題，進一步簡化了並行編程的複雜度。\\n\\n主流的商業多核處理器主要針對並行應用，如何利用多核加速序列程式仍然是一個值得關注的問題。其關鍵技術在於利用軟件或硬體自動地從串新程式中派生出能夠在多核處理器上並行執行的代碼或線程。多核加速序列程式主要有三種方法，包括並行編譯器、推測多線程以及基於線程的預取機製等。在傳統並行編譯中，編譯器需要花費很大的精力來保證擬劃分線程之間不存在數據依賴關係。編譯時存在大量模糊依賴，尤其是在允許使用指針（如C程式）的情況下，編譯器不得不采用保守策略來保證程式執行的正確性。這大大限製了序列程式可以挖掘的併發程度，也決定了並行編譯器隻能在狹窄範圍使用。為解決這些問題，人們提出推測多線程以及基於線程的預取機製等。然而，從這種概念提出到現在為止，這個方向的研究大部分侷限於學術界，僅有個彆商業化處理器應用了這種技術，並且僅僅侷限於特殊的應用領域。我們認為動態優化技術和推測多線程（包括基於線程的預取機製）的結合是未來的可能發展趨勢。\\n\\n馮·諾依曼體繫結構的一維地址空間和多核處理器的多維訪存層次的匹配問題。本質上，馮·諾依曼體繫結構采用了一維地址空間。由於不均勻的數據訪問延遲和同一數據在多個處理器核上的不同拷貝導致了數據一致性問題。該領域的研究分為兩大類：一類研究主要是引入新的訪存層次。新的訪存層次可能采用一維分散式實現方式。典型的例子是增加分散式統一編址的暫存器網絡。全域性統一編址的特性避免了數據一致性地考慮。同時，相比於傳統的大容量cache訪問，暫存器又能提供更快的訪問速度。TRIPS和RAW都有實現了類似得暫存器網絡。令另外，新的訪存層次也可以是私有的形式。比如每個處理器和都有自己私有的訪存空間。其好處是更好的劃分了數據存儲空間，已洗區域性私有數據冇有必要考慮數據一致性問題。比如Cell處理器為每個SPE核設置了私有的數據緩衝區。另一類研究主要涉及研製新的cache一致性協議。其重要趨勢是放鬆正確性和效能的關係。比如推測Cache協議在數據一致性未得到確認之前就推測執行相關指令，從而減少了長遲訪存操作對流水線的影響。此外，TokenCoherence和TCC也采用了類似的思想。程式的多樣性和單一的體繫結構的匹配問題。未來的應用展現出多樣性的特點。一方麵，處理器的評估不僅僅侷限於效能，也包括可靠性，安全性等其他指標。另一方麵，即便考慮僅僅追求效能的提高，不同的應用程式也蘊含了不同層次的並行性。應用的多樣性驅使未來的處理器具有可配置、靈活的體繫結構。TRIPS在這方麵作了富有成效的探索，比如其處理器核和片上存儲係統均有可配置的能力，從而使得TRIPS能夠同時挖掘指令級並行性、數據級並行性及指令級並行性。\\n\\n多核和Cell等新型處理結構的出現不僅是處理器架構曆史上具有裡程碑式的事件，對傳統以來的計算模式和計算機體係架構也是一種顛覆\\n\\n2005年，一係列具有深遠影響的計算機體繫結構被曝光，有可能為未來十年的計算機體繫結構奠定根本性的基礎，至少為處理器乃至整個計算機體繫結構做出了象征性指引。隨著計算密度的提高，處理器和計算機效能的衡量標準和方式在發生變化，從應用的角度講，講究移動和偏向效能兩者已經找到了最令人滿意的結合點，並且有可能引爆手持設備的急劇膨脹。儘管現在手持設備也相對普及，在計算能力、可擴展性以及能耗上，完全起步到一台手持設備應該具備的作用；另一方麵，講究效能的服務器端和桌麵端，開始考慮減少電力消耗趕上節約型社會的大潮流。\\n\\nCell本身適應這種變化，同樣也是它自己創造了這種變化。因而從它開始就強調了不一樣的設計風格，除了能夠很好地進行多倍擴展外，處理器內部的SPU(SynergisticProcessorUnit協同處理單元)具有很好的擴展性，因而可以同時麵對通用和專用的處理，實現處理資源的靈活重構。也就意味著，通過適當的軟件控製，Cell能應付多種類型的處理任務，同時還能夠精簡設計的複雜。\\n\\n圖書資訊\\n\\n書名:計算機體繫結構\\n\\n作 者：吳豔霞\\n\\n出版社：清華大學出版社\\n\\n出版時間：2010年10月1日\\n\\nISBN:9787302231301\\n\\n開本：16開\\n\\n定價:29.80元\\n\\n內容簡介\\n\\n《計算機體繫結構》在介紹計算機係統結構的基本概念、原理、結構和分析方法的基礎上，著重闡述了計算機係統的並行化技術，旨在幫助學生在建立計算機係統的完整概念，充分掌握計算機係統結構的最新研發思想與技術。\\n\\n《計算機體繫結構》共分5章。第1章論述計算機係統的概念及其設計原則，通過對馮·諾依曼計算機模型指令集的分類，簡要闡述計算機係統發展的脈絡及與體繫結構發展密不可分的核心領域的現狀與發展，最後簡單介紹幾種先進的微體繫結構；第2章論述流水線的基本概念、分類及效能計算方法，並以DLX模型為實例詳細描述流水線執行的關鍵技術，並對流水線中相關和衝突問題進行重點闡述；第3章通過指令級並行概唸的介紹，詳細闡述實現指令級並行的關鍵技術和演算法；第4章為“存儲係統”，重點講述虛擬存儲係統，Cache存儲係統及並行主存係統；第5章詳細介紹輸入輸出係統，講述總線類型、控製及通訊方式，並詳細闡述中斷係統及總線與CPU及存儲器的通訊原理。\\n\\n《計算機體繫結構》可作為高等院校計算機專業的高年級本科生，或研究生的教材，也可作為從事計算機體繫結構或嵌入式係統設計的工程技術人員的參考書。\\n\\n\"

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