系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總論

• 總目標(biāo)：快
• 總原理：加快經(jīng)常性事件
• 量化原理：Amdahl定理

Amdahl定理指出加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占系統(tǒng)總時(shí)間的百分比。

加速比 =

，加速比依賴于兩個(gè)因素：

可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總的執(zhí)行時(shí)間中所占的比例，稱為可改進(jìn)比例（<=1）

可改進(jìn)部分改進(jìn)以后性能提高的倍速，稱為部件加速比。

加速比 =

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指令系統(tǒng)

• 指令系統(tǒng)：用硬件實(shí)現(xiàn)的命令集，是軟硬件的界面（設(shè)計(jì)指令集就是決定將哪些功能由硬件實(shí)現(xiàn)，指令系統(tǒng)之上是軟件，指令系統(tǒng)之下是硬件）
• CISC：復(fù)雜指令系統(tǒng)
• RISC：精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)
• CISC，RISC都遵循加快經(jīng)常性事件原理

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處理

相關(guān)：兩條指令之間存在著某種依賴關(guān)系。如果兩條指令相關(guān)則他們可能不能在流水線中重疊 執(zhí)行或者只能部分重疊

相關(guān)的三種類型：

數(shù)據(jù)相關(guān)：存在兩條指令i和j（i在前），如果j要使用i指令的結(jié)果，或者指令j要使用指令k的結(jié)果，而指令k與i數(shù)據(jù)相關(guān)，則i和j存在數(shù)據(jù)相關(guān)。

名相關(guān)：名是指令所訪問的寄存器或者存儲(chǔ)單元的名稱。如果兩條指令使用了相同的名，但是他們之間并沒有數(shù)據(jù)流動(dòng)，則稱這兩條指令之間存在名相關(guān)。名相關(guān)有兩種（可通過(guò)換名技術(shù)解決名相關(guān)）

反相關(guān)：如果指令j所寫的名與指令i所讀的名相同，則稱指令i和j發(fā)送了反相關(guān)。（反相關(guān)指令之間的執(zhí)行順序必須嚴(yán)格遵守以保證i讀的數(shù)據(jù)是正確的）

輸出相關(guān)：如果指令j和指令i所寫的名相同，則稱i和j發(fā)生了輸出相關(guān)。（順序不能顛倒，以保證最后的結(jié)果是j寫的）

控制相關(guān)：由分支指令引起的相關(guān)。（需要根據(jù)分支指令選擇執(zhí)行哪個(gè)分支的上的指令）

SISD單指令流單數(shù)據(jù)流：是傳統(tǒng)的順序處理計(jì)算機(jī)。

采用流水線可以大大提高執(zhí)行速度，擁有幾級(jí)流水線就能提高幾倍。

采用多指令流出，有多少條指令并行就能提高多少倍。

存在三個(gè)障礙，會(huì)使效率降低：（解決方法：動(dòng)態(tài)調(diào)度，靜態(tài)調(diào)度）

數(shù)據(jù)沖突：相關(guān)指令靠的很近，流水線中重疊執(zhí)行或者重新排序會(huì)改變指令讀寫操作的順序。數(shù)據(jù)沖突分三類：

寫后讀沖突

寫后寫沖突

讀后寫沖突

結(jié)構(gòu)沖突：流水線處理機(jī)中，如果某種指令組合因?yàn)橘Y源沖突不能正常執(zhí)行，則稱有結(jié)構(gòu)沖突。

控制沖突：流水線遇到分支指令和其他會(huì)改變PC值的指令所引起的沖突。

SIMD單指令流多數(shù)據(jù)流：以陣列處理機(jī)為代表

MISD多指令流單數(shù)據(jù)流：認(rèn)為劃分，沒有實(shí)際機(jī)器

MIMD多指令流多數(shù)據(jù)流：多處理機(jī)

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存儲(chǔ)

理想的存儲(chǔ)器：又大，又快，又便宜

現(xiàn)實(shí)的存儲(chǔ)器：小的快，但是貴。大的慢，但是便宜。

解決方法：使用存儲(chǔ)系統(tǒng)

存儲(chǔ)系統(tǒng)將小快的存儲(chǔ)器和大慢的存儲(chǔ)器結(jié)合起來(lái)，使其看上去像是又大，又快，又便宜。（局部性原理和加快經(jīng)常性事件的原理）

局部性原理：分為時(shí)間局部性和空間局部性。CPU訪問存儲(chǔ)器時(shí)，無(wú)論是取指令還是存取數(shù)據(jù)，所訪問的存儲(chǔ)單元都趨于聚集在一個(gè)較小的連續(xù)區(qū)域中。

時(shí)間局部性：如果一個(gè)信息項(xiàng)正在被訪問，那么在近期它很可能還會(huì)被再次訪問。（循環(huán)，堆棧）

空間局部性：在最近的將來(lái)將用到的信息很可能與現(xiàn)在正在使用的信息在空間地址上是臨近的。（順序執(zhí)行，數(shù)組連續(xù)存放）

cache：用SRAM和DRAM實(shí)現(xiàn)，解決內(nèi)存不夠快的問題。（將可能要使用的程序放到SRAM里面）

虛擬存儲(chǔ)器：DRAM和HDD實(shí)現(xiàn)，解決內(nèi)存不夠大的問題。

cache和虛擬存儲(chǔ)器結(jié)合形成又大又快的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

RAID：冗余糾錯(cuò)

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互連網(wǎng)絡(luò)

部件或者結(jié)點(diǎn)的互連。

互連函數(shù)

性能指標(biāo)：延時(shí)和帶寬

主要解決如何連接和如何傳遞信息的問題

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一句話總結(jié)

什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全部?jī)?nèi)容？

在Amdahl定理的指導(dǎo)下，通過(guò)指令系統(tǒng)，對(duì)數(shù)字進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、傳輸。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的处理机调度实验总结_计算机系统结构总结的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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