体系结构-41309050219

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体系结构详细概念

体系结构详细概念

计算机体系结构考试范围一.概念1.计算机系统结构、计算机组成、计算机实现的定义:Flynn分类法及最典型机型系统结构定义:把由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性,即概念性结构和功能性特性;组成定义:是指计算机系统的逻辑实现,包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

实现的定义:是计算机组成的物理实现。

三者的关系:计算机系统结构是计算机系统的软、硬件分界面,是机器语言程序设计者或是编译程序生产系统为是其设计或者生成的程序能在机器上运行所看到的计算机属性;计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现;计算机实现是计算机组成的物理实现。

Flynn分类法:按照指令流和数据流的多倍性状况对计算机系统进行分类。

四大类:1.单指令流单数据流(SISD) 例子:平常生活中使用的机器,如PC、V AX、IBM360/370、4300系列、CDC66002.单指令流多数据流(SIMD)例子:ILLIAC-IV、PEPE、STARAN、早期的MPP3.多指令流多数据流(MISD)例子:脉动阵列(systolic)4多指令流多数据流(MIMD)例子:1)C.mmp、Cra-2、S-1、Cray X-MP 2).IBM3081/3084、IBM370/168MP、UNIV AC1100/80、Tandem/16多处理器系统:多个cpu不带存储系统多处理机系统:多cpu带存储系统2.透明性的概念及判断透明性概念:在计算机技术中,一种本来是存在的事物或属性,但从某种角度看却好像是不存在;通常,在一个计算机系统中,低层机器级的概念性结构和概念特性,对高级程序员来说是透明的。

对于目前的通用型机器,计算机系统结构(传统机器程序员所看到的属性)一般包括:(1)机器内的数据表示,包括硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等;(2)寻址方式,包括最小寻址单位,寻址方式的种类、表示和地址计算等;(3)寄存器组织,包括操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及某些专用寄存器的定义、数量和使用约定;(4)指令系统,包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序方式和控制机构等;(5)存储系统,包括最小编址单位、编址方式、主存容量和最大可编址空间等;(6)中断机构,包括中断的类型、中断分级、中断处理程序的功能和入口地址等;(7)机器工作状态的定义及切换,如在管态,处理机可以使用系统的全部指令和全部资源,而在目态,处理机只能执行用户程序;(8)输入输出机构,包括输入输出设备的连结方式,处理机/存储器与输入输出设备间数据传送的方式与格式、传送的数据量、以及输入输出操作的结束与出错标志等;(9)信息保护,包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等3.操作码的三种表示方法(1)。

计算机体系结构

计算机体系结构

计算机系统的多层次结构第5级:应用语言虚拟机第4级:高级语言虚拟机第3级:汇编语言虚拟机第2级:操作系统虚拟机第1级:机器语言机器第0级:微程序机器多层次计算机的极端是单层次计算机——高级语言计算机只有硬件没有软件:不可编程计算机;只有软件和最必需的硬件;当前计算机介于两者之间若计算机只有一条指令,请设计这条指令?计算机体系结构+ 计算机组成= 计算机系统结构计算机体系结构是指程序员所看到的机器的属性,即机器的概念性结构和功能表现。

这里,程序员主要是指汇编程序员。

计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。

一种计算机体系结构可以有多种不同的计算机组成。

计算机实现是计算机组成的物理实现。

一种计算机组成也可以有多种不同的计算机实现。

计算机系统结构研究的是软、硬件功能分配以及如何最佳、最合理地实现分配给硬件的功能。

透明性(Transparency):本来存在的事物或属性,从某种角度看似乎不存在就目前通用机来说,计算机系统结构的属性包括:●数据表示:硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式;●寄存器组织:操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等;●指令系统:机器指令的操作类型、格式,指令间的排序和控制机制等;●中断系统:中断类型、中断级别和中断响应方式等;●存储系统:最小编址单位、编址方式、主存容量、最大寻址空间等;●处理机工作状态:状态的定义和切换方式,如管态和目态;●输入输出系统:连接方式、数据交换方式、数据交换过程的控制等;●信息保护,包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持等。

软硬取舍的基本原则1.在现有的硬件和器件条件下,系统要有高的性能价格比2.要考虑准备采用和可能采用的组成技术,使它尽可能不要过多限制或不合理地限制各种组成、实现技术的采用3.不能仅从“硬”的角度去考虑如何便于应用组成技术的成果和发挥器件技术的进展,还应从“软”的角度把为编译和操作系统的实现,以至高级语言程序的实现提供更多更好的硬件支持放在首位计算机系统的性能评测①峰值性能vs. 持续性能②平均速度:MIPS(每秒百万条指令数)、MFLOPS(每秒百万次浮点运算)③基准程序(Benchmark)计算机系统设计的定量原理⏹ 1. 加快经常性事件(哈弗曼压缩原理)(1)加快处理高概率事件显著提高整体性能(2)不经常性事件即使处理的慢也不会影响系统的性能(3)简言之:好钢要用在刀刃上。

体系结构(名词解释)

体系结构(名词解释)

1.计算机系统结构:计算机体系结构包括指令集结构、计算机组成和计算机实现三个方面的内容。

2.CISC:CISC是指采用一整套计算机指令进行操作的计算机。

而后又出现了精简指令集计算机,它精简了指令集,只保留了那些常用的指令,这样计算机能以更快的速度执行操作。

3.定向技术:将计算结果从其产生的地方直接送到真正需要它的地方,而不是从寄存器文件读出使用,它是一种解决数据相关,避免流水线暂停的技术4.指令级并行:完成一批任务,不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比称为流水线的加速比5.多级存储层次:采用不同的技术实现的存储器,处在离CPU不同距离的层次上,目标是达到离CPU最近的存储器的速度,最远的存储器的容量6.系统加速比:对系统中某部分进行改进时,改进后系统性能提高的倍数。

7.RISC:精简指令集计算机8.动态流水线:同一时间内,当某些段正在实现某种运算时,另一些段却在实现另一种运算。

9.指令的动态调度:是指在保持数据流和异常行为的情况下,通过硬件对指令执行顺序进行重新安排,以提高流水线的利用率且减少停顿现象。

是由硬件在程序实际运行时实施的。

10:全相联映象:主存中的任一块可以被放置到Cache中任意一个地方。

10.Amdahl定律:加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比,受限于该部件在系统中的所占的重要性。

11.寻址方式:就是寻找操作数或操作数地址的方式12.静态流水线:在同一段时间内,多功能流水线中的各个功能段只能按照一种固定的方式连接,实现一种固定的功能。

13.前瞻执行:解决控制相关的方法,它对分支指令的结果进行猜测,然后按这个猜测结果继续取指、流出和执行后续的指令。

只是指令执行的结果不是写回到寄存器或存储器,而是放到一个称为ROB的缓冲器中。

等到相应的指令得到“确认”(即确实是应该执行的)后,才将结果写入寄存器或存储器14.替换算法:由于主存中的块比Cache中的块多,所以当要从主存中调一个块到Cache中时,会出现该块所映象到的一组(或一个)Cache块已全部被占用的情况。

体系结构简介

体系结构简介

设备 晶体三极管、二极管
物理
电子
体系结构
• 体系结构不确定底层硬件实现 • 同一体系结构的计算机,往往有不同的硬件实现
– 同属IA-32体系结构的Intel处理器和AMD处理器,底层硬件不同
• 在价格、性能和功耗等方面有不同的折中
– 有些处理器擅长高性能计算,有些处理器功耗特别低
微结构
• 微结构在体系结构抽象层之下; • 寄存器、存储器、ALU和其他模块组织
体系结构
体系结构
• 跳跃了几级的抽象 • 体系结构:是程序员所见到的计算机
– 由指令和操作空间来定义 • 不同类型体系结构:
– IA-32,MIPS,SPARC,PowerPC等
应用程序
程序
操作系统 设备驱动
体系结构 指令集、寄存器
微结构 数据通路、控制器
逻辑 加法器、存储器
数字电路 与门、非门
模拟电路 放大滤波器
• 在很多商用系统中得到了广泛的应用。如硅谷图像,任 天堂,及CISCO
• 一旦你学了一种体系结构,再学习其他体系结构就非常 容易了
John Hennessy
• 斯坦福大学校长,自1977年以来在斯坦 福大学任电气工程与计算机科学系教授
• 与大卫·帕特森共同发明了精简指令集 计算机(RISC)
• 于1984年在斯坦福大学提出了MIPS 体 系结构,并且共同创办MIPS计算机系统
成微处理器的方式称为微结构; • 同一体系结构可能不同微结构
应用程序
程序
操作系统 设备驱动
体系结构 指令集、寄存器
微结构 数据通路、控制器
逻辑 加法器、存储器
数字电路 与门、非门
模拟电路 放大滤波器
设备 晶体三极管、二极管

体系结构

体系结构

在计算机技术中,对这种本来是存在的事物或属性,但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性(transparency)广义(现代)的计算机体系结构的概念,它除了包括经典的计算机体系结构的概念范畴(指令集结构),还包括计算机组成和计算机实现的内容。

计算机组成是指令集结构的逻辑实现。

计算机实现是计算机组成的物理实现。

系列机(family machine):一种指令集结构可以有多种组成。

同样,一种组成可以有多种物理实现。

系列机就是指在一个厂家生产的具有相同的指令集结构,但具有不同的组成和实现的一系列不同型号的机器。

系列机从程序设计者看都具有相同的机器属性,因此按这个属性(指令集结构)编制的机器语言程序以及编译程序都能通用于各档机器,我们称这种情况下的各档机器是软件兼容的(software compatibility)。

向上(下)兼容指的是按某档机器编制的程序,不加修改的就能运行于比它高(低)档的机器。

向前(后)兼容指的是按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序,不加修改的就能运行于在它之前(后)投入市场的机器。

不同厂家生产的具有相同指令集结构的计算机称为兼容机(compatible machine)。

兼容机的优势:由于采用新的计算机组成和实现技术,因此具有较高的性能价格比;可能对原有的组成和实现进行某种扩充,使它具有更强的功能。

响应时间(执行时间):从事件开始到结束之间的时间。

吞吐率(Throughput):在单位时间内所完成的工作量(任务)。

用户以响应时间为标准,多道程序系统以吞吐率为标准。

大概率事件优先的原则:对于大概率事件(最常见的事件),赋予它优先的处理权和资源使用权,以获得全局的最优结果。

Amdahl定律:加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比,受限于该部件在系统中所占的重要性。

一个“好”的计算机系统:具有高性能价格比的计算机系统是一个带宽平衡的系统,而不是看它使用的某些部件的性能。

程序的局部性原理:程序在执行时所访问地址的分布不是随机的,而是相对地簇聚;这种簇聚包括指令和数据两部分。

体系结构名词解释

体系结构名词解释

1.1解释下列术语层次机构:按照计算机语言从低级到高级的次序,把计算机系统按功能划分成多级层次结构,每一层以一种不同的语言为特征。

这些层次依次为:微程序机器级,传统机器语言机器级,汇编语言机器级,高级语言机器级,应用语言机器级等。

虚拟机:用软件实现的机器。

翻译:先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序,然后再在这低一级机器上运行,实现程序的功能。

解释:对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令,都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。

执行完后,再去高一级机器取下一条语句或指令,再进行解释执行,如此反复,直到解释执行完整个程序。

计算机系统结构:传统机器程序员所看到的计算机属性,即概念性结构与功能特性。

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。

计算机组成:计算机系统结构的逻辑实现,包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

计算机实现:计算机组成的物理实现,包括处理机、主存等部件的物理结构,器件的集成度和速度,模块、插件、底板的划分与连接,信号传输,电源、冷却及整机装配技术等。

系统加速比:对系统中某部分进行改进时,改进后系统性能提高的倍数。

Amdahl定律:当对一个系统中的某个部件进行改进后,所能获得的整个系统性能的提高,受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。

程序的局部性原理:程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的,而是相对地簇聚。

包括时间局部性和空间局部性。

CPI:每条指令执行的平均时钟周期数。

测试程序套件:由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序,用来测试计算机在各个方面的处理性能。

存储程序计算机:冯·诺依曼结构计算机。

其基本点是指令驱动。

程序预先存放在计算机存储器中,机器一旦启动,就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序,自动完成由程序所描述的处理工作。

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。

计算机体系结构(计算机软、硬件的系统结构)

计算机体系结构(计算机软、硬件的系统结构)
在支持多线程并行应用方面,未来多核处理器应该从如下两个方向加以考虑。第一是引入新的能够更好的能 够表示并行性的编程模型。由于新的编程模型支持编程者明确表示程序的并行性,因此可以极大的提升性能。比 如Cell处理器提供不同的编程模型用于支持不同的应用。其难点在于如何有效推广该编程模型以及如何解决兼容 性的问题。第二类方向是提供更好的硬件支持以减少并行编程的复杂性。并行程序往往需要利用锁机制实现对临 界资源的同步、互斥操作,编程者必须慎重确定加锁的位置,因为保守的加锁策略限制了程序的性能,而精确的 加锁策略大大增加了编程的复杂度。一些研究在此方面做了有效的探索。比如,Speculative Lock Elision机 制允许在没有冲突的情况下忽略程序执行的锁操作,因而在降低编程复杂度的同时兼顾了并行程序执行的性能。 这样的机制使得编程者集中精力考虑程序的正确性问题,而无须过多地考虑程序的执行性能。
计算机体系结构发展的第四代从20世纪80年代中期开始,一直持续到现在。这个阶段,人们感受到的是硬件 和软件的综合效果。由复杂操作系统控制的强大的桌面机及局域网和广域网,与先进的应用软件相配合,已经成 为当前的主流。计算机体系结构已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。 世界范围的信息网为人们进行广泛交流和资源的充分共享提供了条件。软件产业在世界经济中已经占有举足轻重 的地位。随着时代的前进,新的技术也不断地涌现出来。面向对象技术已经在许多领域迅速地取代了传统的软件 开发方法。
概念性结构与功能特性,这是从程序设计者角度所看到的计算机属性。它包括机器内的数据表示、寻址方式 以及对这些数据的运算和控制这些运算的执行等(即指令系统)。对于通用型机器,一般包括数据表示、寻址方式、 寄存器定义、指令系统、中断机构、机器工作状态的定义和状态切换、机器级的输入、输出结构以及对信息保护 的支持等 。

计算机体系结构

计算机体系结构

一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是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和功能特性。

Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。

所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。

计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性,即外特性。

可以包含数据表示,寄存器定义、数量、使用方式,指令系统,中断系统,存存储系统,IO系统等。

计算机组成是计算机结构的逻辑实现。

可以包含数据通路宽度,专用部件设置,缓冲技术,优化处理等。

计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。

包括处理机,主存部件的物理结构,器件的集成度,速度的选择,模块、硬件、插件底板的划分和连接。

从使用语言的角度,可以把计算机系统按功能从高到低分为7级:0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。

3~6级为虚拟机,其语言功能均由软件实现。

硬件功能分配的基本原则:(1)功能要求。

首先是应用领域对应的功能要求,其次是对软件兼容性的要求;(2)性能要求。

如运算速度,存储容量,可靠性,可维护性和人机交互能力等;(3)成本要求。

体系结构设计的方法有三种:由上而下-从考虑如何满足应用要求开始设计;由下而上-基于硬件技术所具有的条件;由中间开始的方法。

体系设计的步骤:需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。

计算机体系结构的分类:(1)弗林FLYNN分类法:按指令流和数据流将计算机分为4类:①单指令流、单数据流-Single Instruction Stream Single Data Stream,SISD。

计算机,即传统的单处理机,通常用的计算机多为此类,如脉动阵列计算机systolic array;②单指令流、多数据流-Multiple,SIMD。

典型代表是并行处理机。

其并行性在于指令一级。

如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等;③MISD计算机;④MIMD计算机。

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实验一: 软件体系结构描述语言与建模实验实验要求:利用Acme Studio进行软件体系结构风格建模。

要求:◆描述C2软件体系结构风格◆设计此体系结构风格的一实例实验目的: 1: 学习软件体系结构描述语言Acme,掌握建立体系结构模型的一般原则和方法。

2: 熟悉Acme Studio的使用方法。

3: 熟悉软件体系结构风格。

参考模型:C2软件体系结构模型实验内容:C2软件体系结构风格:通过连接件绑定在一起的按照一组规则运作的并行构件网络。

C2风格中的系统组织规则如下:1)、系统中的构件和连接件都有一个顶部和底部;2)、构件的顶部应连接到某连接件的底部,构件的底部应连接到某连接件的顶部,而构件与构件之间直接连接是不允许的;3)、一个连接件可以和任意数目的其他构件和连接件连接;3)、当两个连接件进行直接连接时,必须由其中一个底部到另一个顶部。

实例:水温报警:Datebase:数据库访问构件;Class_fuwu:该构件封装了监测类,负责类的信息及相应操作;Baojing:报警构件,设置报警信息,报警级别;Fasong:发送构件,监测水温的变化幅度,时间。

Shebei_jiankong:设备监控构件,监测设备是异常,正常;Baojing_fuwu:报警服务构件,从数据库中获取监控信息;System c2 = {Component baojing = {Port port3 = {}Port port4 = {}}Component datebase = {Port port1 = {}}Component fasong = {Port port5 = {}Port port6 = {}}Component shebei_jiankong = {Port port7 = {}Port port8 = {}}Component baojing_fuwu = {Port port10 = {}}Component class_fuwu = {Port port1 = {}Port port2 = {}}Connector con1 = {Role role0 = {}Role role1 = {}}Connector con2 = {Role role0 = {}Role role1 = {}Role we = {}}Connector con3 = {Role role0 = {}Role role1 = {}Role we1 = {}}Connector con4 = {Role role0 = {}Role role1 = {}}Attachment class_fuwu.port1 to con1.role0;Attachment datebase.port1 to con1.role1;Attachment baojing.port4 to con2.role1;Attachment fasong.port6 to con2.we;Attachment class_fuwu.port2 to con2.role0;Attachment baojing.port3 to con3.role1;Attachment fasong.port5 to con3.role0;Attachment shebei_jiankong.port8 to con3.we1;Attachment baojing_fuwu.port10 to con4.role0;Attachment shebei_jiankong.port7 to con4.role1;}实验二:软件体系结构的设计模式设计实验实验要求:利用设计模式设计构件的业务逻辑要求:◆设计一创建型设计模式实例◆设计一结构型设计模式实例◆设计一行为型设计模式实例◆完成相应的类结构图、顺序图实验目的: 1:掌握设计模式的思想、设计过程、适用环境、实现方法2:掌握构件业务逻辑的UML描述参考模型:1.类结构图:2.顺序图:实验内容:创建型设计模式实例:简单工厂:提供创建对象的接口实例:电影订票//测试类public class Test {public static void main(String[] args){Ticket ticket1 = FactoryTicket.CreatTicket("普通票");ticket1.GetTicket();Ticket ticket2= FactoryTicket.CreatTicket("会员票");ticket2.GetTicket();}//电影票工厂public class FactoryTicket {public static Ticket CreatTicket(String type){Ticket ticket = null;switch(type){case"会员票":ticket = new Member_Ticket();break;case"普通票":ticket = new General_Ticket();break;}return ticket;}}//电影票父类public class Ticket {private int money;public void GetTicket(){ }}//普通票public class General_Ticket extends Ticket{private int money = 200;public void GetTicket(){System.out.println("您选择的是普通票价为:"+money+"元"); }}//会员票public class Member_Ticket extends Ticket {private int money = 100;public void GetTicket(){System.out.println("您选择的是会员票价为:"+money+"元"); }}结果:类图:顺序图:结构型设计模式实例:桥接模式:将抽象部分与它的实现部分分离,使他们都可以独立的改变;将抽象与现实解耦;实例:不同影城不同影票//Abstraction类public abstract class Ticket {public Cinema cinema;public void setCinema(Cinema cinema){this.cinema = cinema;}public abstract void print();}//普通类public class General extends Ticket {@Overridepublic void print() {cinema.run();System.out.println("普通票");}}//会员类public class Member extends Ticket {@Overridepublic void print() {cinema.run();System.out.println("会员票");}}//Implementor类public abstract class Cinema {public abstract void run();}//影城:曲江国际影城public class Qujiang_cinema extends Cinema { @Overridepublic void run() {System.out.print("曲江国际影城:");}}//影城:万达影城public class Wanda_cinema extends Cinema{ @Overridepublic void run() {System.out.print("万达影城:");}}//测试类public class Test {public static void main(String[] args){ Ticket ticket1 = new General();ticket1.setCinema(new Wanda_cinema());ticket1.print();Ticket ticket2 = new Member();ticket2.setCinema(new Wanda_cinema());ticket2.print();Ticket ticket3 = new General();ticket3.setCinema(new Qujiang_cinema());ticket3.print();Ticket ticket4 = new Member();ticket4.setCinema(new Qujiang_cinema());ticket4.print();}}结果:类图:顺序图:行为型设计模式实例:策略模式:定义一系列算法,把它们一个个封装起来,并且使它们可相互替换,本模式使得算法可独立于使用它的客户而变化。

这个模式涉及到三个角色:●环境(Context)角色:持有一个Strategy的引用。

●抽象策略(Strategy)角色:这是一个抽象角色,通常由一个接口或抽象类实现。

此角色给出所有的具体策略类所需的接口。

●具体策略(ConcreteStrategy)角色:包装了相关的算法或行为。

实例:会员买票//抽象策略类public abstract Strategy {public double calcPrice(double booksPrice);}//具体策略类public class GeneralStrategy extends Strategy{public double calcPrice (double booksPrice) {System.out.println("对于普通会员的无折扣");return booksPrice;}}public class MemberStrategy extends Strategy{public double calcPrice (double booksPrice) {System.out.println("对于会员的折扣为20%");return booksPrice * 0.8;}}//环境角色public class Price {private Strategy strategy;public Price(Strategy strategy){this.strategy = strategy;}public double quote(double booksPrice){return this.strategy.calcPrice(booksPrice);}}//测试类public class Test {public static void main(String[] args) {//创建需要使用的策略对象Strategy strategy = new GeneralStrategy();Strategy strategy1 = new MemberStrategy();//创建环境Price price = new Price(strategy);Price price1 = new Price(strategy1);//计算价格double quote = price.quote(300);System.out.println("图书的最终价格为:" + quote);double quote1 = price1.quote(300);System.out.println("图书的最终价格为:" + quote1); }}结果:类图:顺序图:。

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