计算机系统结构论文

计算机系统结构论文计算机系统结构是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的一个计算机系统的属性，即计算机的概念性质结构和功能特性，主要研究计算机系统的基本工作原理，以及在硬件、软件界面划分的权衡策略，建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念。计算机系统结构也被称作计算机体系结构，它是一个系统在其所处环境中最高层次的概念，确定了一台计算机硬件和软件之间的衔接，是计算机系统设计的观念与架构，描述计算机在实做的设计原则。计算机系统性能增长的根本因素有两个：一是微电子技术，另一个是计算机体系结构技术。人们先后采用了先行控制技术、流水线技术、增加功能部件甚至多机技术、存储寻址和管理能力的扩充、功能分布的强化、各种互联网络的拓扑结构以及支持多道、多任务的软件技术等一系列并行处理技术，提高计算机处理速度，增强系统性能。（1）微处理器的发展20世纪80年代中期，RISC精简指令集计算机，用20%指令的组合实现了CISC计算机指令系统不常用的80%指令的功能。在提高性能方面，RISC采用了超级流水线、超级标量、超长指令字并行处理结构；多级指令Cache；编译优化等技术，充分利用RISC的内部资源，发挥其内部操作的并行性，从而提高流水线的执行效率。20世纪80年代后期，RISC处理机的性能指标几乎以每年翻一番的速度发展，它对于提高计算机系统的性能和应用水平起着巨大的作用。（2）多处理机的总线多处理机系统中有两种主要的连接方式：一种是共享存贮器的的多处理机系统，另一种是消息传递的分布式多处理机系统。由于专用信号处理系统一般要求结构紧凑，在满足实时性要求的前提下，对系统资源的利用率要求放在比较次要的位置上，故其操作系统简单实用，不具备消息传递的多处理机系统中的复杂的消息寻径能力。因此，共享总线结构和分布式结构相结合是一种发展趋势。大多数多处理机系统的互连结构可归结为共享总线系统结构，共享总线系统结构为传统多处理系统的互连形式，由于没有通信口，处理机之间交换数据必须通过共享存贮器，其处理效率随着处理机数目增加而下降。（3）通信的发展由于通信通常在芯片的外部实现，其速度远低于芯片内部的计算速度，因而通信往往成为并行多处理机系统发展的瓶颈。通信网络中，总线结构最简单，节点机数目较大时，总线上的通信趋于饱和，成为并行机发展的瓶颈。消息传递是一种有效的通信方法。第一台多计算机系统采用的是存储转发寻径方式。在存储转发网络中，包是信息流的基本单位，每个节点有一个包缓冲区，包从源节点经过一系列中间节点到达目的节点。然而，当出现寻径阻塞时，虚拟直通方式只有将整个消息全部存储在寻径节点中，直到寻径通道不阻塞时才能将消息发出，这就需要每个寻径节点都有足够的缓冲区来存储可能出现的最大的信息包，虚拟直通方式在最坏的情况下与存储转发方式的通信时延是一样的。（4）存储技术的发展与古典的冯•诺依曼计算机以运算器为中心不同，现代计算机系统以存储器为中心。存储技术的发展在很大程度上影响着多处理机系统结构的发展。Cache、主存、磁盘这三个存储器可以分别构成“Cache—主存”和“主存—磁盘”两个存储系统，也可以构成一个“Cache—主存—磁盘”存储系统。全Cache存储系统是一种新型系统，就是不用主存，只用Cache和辅存两种存储器构成“Cache—辅存”存储系统。这种系统的等效访问周期与Cache很接近，等效存储容量就是虚拟地址空间的容量。（5）大规模并行处理机系统MPP和群机并行系统MPP是一种由成百上千乃至上万个微处理器所组成的、基于分布式存储的大规模并行处理系统。其体系结构发展特点是：节点机型选用通用高性能RISC微处理器芯片，它具有VLSI硅片、坤化镓技术、高密度组装和光技术。一般均在节点上设计一个功能较强的通信处理机构，尽量减轻处理器的通信开销，有的甚至在节点上增设一个处理器作为通信处理机。计算机指令集或指令集体系，是计算机体系结构中与程序设计有关的部分，包含了基本数据类型，指令集，寄存器，寻址模式，存储体系，中断，异常处理以及外部I/O。指令集体系与微架构不同。使用不同微架构的电脑可以共享一种指令集。精简指令集计算机通过只执行在程序中经常使用的指令来简化处理器的结构，而特殊操作则以子程序的方式实现，它们的特殊使用通过处理器额外的执行时间来弥补。精简的指令集可以提供比较高的速度，使处理器的尺寸缩小，以及较少的电力损耗。。复杂指令集计算机包含许多应用程序中很少使用的特定指令，它包含：将许多暂存器存成堆栈的形式。移动内存内大笔的资料。复杂或是浮点数运算执行test-and-set指令。执行数字存在内存而非暂存器的运算。相比之下，比较复杂的指令集较容易使工作更完善，内存及快取的效率较高，以及较为简单的程式码。理论上的重要类型还包括最小指令集计算机与单指令集计算机，但都未用作商业处理器。另外一种延伸类型是超长指令字，处理器接受许多经过编码的指令并通过检索提取出一个指令字并执行。在处理结构上，一个特定指令指明了以下几个部分:用于算术运算，寻址或者控制功能的特定寄存器；特定存储空间的地址或偏移量；用于解译操作码的特定寻址模式；复杂的操作可以借由将简单的指令合并而达成，可以连续的执行，也可以藉控制流来执行指令。有效的指令操作须包含：数据处理与存储操作；将暂存器的值(在中央处理器作为高速缓存的存储空间)设为固定值；将数据从存储空间中传送至寄存器，；用于将数据取出并执行计算，或者将计算结果予以保存；从硬件设备读取或写入数据。在设计处理器内的微架构时，工程师使用藉电路连接的区块来架构，区块用来表示加法器，乘法器，计数器，暂存器，算术逻辑单元等等，暂存器转移语言通常被用来描述被解码的指令，指令是借由微架构来执行指令。有两种基本的方法来建构控制单元，藉控制单元，以微架构作为通路来执行指令:。计算机的存储体系随着计算机和微电子技术的发展，存