一、导论

1. 冯诺依曼机

1.1. 计算机系统的组成

• 硬件：计算机实体，如主机，外设等；

• 软件：具有各类特殊功能的信息（程序）组成；

ℹ️1.2. 冯诺依曼计算机特点（记忆）

• 计算机由五大部件组成；

• 指令和数据地位同等，都存储在存储器中；

• 指令和数据用二进制表示；

• 指令由操作码和地址码组成；

• **（核心思想）**存储程序、控制指令；

• （早期）以运算器为中心；

  • 现代冯诺依曼机是以存储器为中心；

• 控制流驱动的工作方式；

• 按地址寻访，寻址有数据寻址和指令寻址两种；

1.3. 冯诺依曼机硬件框图

• 运算器：完成算术运算和逻辑运算并将的中间结果暂存在运算器内；

• 存储器：用来存放数据和程序；

• 控制器：用来控制，指挥程序和数据的输入，运行以及处理运行结果；

• 输入设备：用来将人们熟悉的信息转换为机器识别的信息；

• 输出设备：将机器运算结果转为人熟悉的信息形式

2. 计算机性能指标

2.1. 性能指标

• 主频 $R_c$：CPU 工作主时钟震动的频率。是计算机硬件的固有属性；

• 时钟周期 $T_c$：$T_c=1/R_c$，表示 CPU 主时钟震荡一次经过的时间；

• CPI：CPU 执行一条指令所需的时钟周期数；

• CPU 执行时间 $T_{\mathrm{CPU}}$：CPU 执行一个程序所需的总时间。$T_{\mathrm{CPU}}=\ln \times \mathrm{CPI}\times T_c$；

  • $\ln$：程序包含的指令数；

  • CPI：一条指令平均时钟周期数；

• MIPS (millions instructions per second) ：CPU 每秒能执行多少百万条指令；

  • $\mathrm{MIPS}=1/(\mathrm{CPI}\times T_c\times {10}^6)$。CPI 为平均值

  • 衡量定点运算速度；

  • 适用于标量机（运算结果为单个数而不是多维数组）；

• MFLOPS (million floating point operations) ：CPU 每秒能执行多少百万条浮点运算指令；

  • 衡量浮点运算速度；

  • 适用于科学计算，向量机；

• 吉普森法：指令执行时间的加权平均；

  • $T_m=\sum f_i{t}_i$。$f_i$ 为第 $i$ 种指令占比，$t_i$ 为其执行时间；

2.2. 技术指标

• 指令字长：一条指令的长度；

• 机器字长：CPU 一次能处理数据的位数（和寄存器相关）；

• 存储字长：存储单元的二进制位数；

  • MAR：存储器地址寄存器，对应存储单元数量；

  • MDR：存储器数据寄存器，对应存储字长；

• 访存速度：存取时间，存取周期，主存带宽；

  • 存取时间 $T_a$：存储器从启动一次操作（读 or 写）到完成操作所需时间；

  • 存取周期 $T_m$：连续两次访问存储器所需的最小间隔时间；

    • 存取周期 = 存取时间 + 存储器复位操作等所需时间；

    • 一般情况下，$T_m>T_w>T_r$，即周期 $>$ 写时间 $>$ 读时间；

  • 主存带宽 $B_m$：每秒钟从存储器传输的数据量，Bm = 传输的数据量 / 传输时间，单位 B/s，KB/s 等；

3. 多核处理器和 SMP 体系结构

3.1. Flynn 分类法

• 根据指令和数据流的关系将计算机划分为四种基本类型：SISD，MIMD，SIMD，MISD

• SISD：单指令流，单数据流，早期计算机居多；

• SIMD：单指令流，多数据流，现代单核计算机；

• MISD：多指令流，单数据流，仅存在于理论中；

• MIMD：多指令流，多数据流，现代多核计算机；

3.2. SMP 体系结构

• SMP（Symmetry Multi-Processor，对称多处理器）：指的是现代多核处理器通常是对称的结构，且共享相同的内存；

• 单核 + 多线程：只能并发，不能并行；

• 多核 + 多线程：可以并发和并行；

• SMP 也称为一致存储器访问结构（UMA，Uniform Memory Access）；

• SMP 的主要瓶颈在于内存，导致 SMP 扩展性较差；

• 实验证明，SMP 服务器的最佳配置是 2 至 4 个 CPU（CPU 过多会导致访存冲突增加，降低 CPU 工作效率）；

4. 多处理技术

4.1. 松耦合技术

• 概念：不同的系统通过网络通信技术进行互联；

• 不同的系统被称为节点，可以互相共享文件存储；

• 不同系统不共享 CPU 和内存，通过专用高速网络进行节点间通信；利用软件控制任务分发和并行处理。

• 例：IBM 的 SP 系统；

4.2. 紧耦合技术

• 概念：多个 CPU 之间共享部分内存，但每个 CPU都有自己的独立内存和总线结构；

• 通过一个操作系统控制不同处理器之间协同工作；

• 一般有一个主处理器，管理其他从处理器，如果此主处理器不能工作，则由第二候选处理器升级为主处理器；

4.3. 对称多处理技术

• 概念：多个CPU之间没有区别，平等地访问内存、外设、使用一个操作系统；

• 操作系统管理着一个队列，每个处理器依次处理队列中的进程；

• 如果两个处理器同时请求访问一个资源（例如同一段内存地址），由硬件、软件的锁机制去解决资源争用问题；

习题

• 1. 某计算机主频 1.2GHz，其指令分为 4 类，在基准程序中，各个指令占比及 CPI 如下表所示，则该计算机 MIPS 指标为（）

  

  • 答案：400

  • 解析：$\mathrm{MIPS}=\frac{\mathrm{Frequency}}{\mathrm{CPI}\times {10}^6}$，该题 CPI 直接加权平均即可

  • 注：CPI（Cycle Per Instruction）：平均指令周期数

• 2. 某机器的主频 8MHz，平均指令执行速度 0.8 MIPS，平均每个机器周期包含 4 个时钟周期，求：该机器的平均指令周期，平均每个指令周期包含多少个机器周期？

  • 答案：1/0.8M s，2.5 个

  • 注意区分 CPI 和平均指令周期，前者是周期的个数，后者是时间量，CPI 和 MIPS 关系见第 1 题，平均指令周期 T = 1/平均指令执行速度；

• 3. 下面叙述中，错误的是（）

  • A. 操作系统既能进行多任务处理，又能进行多重处理；

  • B. 多重处理是多任务处理的子集；

  • C. 多任务是指同一时间内在同一系统中同时运行多个进程；

  • D. 一个CPU的计算机上也可以进行多重处理；

  • 答案：D

  • 解析：区分多任务和多重处理

    • 多任务：指系统中同一时间允许多个任务（进程）处于运行状态；

    • 多重处理：指有多个 CPU 的计算机，同时在每一个 CPU 上运行任务（进程）；

• ℹ️4. 冯诺依曼结构计算机中数据采用二进制编码表示，其主要原因是（）

  • （1）二进制的运算规则简单，（2）制造两个稳态的物理器件比较容易，（3）便于用逻辑门电路实现算术运算；

  • A. (1), (2)；

  • B. (1), (3)；

  • C. (2), (3)；

  • D. 全部；

  • 答案：D