電腦體繫結構總結

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電腦體繫結構電腦體繫結構是機器級程式員所看到的電腦的屬性，即概念性結構與功能特性。經典電腦體繫結構概念的實質是電腦系統中軟硬體介面的確定，其介面之上的是軟體的功能，介面之下的是硬體和韌體的功能。廣義（現代）的電腦體繫結的構概念，它除了包括經典的電腦體繫結構的概念範疇（指令集結構），還包括電腦群組成和電腦實現的內容。目錄

1. 電腦體繫結構的功能屬性
2. 電腦體繫結構的分類
3. 電腦體繫結構基本原理
4. 電腦體繫結構研究面臨的挑戰

電腦體繫結構的功能屬性

　　●資料表示(硬體能直接辯認和處理的資料類型)；

　　●定址規則(包括最小定址單元、定址方式及其表示)；

　　●寄存器定義(包括各種寄存器的定義、數量和使用方式)；

　　●指令集(包括機器指令的操作類型和格式、指令間的排序和控制機構等)；

　　●中斷系統(中斷的類型和中斷響應硬體的功能等)；

　　●機器工作狀態的定義和切換(如管態和目態等)；

　　●儲存系統(主存容量、程式員可用的最大儲存容量等)；

　　●資訊保護(保護方式和硬體對資訊保護的支援)；

　　●I/O結構(包括I/O串連方式、處理機/儲存空間與I/O裝置間資料傳送的方式和格式以及I/O操作的狀態等)；

電腦體繫結構的分類

　　（1）Flynn分類法

　　1966年，Michael.J.Flynn提出根據指令流、資料流的多倍性（multiplicity）特徵對電腦系統進行分類，定義如下。

　　●指令流：機器執行的指令序列

　　●資料流：由指令流調用的資料序列，包括輸入資料和中間結果

　　●多倍性：在系統效能瓶頸組件上同時處於同一執行階段的指令或資料的最大可能個數。

　　Flynn根據不同的指令流-資料流組織方式把電腦系統分為4類。

　　1、單指令流單資料流（SingleInstructionStreamSingleDataStream，SISD）

　　SISD其實就是傳統的順序執行的單一處理器電腦，其指令組件每次只對一條指令進行解碼，並只對一個操作組件分配資料。

　　2、單指令流多資料流（SingleInstructionStreamMultipleDataStream，SIMD）

　　SIMD以平行處理機為代表，結構，平行處理機包括多個重複的處理單元PU1～PUn，由單一指令組件控制，按照同一指令流的要求為它們分配各自所需的不同的資料。

　　3、多指令流單資料流（MultipleInstructionStreamSingleDataStream，MISD）

　　MISD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資料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。

　　4、多指令流多資料流（MultipleInstructionStreamMultipleDataStream，MIMD）

　　MIMD的結構，它是指能實現作業、任務、指令等各級全面並行的多機系統，多處理機就屬於MIMD。

　　（2）馮式分類法

　　1972年馮澤雲提出用最大並行度來對電腦體繫結構進行分類。所謂最大並行度Pm是指電腦系統在單位時間內能夠處理的最大的二進位位元。設每一個刻度△ti內能處理的二進位位元為Pi，則T個刻度內平均並行度為Pa=(∑Pi)／T(其中i為1，2，…，T)。平均並行度取決於系統的運行程度，與應用程式無關，所以，系統在周期T內的平均利用率為μ=Pa/Pm=(∑Pi)/(T*Pm)。用最大並行度對電腦體繫結構進行的分類。用平面直角座標系中的一點表示一個電腦系統，橫座標表示字寬(N位)，即在一個字中同時處理的二進位位元；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。

　　由此得出四種不同的電腦結構：

　　①字串列、位串列(簡稱WSBS)。其中N＝1，M＝1。

　　②字並行、位串列(簡稱WPBS)。其中N＝1，M>1。

　　③字串列、位並行(簡稱WSBP)。其中N>1，M＝1。

　　④字並行、位並行(簡稱WPBP)。其中N>1，M>1。

電腦體繫結構基本原理

• 　　電腦體繫結構解決的是電腦系統在總體上、功能上需要解決的問題，它和電腦群組成、電腦實現是不同的概念。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。
• 　　電腦系統結構的邏輯實現，包括機器內部資料流和控制流程的組成以及邏輯設計等。其目標是合理地把各種組件、裝置群組成電腦，以實現特定的系統結構，同時滿足所希望達到的效能價格比。一般而言，電腦群組成研究的範圍包括：確定資料通路的寬度、確定各種操作對功能組件的共用程度、確定專用的功能組件、確定功能組件的並行度、設計緩衝和排隊策略、設計控制機構和確定採用何種可靠技術等。電腦群組成的物理實現。包括處理機、主存等組件的物理結構，器件的整合度和速度，器件、模組、外掛程式、底板的劃分與串連，專用器件的設計，訊號傳輸技術，電源、冷卻及裝配等技術以及相關的製造工藝和技術。

電腦體繫結構研究面臨的挑戰

　　當前，電腦體繫結構研究面臨著新的挑戰：

　　●多核處理器體繫結構帶來的高效軟體開發與最佳化問題；

　　●納米量級超大規模整合電路帶來的晶片可靠性問題；

　　●大規模高效能運算系統和攜帶型嵌入式系統中的功耗控制問題；

　　●適應虛擬計算需求的體繫結構虛擬化問題；

　　同時，隨著新材料、新工藝正在快速發展，電腦使能技術不斷變化，基於新型納米功能器件、量子器件或DNA分子的新概念計算處於探索階段。

電腦體繫結構總結