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第1章计算机系统结构的基本概念张晨曦刘依www.Arch365
1.4 计算机系统结构的发展 不同的应用对计算机系统结构的设计提出了不同的要求 应用需求是促使计算机系统结构发展的最根本的动力 一些特殊领域:需要高性能的系统结构 高结构化的数值计算 气象模型、流体动力学、有限元分析 非结构化的数值计算 蒙特卡洛模拟、稀疏矩阵 实时多因素问题 语音识别、图像处理、计算机视觉 1.4.4 应用对系统结构的影响 1.4 计算机系统结构的发展 大存储容量和输入输出密集的问题 数据库系统、事务处理系统 图形学和设计问题 计算机辅助设计 人工智能 面向知识的系统、推理系统等 计算机性能随时间下移 1.4 计算机系统结构的发展 系统结构的生命周期:从诞生、发展、成熟到消亡 从硬件成熟到系统软件成熟大约需要5~7年的时间 从系统软件成熟到应用软件成熟,大约也需要5~7年时间。 再过5~7年的时间,这种系统结构就不会作为主流系统结构存在了。 Intel的x86系列微处理器中32位系统结构的发展 1.4.5 系统结构的生命周期 1.4 计算机系统结构的发展 并行性:计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内 进行多种运算或操作。 只要在时间上相互重叠,就存在并行性。 同时性:两个或两个以上的事件在同一时刻发生。 并发性:两个或两个以上的事件在同一时间间隔 内发生。 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 1.5.1 并行性的概念 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 从处理数据的角度来看,并行性等级从低到高可分为: 字串位串:每次只对一个字的一位进行处理。 最基本的串行处理方式,不存在并行性。 字串位并:同时对一个字的全部位进行处理,不 同字之间是串行的。 开始出现并行性。 字并位串:同时对许多字的同一位(称为位片) 进行处理。 具有较高的并行性。 全并行:同时对许多字的全部位或部分位进行处理。 最高一级的并行。 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 从执行程序的角度来看,并行性等级从低到高可分为: 指令内部并行:单条指令中各微操作之间的并行。 指令级并行:并行执行两条或两条以上的指令。 线程级并行:并行执行两个或两个以上的线程。 通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。 任务级或过程级并行:并行执行两个或两个以上 的过程或任务(程序段) 以子程序或进程为调度单元。 作业或程序级并行:并行执行两个或两个以上的 作业或程序。 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 三种途径: 时间重叠 引入时间因素,让多个处理过程在时间上相 互错开,轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个 部分,以加快硬件周转而赢得速度。 资源重复 引入空间因素,以数量取胜。通过重复设置 硬件资源,大幅度地提高计算机系统的性能。 1.5.2 提高并行性的技术途径 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 资源共享 这是一种软件方法,它使多个任务按一定时间 顺序轮流使用同一套硬件设备。 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 在发展高性能单处理机过程中,起主导作用的是时间 重叠原理。 实现时间重叠的基础:部件功能专用化 把一件工作按功能分割为若干相互联系的部分; 把每一部分指定给专门的部件完成; 按时间重叠原理把各部分的执行过程在时间上 重叠起来,使所有部件依次分工完成一组同样的工作。 1.5.3 单机系统中并行性的发展 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 例如: 对于解释指令的5个过程,就分别需要 5个专用的部件:取指令部件(IF)、指令译码部件 (ID)、指令执行部件(EX)、访问存储器部件(M)和 写结果部件(WB)。 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 在单处理机中,资源重复原理的运用也已经十分普遍。 多体存储器 多操作部件 通用部件被分解成若干个专用部件,如加法部件、乘 法部件、除法部件、逻辑运算部件等,而且同一种部 件也可以重复设置多个。 只要指令所需的操作部件空闲,就可以开始执行这条 指令(如果操作数已准备好的话)。 这实现了指令级并行。 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 阵列处理机(并行处理机) 更进一步,设置许多相同的处理单元,让它们在同 一个控制器的指挥下,按照同一条指令的要求,对向量 或数组的各元素同时进行同一操作,就形成了阵列处理 机 。 在单处理机中,资源共享的概念实质上是用单处理机 模拟多处理机的功能,形成所谓虚拟机的概念。 分时系统 1.5 计算机系统结构中并行性的发展 多机系统遵循时间重叠、资源重复、资源共享原理,发展为3种不同
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