《软件系统分析师》第11章 计算机系统与配置

11.1.2 提高计算机系统运算速度的方法
计算机进行数据处理是通过按一定次序执行由若干条指令组成的程序而实现的。由CPU来控制指令的执行及其执行 次序，即由CPU发出取指令信号和完成该指令操作所需的控制信号。在早期的或结构最简单的计算机甲，指令之间是不 重叠执行的，即执行完一条指令后再取下一条指令并执行之。通常需要若干个时钟周期才能完成一条指令的操作，例如 在执行加法指令时可能需要4个时钟周期分别完成取指令、取操作数、执行加法运算和写结果4个操作(不同指令所需的周 期数可能不同)。分析程序中各条指令的执行过程可以发现，机器的各部分在某些周期内进行操作，而在某些周期内是空 闲的。仍以加法指令为例，如果操作数存放在通用寄存器，且运算结果也送回(写)到通用寄存器，那么仅在取指令周期访 问存储器，在其他周期存储器都是空闲的。如果CPU中的控制部件调度恰当，让各个部件都紧张工作，就可提高计算机 的运行速度，于是便研究出流水线结构。
11.4.1计算机性能评测概述
11.4.1.1 计算机性能评侧的度量项目
•性能指标 •可靠性、可用性和可维护性 •环境适应性 •兼容性 •开放性 •可扩充性 •安全性 •保密性 •性能价格比
11.4.1.2 评测方法
•测量法 •模型法
11.4 计算机性能评测
11.4.2开放系统
遵循公开标准的计算机系统称为开放系统。负责开发可移植操作系统接口(POSIX)标准的美国电气和电子工程师协 会(IEEE) P1003工作组把开放系统定义为：按照开放的接口、服务和支持的规范而实现的系统。
11.1.6系统总线和外设接口 11.1.7超级标量处理机、超级流水线处理机和超长指令字处理机
1.超级标量(Superscalar)处理机 2.超级流水线(super pipeline)处理机 3.超长指令字(VLIW)处理机
11.2 并行处理计算机
11.2.1向量处理机 11.2.2多处理机系统
11.4.3系统兼容性
•硬件设备或部件兼容 •机器语言程序兼容 •汇编语言程序兼容 •高级语言程序兼容 •系统软件兼容 •软件系统兼容
11.1 计算机体系结构
11.1.5 存储系统的发展
11.1.5.1 多层次存储系统 11.1.5.2 cache存储器
1.cache工作原理 2.指令cache和数据cache 3.多层次cache
11.1.5.3虚拟存储器 11.1.5.4访问存储器(取指或存取数据)的工作过程
1.虚地址转换成实地址 2.根据实地址访问主存
•硬件冗余 •软件冗余 •信息冗余
•时间冗余
故障可归结为永久性故障、间隙性故障和瞬时性故障3类 最常用的硬件冗余是硬件的重复设置。硬件冗余一般可分为3种类型：静态冗余、动态 冗余和混合冗余 一个采用冗余技术的计算机系统在处理运行中产生故障时，通常采用以下10个步骤(或 其中的一部分)
11.4 计算机性能评测
11.1 计算机体系结构
11.1.3 流水线技术
1.指令的重叠执行 2.流水线中的相关问题 3.程序转移对流水线的影响 4.其他
11.1.4 指令预取和无序执行
由于存储器接收到地址后取出指令(或数据)需要的时间与CPU操作相比要长得多，这对流水线的安排是很不利的， 因此可以考虑提前从存储器取出指令，暂存在CPU的硬件(指令预取部件)中，由于程序的指令一般是顺序存放在存储器( 转移例外)中的，指令预取是有用的。指令取出后可以预先进行分析，如果该指令执行时所需的操作数在存储器中，则亦 可以提前取出放在CPU的数据寄存器，这样当指令进入流水线后的取指和取数操作都可在CPU内部完成，提高了速度。 指令预分析的另一好处可以适当调整一些指令的执行顺序，以利于程序的优化执行，其前提是不影响运算结果的正 确性，称之为无序执行或动态执行。 这样一来在CPU中存在多条指令，有的还处于流水线的不同周期中，增加了CPU的控制复杂程度。 在对指令进行预分析时，如遇到无条件转移指令，则可以按转移后的地址取后续指令；遇到条件转移指令时，有时 的机器采用“猜测法”，有的机器甚至同时选取几个转移分支的指令，按分支排成几个队列，当转移条件确定后选择其 中一个队列继续执行程序，并舍弃其余队列。
(1)SGI Origin的基本结构 (2) Origin的拓扑结构
11.3 计算机系统的可靠性、可用性、可维护性技术和容错技术 11.3.1 计算机系统的可靠性
11.3.1.1 计算机系统的可靠性指标
提高系统可靠性一般有两类技术方法，即避错法和容错法 硬件避错技术的作用是减少系统失效的可能性，主要包括
1.多处理机系统结构 2.大规模并行处理机MPP和对称处理机SMP 3.互联网络ICN(inter connection network) 常见的互联网结构如下
•总线结构 •交叉开关 •多级互联网
4. cache一致性 5.非均匀存储存取NUMA(non uniform memory access) 下面以SGI公司的Origin服务器为例来介绍多处理机系统的结构
11.ຫໍສະໝຸດ Baidu 计算机体系结构
11.1.5.5 主存储器
1. DRAM的研究与发展 •增强型DRAM(EDRAM) •cache DRAM(CDRAM ) •EDO DRAM •同步DRAM(SDRAM) •Rambus DRAM(RDRAM) 2.交错存储器
11.1.5.6 相联存储器
11.1 计算机体系结构
计算机科学与技术研究专家
陶贤斌
Email: ceo@iysms.com
System
软件系统分析师
Software System Analyst
第11章
计算机系统与配置
11.1 计算机体系结构
11.1 计算机体系结构
11.1.1计算机指令系统的发展
1.复杂指令系统计算机(CISC) 2.精简指令系统计算机(RISC)
11.3.1. 2 采用附加的数据校验码来提高计算机系统的可靠性
1.奇偶校验码 2.纠错码ECC 3.循环冗余检验码CRC
11.3.2 计算机系统的可用性 11.3.3 计算机系统的可维护性
11.3 计算机系统的可靠性、可用性、可维护性技术和容错技术 11.3.4 容错技术
冗余一般可分为下列几种类型