可供选择的体系结构

博主： Xherlock
发布时间：2022 年 06 月 05 日
460 次浏览
暂无评论
3198字数
分类：计算机组成与体系结构

# 可供选择的体系结构

## RISC设备

Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机：提供可支持所有基本操作的**最小指令集**

计算机性能计算公式：

![image-20220604205717196.png](http://xherlock.top/usr/uploads/2022/06/1128819007.png)

缩短时钟周期：RISC、CISC性能都提升

减少程序中指令数：CISC提升

最小化每条指令的时钟周期数：RISC提升

| RISC                        | CISC                           |
| ----------------------------- | -------------------------------- |
| 多个寄存器组                | 一个寄存器组                   |
| 每条指令最多3个寄存器操作数 | 每条指令可以1或2个寄存器操作数 |
| 寄存器窗口传参              | 内存栈传参                     |
| 硬连线电路实现              | 微代码控制                     |
| 单周期指令                  | 多周期指令                     |
| 流水线程度高                | 流水线程度低                   |
| 简单指令且指令数少          | 复杂指令                       |
| 定长指令                    | 变长指令                       |
| 编译器设计复杂              | 微代码设计复杂                 |
| 仅load和store指令可以访存   | 许多指令都可以访存             |
| 较少的寻址方式              | 许多寻址方式                   |

## Flynn's Taxonomy费林分类法

根据处理器数量和数据流数量进行分类

* SISD：单指令流单数据流，经典单处理器系统
* SIMD：单指令流多数据流，包含阵列处理器、向量处理器和脉动阵列
* MIMD：多指令流多数据流，并行架构
* MISD：多指令流单数据流

**分类法的不足**：

* 很少有符合MISD架构特性的应用
* Flynn假设所有的并行性都是同构的，但多处理器可能是同构也可能是异构的
* MIMD分类没有考虑多个处理器间如何互连以及如何使用主存

Symmetric multiprocessor（**SMP，对称多处理器**）和Massively parallel processor（**MPP，大规模并行处理器**）均属于MIMD

SMP共享存储器，MPP不共享

**SMP** -> fewer processors + shared memory + communication via memory

**MPP** -> many processors + distributed memory + communication via network

**分布式计算**是另一种MIMD体系结构

* 工作站网络（NOW，network of workstations）：一组并行工作的分布式工作站的集合
* 工作站集群（COW，collection of workstations）：与NOW相比需要一个公司或组织负责管理
* 专用集群并行计算机（DCPC，dedicated cluster parallel computer）：一组专门用于某个特定并行计算任务的工作站集合

费林分类法新加了个**SPMD（单程序多数据）** 体系结构：多个处理器，每个处理器运行相同的程序，有自己的数据集和程序存储器；虽然每个处理器加载相同的程序，但运行的指令可能不同

最终***体系结构的分类***如下

![image-20220604212749992.png](http://xherlock.top/usr/uploads/2022/06/4128065112.png)

## 并行和多处理器体系结构

**超流水线**（superpipelining）：流水线中某些阶段的执行时间小于时钟周期的一半时引入，一个频率为外部时钟频率的两倍的内部时钟加入到处理器中，这样就可以在一个外部时钟周期内完成两个任务

**矢量计算机**（vector computers）：一次对整个矢量或者矩阵操作（超级计算机），高度流水线

可以根据**指令如何获取操作数**分为*寄存器-寄存器向量处理器*（源操作数和目的操作数都保存在寄存器中）和*存储器-存储器向量处理器*（允许将操作数从存储器中取出直接送到算术单元）

共享存储器的MIMD机器根据如何同步访存操作可分为：

* 均匀存储器访问（UMA，uniform memory access）
* 非均匀存储器访问（NUMA，nonuniform memory access）

NUMA机器容易出现**缓存一致性问题**（cache coherence problem）：主存数据变了而缓存影响未变，解决方法：增加监听高速缓存控制器（snoopy cache controllers）——CC-NUMA，高速缓存一致的NUMA

更改同时更新：**写直通高速缓存更新协议**（write-through cache update protocol）

* 写直通更新策略：广播新值并更新
* 写直通无效（invalidate）策略：广播删除旧值

数据变化时仅改变缓存中的值，主存中的副本知道其所对应的缓存块被替换并写回主存时才改变：**写回协议**（write-back protocol）

**分布式计算**：另一种形式的多处理器，主要指松耦合的多计算机系统（very loosely-coupled processing units）；包含了云计算（cloud computing）

## 其他并行处理方法

### 数据流计算（dataflow computing）

Von Neumannn计算机采用顺序控制流，程序计数器决定下一条要执行的指令

但在数据流计算中，程序的控制流直接与数据绑定，指令的实际顺序与他们最终的执行顺序无关，数据持续流出，可以在同一时刻被多条指令所用

### 神经网络（neural network）

可以处理不精确、具有随机性的信息、允许自适应

最简单的神经网络处理元件是感知器（perceptron），是可训练的神经元：阈值（threshold）和输入权值（input weight）可以调整

### 脉动阵列（systolic array）

SIMD计算机的变种，可以维持很高的吞吐量，一般用来计算重复性任务

## 量子计算（quantum computing）

计算机都是基于晶体管（transistor-based）技术

量子计算使用量子位（quantum bits）来同时表示多种状态

最后修改：2022 年 06 月 17 日

如果觉得我的文章对你有用，请随意赞赏

发表评论取消回复

评论 *

私密评论

名称 *

🎲

邮箱 *

地址

Reverse（十一）
浏览次数: 2629
Win11新机鼓捣记录
浏览次数: 2382
栈~数制转换
浏览次数: 1604
C++学习
浏览次数: 1603
Python实现文件管理系统（重命名和删除）
浏览次数: 1575

顶点软件
你写得非常清晰明了，让我很容易理解你的观点。
mars
博主你好，请问怎么知道的alloc函数属于Buffer下的方法...
lj
该评论仅登录用户及评论双方可见
Mr.Guan
:@(赞一个)
Typecho
欢迎加入 Typecho 大家族

机试Day1
浏览次数: 1083
操作系统特征
浏览次数: 515
python爬虫学习
浏览次数: 567
CH2 虚拟机中分析恶意代码
浏览次数: 394
机试day10
浏览次数: 348

可供选择的体系结构

Xherlock • 2022 年 06 月 05 日

# 可供选择的体系结构

## RISC设备

Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机：提供可支持所有基本操作的**最小指令集**

计算机性能计算公式：

![image-20220604205717196.png](http://xherlock.top/usr/uploads/2022/06/1128819007.png)

缩短时钟周期：RISC、CISC性能都提升

减少程序中指令数：CISC提升

最小化每条指令的时钟周期数：RISC提升

## Flynn's Taxonomy费林分类法

根据处理器数量和数据流数量进行分类

**分类法的不足**：

Symmetric multiprocessor（**SMP，对称多处理器**）和Massively parallel processor（**MPP，大规模并行处理器**）均属于MIMD

SMP共享存储器，MPP不共享

**SMP** -> fewer processors + shared memory + communication via memory

**MPP** -> many processors + distributed memory + communication via network

**分布式计算**是另一种MIMD体系结构

最终***体系结构的分类***如下

![image-20220604212749992.png](http://xherlock.top/usr/uploads/2022/06/4128065112.png)

## 并行和多处理器体系结构

**矢量计算机**（vector computers）：一次对整个矢量或者矩阵操作（超级计算机），高度流水线

共享存储器的MIMD机器根据如何同步访存操作可分为：

* 均匀存储器访问（UMA，uniform memory access）
* 非均匀存储器访问（NUMA，nonuniform memory access）

更改同时更新：**写直通高速缓存更新协议**（write-through cache update protocol）

* 写直通更新策略：广播新值并更新
* 写直通无效（invalidate）策略：广播删除旧值

数据变化时仅改变缓存中的值，主存中的副本知道其所对应的缓存块被替换并写回主存时才改变：**写回协议**（write-back protocol）

**分布式计算**：另一种形式的多处理器，主要指松耦合的多计算机系统（very loosely-coupled processing units）；包含了云计算（cloud computing）

## 其他并行处理方法

### 数据流计算（dataflow computing）

Von Neumannn计算机采用顺序控制流，程序计数器决定下一条要执行的指令

但在数据流计算中，程序的控制流直接与数据绑定，指令的实际顺序与他们最终的执行顺序无关，数据持续流出，可以在同一时刻被多条指令所用

### 神经网络（neural network）

可以处理不精确、具有随机性的信息、允许自适应

最简单的神经网络处理元件是感知器（perceptron），是可训练的神经元：阈值（threshold）和输入权值（input weight）可以调整

### 脉动阵列（systolic array）

SIMD计算机的变种，可以维持很高的吞吐量，一般用来计算重复性任务

## 量子计算（quantum computing）

计算机都是基于晶体管（transistor-based）技术

量子计算使用量子位（quantum bits）来同时表示多种状态

发表评论 取消回复

可供选择的体系结构

发表评论取消回复