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知识路径： > 计算机系统基础知识 > 计算机硬件基础知识 > 计算机系统的组成、体系结构分类及特性 >
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知识难度系数： 
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考试要求：掌握
相关知识点：16个
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关于计算机体系结构、计算机组织和计算机实现三者的关系如下。
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（1）计算机体系结构（Computer Architecture）是指计算机的概念性结构和功能属性。
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（2）计算机组织（Computer Organization）是指计算机体系结构的逻辑实现，包括机器内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等（常称为计算机组成原理）。
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（3）计算机实现（Computer Implementation）是指计算机组织的物理实现。
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（1）单处理系统（Uniprocessing System），是指利用一个处理单元与其他外部设备结合起来，实现存储、计算、通信、输入与输出等功能的系统。
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（2）并行处理与多处理系统（Parallel Processing and Multiprocessing System），是指为了充分发挥问题求解过程中处理的并行性，将两个以上的处理机相互连接起来，彼此进行通信协调，以便共同求解一个大问题的计算机系统。
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（3）分布式处理系统（Distributed Processing System），是指物理上远距离而松耦合的多计算机系统。其中，物理上的远距离意味着通信时间与处理时间相比已不可忽略，在通信线路上的数据传输速率要比在处理机内部总线上的传输慢得多，这也正是松耦合的含义。
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1966年，M．J．Flynn提出按指令流和数据流的不同组织方式把计算机体系结构分为以下四大类。
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1972年，美籍华人科学家冯译云提出按最大并行度来进行分类。最大并行度是指计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。冯译云将计算机系统结构分为以下4种。
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1977年，德国的汉德勒（Wolfgang Handler）提出一个基于硬件并行程序计算并行度的方法，把计算机的硬件结构分为以下3个层次。
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1978年，美国的库克（David J．Kuck）提出与Flynn分类法类似的方法，用指令流和执行流及其多重性来描述计算机系统控制结构的特征。Kuck把系统结构分为以下4类。
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指令系统指的是一个CPU所能够处理的全部指令的集合，是一个CPU的根本属性。一条指令一般包括两个部分，即操作码和地址码。操作码指明操作的类型，地址码主要指明操作数及运算结果存放的地址。
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表示指令中操作数所在的方法称为寻址方式。常见的寻址方式有以下几种。
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（1）立即寻址：操作数作为指令的一部分而直接写在指令中，这种操作数称为立即数。
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（2）寄存器寻址：指令所要的操作数已存储在某寄存器中，或把目标操作数存入寄存器。
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（3）直接寻址：指令所要的操作数存放在内存中，在指令中直接给出该操作数的有效地址。
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（4）寄存器间接寻址：操作数在存储器中，操作数的有效地址用SI、DI、BX和BP这4个寄存器之一来指定。
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（5）寄存器相对寻址：操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器（BX、BP）或变址寄存器（SI、DI）的内容和指令中的8位/16位偏移量之和。
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（6）基址加变址寻址方式：操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器（BX、BP）和一个变址寄存器（SI、DI）的内容之和。
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（7）相对基址加变址寻址：操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器（BX、BP）的值、一个变址寄存器（SI、DI）的值和指令中的8位/16位偏移量之和。
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（1）CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）的基本思想是：进一步增强原有指令的功能，用更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化，导致机器的指令系统越来越庞大而复杂。
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②微程序技术是CISC的重要支柱，每条复杂指令都要通过执行一段解释性微程序才能完成，这就需要多个CPU周期，从而降低了机器的处理速度。
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③由于指令系统过分庞大，使高级语言编译程序选择目标指令的范围很大，并使编译程序本身冗长而复杂，从而难以优化编译使之生成真正高效的目标代码。
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④CISC强调完善的中断控制，势必导致动作繁多、设计复杂、研制周期长。
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⑤CISC给芯片设计带来了很多困难，使芯片种类增多、出错概率增大、成本提高而成品率降低。
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（2）RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）的基本思想是：通过减少指令总数和简化指令功能，降低硬件设计的复杂度，使指令能单周期执行，并通过优化编译，提高指令的执行速度，采用硬线控制逻辑，优化编译程序。
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①重叠寄存器窗口技术。在加州大学伯克利分校的RISC项目中，首先采用了重叠寄存器窗口（Overlapping Register Windows）技术。
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②优化编译技术。RISC使用了大量的寄存器，如何合理分配寄存器、提高寄存器的使用效率及减少访存次数等，都应通过编译技术的优化来实现。
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③超流水及超标量技术。这是RISC为了进一步提高流水线速度而采用的技术。
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（1）顺序方式。顺序方式是指各条机器指令之间顺序串行地执行，执行完一条指令后才取下一条指令，而且每条机器指令内部的各个微操作也是顺序串行地执行。这种方式的优点是控制简单；缺点是速度上不去，机器各部件的利用率低。
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（2）重叠方式。重叠方式是指在解释第x条指令的操作完成之前，就可开始解释第x+i条指令。通常采用的是一次重叠，即在任何时候，指令分析部件和指令执行部件都只有相邻两条指令在重叠解释。这种方式的优点是速度有所提高，控制也不太复杂；缺点是会出现冲突、转移和相关等问题，在设计时必须想办法解决。
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（3）流水方式。流水技术是把并行性或并发性嵌入到计算机系统里的一种形式，它把重复的顺序处理过程分解为若干子过程，每个子过程能在专用的独立模块上有效地并发工作，如下图所示。
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在概念上，"流水"可以看成是"重叠"的延伸。差别仅在于"一次重叠"只是把一条指令解释分解为两个子过程，而"流水"则是分解为更多的子过程。
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吞吐率是指单位时间里流水线处理机流出的结果数。对指令而言，就是单位时间里执行的指令数。如果流水线的子过程所用时间不一样，则吞吐率p应为最长子过程的倒数，即
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流水线开始工作，须经过一定时间才能达到最大吞吐率，这就是建立时间。若m个子过程所用时间一样，均为△t0，则建立时间T0=m△t0。
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并行性包括同时性和并发性两个侧面。其中，同时性是指两个或两个以上的事件在同一时刻发生，并发性是指两个或两个以上的事件在同一时间间隔内连续发生。
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从计算机信息处理的步骤和阶段的角度看，并行处理可分为以下几类。
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.指令、任务、作业并行（多处理机、分布式处理系统、计算机网络）。
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阵列处理机将重复设置的多个处理单元（PU）按一定方式连成阵列，在单个控制部件（CU）控制下，对分配给自己的数据进行处理，并行地完成一条指令所规定的操作。这是一种单指令流多数据流计算机，通过资源重复实现并行性。
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SIMD和MIMD是典型的并行计算机，SIMD有共享存储器和分布存储器两种形式。
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具有共享存储器的SIMD结构（见下图）中，将若干个存储器构成统一的并行处理机存储器，通过互连网络（Interconnection Network，ICN）为整个并行系统的所有处理单元共享。其中，PE为处理单元，CU为控制部件，M为共享存储器，ICN为互连网络。
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分布存储器的SIMD处理机如下图所示，其中PE为处理单元，CU为控制部件，PEM为局部存储器，ICN为互连网络。含有多个同样结构的处理单元，通过寻径网络ICN以一定方式互相连接。
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分布存储器的并行处理机结构中有两类存储器：一类存储器附属于主处理机，主处理机实现整个并行处理机的管理，在其附属的存储器内常驻操作系统；另一类是分布在各个处理单元上的存储器（即PEM），这类存储器用来保存程序和数据。
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多处理机系统是由多台处理机组成的系统，每台处理机都有属于自己的控制部件，可以执行独立的程序，共享一个主存储器和所有的外部设备。它是MIMD计算机。多处理机之间的互连，要满足高带宽、低成本、连接方式的多样性以及在不规则通信情况下连接的无冲突性。
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