計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)

第1章計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)根據(jù)考試大綱，本章內(nèi)容要求考生掌握3個(gè)知識點(diǎn)。（1）構(gòu)成計(jì)算機(jī)的各類部件的功能及其相互關(guān)系；（2）各種體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與應(yīng)用（SMP、MPP）；（3）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。1.1計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展馮·諾依曼等人于1946年提出了一個(gè)完整的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)雛形，它由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備組成?，F(xiàn)代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與馮·諾依曼等人當(dāng)時(shí)提出的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，已發(fā)生了重大變化，雖然就其結(jié)構(gòu)原理來說，占有主流地位的仍是以存儲(chǔ)程序原理為基礎(chǔ)的馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)，但是，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了許多改進(jìn)，主要包括以下幾個(gè)方面。（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從基于串行算法改變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，從而出現(xiàn)了向量計(jì)算機(jī)、并行計(jì)算機(jī)、多處理機(jī)等。（2）高級語言與機(jī)器語言的語義距離縮小，從而出現(xiàn)了面向高級語言機(jī)器和執(zhí)行高級語言機(jī)器。（3）硬件子系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件相適應(yīng)，從而出現(xiàn)了面向?qū)ο蟛僮飨到y(tǒng)機(jī)器和數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)等。（4）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型和需求驅(qū)動(dòng)型，從而出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)和歸約機(jī)。（5）為了適應(yīng)特定應(yīng)用環(huán)境而出現(xiàn)了各種專用計(jì)算機(jī)。（6）為了獲得高可靠性而研制容錯(cuò)計(jì)算機(jī)。（7）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能分散化、專業(yè)化，從而出現(xiàn)了各種功能分布計(jì)算機(jī)，這類計(jì)算機(jī)包括外圍處理機(jī)、通信處理機(jī)等。（8）出現(xiàn)了與大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路相適應(yīng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1.2構(gòu)成計(jì)算機(jī)的各類部件的功能及其相互關(guān)系計(jì)算機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。1966年，Michael.J.Flynn提出根據(jù)指令流、數(shù)據(jù)流的多倍性特征對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類（通常稱為Flynn分類法），有關(guān)定義如下：指令流：指機(jī)器執(zhí)行的指令序列。多倍性：指在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時(shí)處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個(gè)數(shù)。Flynn根據(jù)不同的指令流-數(shù)據(jù)流組織方式，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分成4類。（1）單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）：SISD其實(shí)就是傳統(tǒng)的順序執(zhí)行的單處理器計(jì)算機(jī)，其指令部件每次只對一條指令進(jìn)行譯碼，并只對一個(gè)操作部件分配數(shù)據(jù)。流水線方式的單處理機(jī)有時(shí)也被當(dāng)作SISD。值得注意的是，Intel公司的PⅡ中開始采用MMX技術(shù)，引進(jìn)了一些新的通用指令，從某種意義上使用了單指令流多數(shù)據(jù)流的思想，但是，與Intel公司的前幾代產(chǎn)品（X86/Pentium）相比，其指令序列的執(zhí)行方式和調(diào)用數(shù)據(jù)的方式?jīng)]有發(fā)生根本性的變化，所以從整體上來看，采用PⅡ芯片的PC仍屬于SISD。（2）單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）：SIMD以并行處理機(jī)（陣列處理機(jī)）為代表，并行處理機(jī)包括多個(gè)重復(fù)的處理單元PU1-PUn，由單一指令部件控制，按照同一指令流的要求為它們分配各自所需的不同數(shù)據(jù)。相聯(lián)處理機(jī)也屬于這一類。（3）多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）：MISD具有n個(gè)處理單元，按n條不同指令的要求對同一數(shù)據(jù)流及其中間結(jié)果進(jìn)行不同的處理。一個(gè)處理單元的輸出又作為另一個(gè)處理單元的輸入，這類系統(tǒng)實(shí)際上很少見到。有文獻(xiàn)把流水線看做多個(gè)指令部件，稱流水線計(jì)算機(jī)是MISD。（4）多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）：MIMD是指能實(shí)現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、指令等各級全面并行的多機(jī)系統(tǒng)。多處理機(jī)屬于MIMD。當(dāng)前的高性能服務(wù)器與超級計(jì)算機(jī)大多具有多個(gè)處理機(jī)，能進(jìn)行多任務(wù)處理，稱為多處理機(jī)系統(tǒng)。不論是大規(guī)模并行處理機(jī)MPP（MassivelyParallelProcessor）還是對稱多處理機(jī)SMP（SymmetricalMultiProcessor），都屬于這一類。Flynn分類法是最普遍使用的。其他的分類法還有：（1）馮氏分類法：由馮澤云在1972年提出，馮氏分類法以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)所能處理的最大二進(jìn)制位數(shù)來對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類。（2）Handler分類法：由WolfganHandler在1977年提出，Handler分類法根據(jù)計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行的并行度和流水線來對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類。（3）Kuck分類法：由DavidJ．Kuck在1978年提出，Kuck分類法與Flynn分類法相似，也是用指令流、執(zhí)行流和多倍性來描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特征，但其強(qiáng)調(diào)執(zhí)行流的概念，而不是數(shù)據(jù)流。1.3各種體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與應(yīng)用1.3.1復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CISC）的主要特點(diǎn)如下。=1\*GB3①指令數(shù)量眾多：指令系統(tǒng)擁有大量的指令，通常有100～250條。=2\*GB3②指令使用頻率相差懸殊：指令使用頻率相差懸殊，最常使用的是一些比較簡單的指令，僅占指令總數(shù)的20%，但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占80%，而大部分復(fù)雜指令卻很少使用。=3\*GB3③支持很多種尋址方式：支持的尋址方式通常為5～20種。=4\*GB3④變長的指令：指令長度不是固定的，變長的指令增加指令譯碼電路的復(fù)雜性。=5\*GB3⑤指令可以對存儲(chǔ)器單元中的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理：典型的CISC處理器通常都有指令能夠直接對內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其執(zhí)行速度較慢。1.3.2精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）不是簡單地把指令系統(tǒng)進(jìn)行簡化，而是通過簡化指令的途徑使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理，以減少指令的執(zhí)行周期數(shù)，從而提高運(yùn)算速度。RISC的主要特點(diǎn)：（1）指令數(shù)量少：優(yōu)先選取使用頻率最高的一些簡單指令以及一些常用指令，避免使用復(fù)雜指令。大多數(shù)指令都是對寄存器操作，對存儲(chǔ)器的操作僅提供了讀和寫兩種方式。（2）指令的尋址方式少：通常只支持寄存器尋址方式、立即數(shù)尋址方式以及相對尋址方式。（3）指令長度固定、格式種類少：因?yàn)镽ISC指令數(shù)量少，格式相對簡單，其指令長度固定，指令之間各字段的劃分比較一致，譯碼相對容易。（4）只提供了Load/Store指令訪問存儲(chǔ)器：只提供了從存儲(chǔ)器讀數(shù)Load和把數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器Store兩條指令，其余所有的操作都在CPU的寄存器間進(jìn)行。（5）以硬布線邏輯控制為主：為了提高操作的執(zhí)行速度，通常采用硬布線邏輯（組合邏輯）來構(gòu)建控制器。而CISC的指令系統(tǒng)很復(fù)雜，難以用組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)控制器，通常采用微程序控制。（6）單周期指令執(zhí)行：因?yàn)楹喕酥噶钕到y(tǒng)，很容易利用流水線技術(shù)使得大部分指令都能在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。少數(shù)指令可能會(huì)需要多個(gè)周期執(zhí)行，例如Load/Store指令因?yàn)樾枰L問存儲(chǔ)器，其執(zhí)行時(shí)間就會(huì)長一些。（7）優(yōu)化的編譯器：RISC的精簡指令集使編譯工作簡單化。因?yàn)橹噶铋L度固定、格式少、尋址方式少，編譯時(shí)不必在具有相似功能的許多指令中進(jìn)行選擇，也不必為尋址方式的選擇而費(fèi)心，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，從而可以生成能夠高效執(zhí)行的機(jī)器代碼。采用RISC技術(shù)的CPU硬件一般具有如下特點(diǎn)：寄存器數(shù)量多；采用流水線組織；控制器的實(shí)現(xiàn)采用硬布線控制邏輯電路。大多數(shù)RISC采用了Cache（緩存）方案，使用Cache來提高取指的速度。而且有的RISC甚至使用兩個(gè)獨(dú)立的Cache來改善性能：一個(gè)稱為指令Cache，另一個(gè)稱為數(shù)據(jù)Cache。這樣，取指和讀數(shù)可以同時(shí)進(jìn)行，互不干擾。典型的RISC處理器有DEC公司的Alpha21164、IBM公司的PowerPC620、HP公司的PA-8000、SGI公司MIPS分部的TS和Sun公司的UltraSPARC等。從理論上來看，CISC和RISC都有各自的優(yōu)勢，不能認(rèn)為精簡指令計(jì)算機(jī)就好，復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)就不好，事實(shí)上，這兩種設(shè)計(jì)方法很難找到完全的界線，而且在實(shí)際的芯片中，這兩種設(shè)計(jì)方法也有相互滲透的地方，表1-1所示是兩者的簡單對比。表1-1CISC和RISC的簡單對比項(xiàng)目CISCRISC指令條數(shù)多只選取最常見的指令指令復(fù)雜度高低指令長度變化短、固定指令執(zhí)行周期隨指令變化大大多在一個(gè)機(jī)器同期完成指令格式復(fù)雜簡單尋址方式多極少涉及訪問主存指令多極少，大部分只有兩條指令通用寄存器數(shù)量一般大量譯碼方式微程序控制硬件電路對編譯系統(tǒng)要求低高1.3.3流水線技術(shù)流水線技術(shù)是把一個(gè)任務(wù)分解為若干個(gè)順序執(zhí)行的子任務(wù)，不同的子任務(wù)由不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)執(zhí)行，而這些機(jī)構(gòu)可以同時(shí)工作。在任一時(shí)刻，任一任務(wù)只占用其中一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)的重疊執(zhí)行，以提高工作效率。流水線的關(guān)鍵之處在于重疊執(zhí)行。為了得到高性能的表現(xiàn)，流水線應(yīng)該滿負(fù)荷工作，即各個(gè)階段都要同時(shí)并行地工作。但是在實(shí)際情況中，流水線各個(gè)階段可能會(huì)相互影響，阻塞流水線，使其性能下降。阻塞主要由以下兩種情形引起：執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令和共享資源沖突。（1）轉(zhuǎn)移指令的影響通常在順序執(zhí)行指令的情況下，當(dāng)CPU取一條指令時(shí)，流水線的地址計(jì)算部件可以獨(dú)立地把當(dāng)前PC值加上當(dāng)前指令長度來計(jì)算下一條指令的地址，從而可以并行地工作，但是當(dāng)流水線執(zhí)行一條轉(zhuǎn)移指令時(shí)，就會(huì)引起流水線的阻塞。因?yàn)樵谠撧D(zhuǎn)移指令完成之前，流水線不能確定出下一條指令的地址。所以為了保證指令的正確執(zhí)行，必須把取指段和指令地址計(jì)算段互鎖。在取出轉(zhuǎn)移指令后，立即鎖住指令地址計(jì)算段，直到轉(zhuǎn)移指令執(zhí)行完成?；ユi階段流水線處于等待狀態(tài)，不能滿負(fù)荷工作，因而性能下降。（2）共享資源訪問沖突當(dāng)多條指令以流水線方式重疊執(zhí)行時(shí)，由于可能會(huì)引起對共享的寄存器／存儲(chǔ)器資源訪問次序的變化，因此將導(dǎo)致沖突，這種情況又稱為數(shù)據(jù)相關(guān)。為了避免這種沖突，就需要把相互有關(guān)的指令進(jìn)行阻塞，這樣就會(huì)引起流水線效率的下降。一般來說，指令流水線級數(shù)越多，越容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)相關(guān)，阻塞流水線。1．指令流水線計(jì)算機(jī)中，一條指令的執(zhí)行需要若干步，通常采用流水線技術(shù)來實(shí)現(xiàn)指令的執(zhí)行，以提高CPU性能。典型的指令執(zhí)行共分7個(gè)階段：=1\*GB3①計(jì)算指令地址，修改程序計(jì)數(shù)器PC；=2\*GB3②取指，即從存儲(chǔ)器中取出指令；=3\*GB3③指令譯碼；=4\*GB3④計(jì)算操作數(shù)地址；=5\*GB3⑤取操作數(shù)；=6\*GB3⑥執(zhí)行指令；=7\*GB3⑦保存結(jié)果。對指令執(zhí)行階段的劃分也可以把取指作為第一階段，其他階段順序前移，而在最后一個(gè)階段計(jì)算下一條指令的地址。若假定指令執(zhí)行的各個(gè)階段的執(zhí)行時(shí)間相同，都是一個(gè)周期。執(zhí)行一條指令就需要花費(fèi)7個(gè)周期的時(shí)間。采用流水線技術(shù)以后，當(dāng)滿負(fù)荷時(shí)，每個(gè)周期都能從流水線上完成一條指令，相當(dāng)于性能大約改善了7倍。實(shí)際上，流水線技術(shù)對性能的提高程度取決于其執(zhí)行順序中最慢的一步。例如，在指令執(zhí)行的7個(gè)階段中，如果訪問存儲(chǔ)器需要4個(gè)周期，而其他操作只需一個(gè)周期，一條指令的執(zhí)行共需訪存3次再加上4個(gè)周期的執(zhí)行段，所以共需要16個(gè)周期。采用流水線以后，由于受限于訪存操作，4個(gè)周期才能完成一條指令的執(zhí)行，因此性能提高了大約4倍。2．運(yùn)算操作流水線計(jì)算機(jī)在執(zhí)行各種運(yùn)算操作時(shí)，也可以應(yīng)用流水線技術(shù)來提高運(yùn)算速度。例如執(zhí)行浮點(diǎn)加法運(yùn)算，可以把它分成3個(gè)階段：對階、尾數(shù)相加和結(jié)果規(guī)格化。流水線的3個(gè)階段用鎖存器進(jìn)行分割，鎖存器用來在相鄰兩段之間保持處理的中間結(jié)果，以供下一階段使用。這樣在滿負(fù)荷時(shí)，該流水線可以同時(shí)處理3條浮點(diǎn)加法指令。1.3.4并行處理1．超級標(biāo)量處理機(jī)在超級標(biāo)量處理機(jī)中，配置了多個(gè)功能部件和指令譯碼電路，采取了多條流水線，還有多個(gè)寄存器端口和總線，因此可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作，以并行處理來提高機(jī)器的速度。它可以同時(shí)從存儲(chǔ)器中取出幾條指令同時(shí)送入不同的功能部件。超級標(biāo)量機(jī)的硬件是不能重新安排指令的前后次序的，但可以在編譯程序時(shí)采取優(yōu)化的辦法對指令的執(zhí)行次序進(jìn)行精心安排，把能并行執(zhí)行的指令搭配起來。2．超級流水線處理機(jī)超級流水線處理機(jī)的周期比其他結(jié)構(gòu)的處理機(jī)的短。與超級標(biāo)量計(jì)算機(jī)一樣，硬件不能調(diào)整指令的執(zhí)行次序，而由編譯程序解決優(yōu)先問題。3．超長指令字處理機(jī)VLIW是一種單指令流多操作碼多數(shù)據(jù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，編譯程序在編譯時(shí)把這個(gè)能并行執(zhí)行的操作組合在一起，成為一條有多個(gè)操作段的超長指令，這條超長指令控制VLIW中多個(gè)互相獨(dú)立的功能部件，每個(gè)操作段控制一個(gè)功能部件，相當(dāng)于同時(shí)執(zhí)行多條指令。4．向量處理機(jī)向量處理機(jī)是一種具有向量數(shù)據(jù)表示、設(shè)置有相應(yīng)的指令和硬件、能對向量的各個(gè)元素進(jìn)行并行處理的計(jì)算機(jī)。當(dāng)進(jìn)行向量運(yùn)算時(shí)，它的性能要比大型機(jī)好得多。向量處理機(jī)有巨型計(jì)算機(jī)和向量協(xié)處理機(jī)（或稱為數(shù)組處理機(jī)）兩種類型，巨型計(jì)算機(jī)能對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，同時(shí)它還可以進(jìn)行標(biāo)量計(jì)算和一般數(shù)據(jù)處理。向量處理機(jī)一般采用流水線工作，當(dāng)它處理一條數(shù)組指令時(shí)，會(huì)對數(shù)組中的每個(gè)元素執(zhí)行相同的操作，而且各元素間是互相無關(guān)的，因此流水線不會(huì)阻塞，能以每個(gè)時(shí)鐘周期送出一個(gè)結(jié)果的速度運(yùn)行。為了存儲(chǔ)系統(tǒng)能及時(shí)提供數(shù)據(jù)，向量處理器配有一個(gè)大容量的、分成多個(gè)模塊交錯(cuò)工作的主存儲(chǔ)器。為了提高運(yùn)算速度，向量處理機(jī)的運(yùn)算部件中可采用多個(gè)功能部件，例如向量部件、浮點(diǎn)部件、整數(shù)運(yùn)算部件和計(jì)算地址用的地址部件。向量協(xié)處理機(jī)就是專門處理浮點(diǎn)和向量運(yùn)算的數(shù)組處理機(jī)，它一般連接到主機(jī)總線上。5．多處理機(jī)系統(tǒng)多處理機(jī)具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的處理機(jī)，共享輸入/輸出子系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)的統(tǒng)一控制下，通過共享主存或高速通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，協(xié)同求解一個(gè)個(gè)復(fù)雜的問題。多處理機(jī)通過利用多臺(tái)處理機(jī)進(jìn)行多任務(wù)處理來提高速度，利用系統(tǒng)的重組能力來提高可靠性、適應(yīng)性和可用性。多處理機(jī)具有共享存儲(chǔ)器和分布存儲(chǔ)器兩種不同的結(jié)構(gòu)。具有共享存儲(chǔ)器的多處理機(jī)中，程序員無數(shù)據(jù)劃分的負(fù)擔(dān)，容易編程；系統(tǒng)處理機(jī)數(shù)目較少，不易擴(kuò)充。具有分布式存儲(chǔ)器的多處理機(jī)結(jié)構(gòu)靈活；容易擴(kuò)充；難以在各個(gè)處理單元之間實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳送；任務(wù)動(dòng)態(tài)分配復(fù)雜；現(xiàn)有軟件可繼承性差，需要設(shè)計(jì)新的并行算法。多處理機(jī)系統(tǒng)屬于MIMD系統(tǒng)，與SIMD的并行處理機(jī)相比，有很大的差別。其根源就在于兩者的并行性的層次不同，多處理機(jī)要實(shí)現(xiàn)的是更高一層的作業(yè)任務(wù)間的并行。6．大規(guī)模并行處理機(jī)并行處理機(jī)有時(shí)也稱為陣列處理機(jī)，它使用按地址訪問的隨機(jī)存儲(chǔ)器，以單指令流多數(shù)據(jù)流方式工作，主要用于要求大量高速進(jìn)行向量矩陣運(yùn)算的應(yīng)用領(lǐng)域。并行處理機(jī)的并行性來源于資源重復(fù)，它把大量相同的處理單元（PE）通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（ICN）連接起來，在統(tǒng)一的控制器（CU）控制下，對各自分配來的數(shù)據(jù)并行地完成同一條指令所規(guī)定的操作。PE是不帶指令控制部件的算術(shù)邏輯運(yùn)算單元。并行處理機(jī)具有強(qiáng)大的向量運(yùn)算能力，具有向量化功能的高級語言編譯程序有助于提高并行處理機(jī)的通用性，減少編譯時(shí)間。并行處理機(jī)有兩種基本結(jié)構(gòu)類型：采用分布存儲(chǔ)器的并行處理結(jié)構(gòu)和采用集中式共享存儲(chǔ)器的并行處理結(jié)構(gòu)。分布式存儲(chǔ)器的并行處理結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)處理機(jī)都有自己的存儲(chǔ)器，只要控制部件將并行處理的程序分配至各處理機(jī)，它們便能并行處理，各自從自己的存儲(chǔ)器中取得信息。而共享存儲(chǔ)多處理機(jī)結(jié)構(gòu)中的存儲(chǔ)器是集中共享的，由于多個(gè)處理機(jī)共享，在各處理機(jī)訪問共享存儲(chǔ)器時(shí)會(huì)發(fā)生競爭。因此，需采取措施盡可能避免競爭的發(fā)生。大規(guī)模并行處理機(jī)（MPP）是隨著微處理器技術(shù)的飛躍和應(yīng)用需求的不斷攀升，在20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種新機(jī)型。它是由眾多的微處理器（從幾百到上萬）組成的大規(guī)模的并行系統(tǒng)。MPP的出現(xiàn)成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的一個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)，被用作開發(fā)萬億次甚至更高速的巨型機(jī)的主要結(jié)構(gòu)。MPP可以采用市場上的出售的RISC處理器，所以有很高的性價(jià)比。7．對稱處理機(jī)對稱多處理機(jī)（SMP）目前也基于RISC微處理器。它與MPP最大的差別在于存儲(chǔ)系統(tǒng)：SMP有一個(gè)統(tǒng)一的共享主存空間，而MPP則是每個(gè)微處理器都擁有自己的本地存儲(chǔ)器。1.3.5互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（ICN）是用來連接一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)處理單元（或處理機(jī)）、存儲(chǔ)模塊以及各種外部設(shè)備，在系統(tǒng)軟件控制下，使各處理單元或各個(gè)功能部件相互通信的硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。常見的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)有總線結(jié)構(gòu)、交叉開關(guān)和多級互聯(lián)網(wǎng)。并行處理機(jī)互連有多種方法，分別舉例如下：（1）恒等置換：相同編號的輸入端與輸出端一一對應(yīng)互連。其表達(dá)式如下： （2）交換置換：實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制地址編號中第0位位值不同的輸入端和輸出端之間的連接。其表達(dá)式如下： （3）方體置換：實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制地址編號中第k位位值不同的輸入端和輸出端之間的連接。其表達(dá)式如下： （4）均勻洗牌置換（shuffle）：將輸入端二進(jìn)制地址循環(huán)左移一位得到對應(yīng)的輸出端二進(jìn)制地址。其表達(dá)式如下： （5）蝶式置換：將輸入端二進(jìn)制地址的最高位和最低位互換位置得到對應(yīng)的輸出端二進(jìn)制地址。其表達(dá)式如下： （6）位序顛倒置換：將輸入端二進(jìn)制地址的位序顛倒過來得到對應(yīng)的輸出端二進(jìn)制地址。其表達(dá)式如下： 1.4例題分析例題1（2001年試題31～32）按照Flynn的分類，PⅡ的MMX指令采用的是（31）模型，而當(dāng)前的高性能服務(wù)器與超級計(jì)算機(jī)則大多屬于（32）類。（31）、（32）A．SISD B．SIMD C．MISD D．MIMD例題1分析按照Flynn的分類，計(jì)算機(jī)可分為SISD、SIMD、MISD和MIMD共4類。PⅡ中開始采用MMX技術(shù)，引進(jìn)了一些新的通用指令，雖然使用了單指令多數(shù)據(jù)思想，但從整體上說PⅡ仍屬于SISD類。當(dāng)前的高性能服務(wù)器與超級計(jì)算機(jī)大多具有多個(gè)處理器，多任務(wù)處理并行處理，基本上都屬于MIMD。例題1答案（31）A（32）D例題2（2002年試題50）微指令大體上可分為兩類：水平型微指令和垂直型微指令。在下列幾項(xiàng)中，不符合水平型微指令特點(diǎn)的是（50）。（50）A．執(zhí)行速度快 B．并行度較低C．更多地體現(xiàn)了控制器的硬件細(xì)節(jié) D．微指令長度較長例題2分析垂直型微指令的主要特征：長度短，功能弱，并行度低，編程容易但微程序長，效率低。例題2答案（50）B例題3（2002年試題42～47）在下列體系結(jié)構(gòu)中，最適合于多個(gè)任務(wù)并行執(zhí)行的體系結(jié)構(gòu)是（42）。流水線控制方式下，（43）是全局性相關(guān)，流水線機(jī)器對全局性相關(guān)的處理不包括

（44）。靜態(tài)流水線是指（45）。假設(shè)并行（陣列）處理器的16個(gè)處理器編號為0～15，采用單級Cube3網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時(shí)，與13號處理器相連的處理器的編號為（46）。在下列幾項(xiàng)中，不符合RISC特點(diǎn)的是（47）。（42）A．流水線向量機(jī)結(jié)構(gòu) B．分布存儲(chǔ)多處理機(jī)結(jié)構(gòu)C．共享存儲(chǔ)多處理機(jī)結(jié)構(gòu) D．堆棧處理機(jī)結(jié)構(gòu)（43）A．轉(zhuǎn)移指令引起的相關(guān) B．先寫后讀相關(guān)C.先讀后寫相關(guān) D．寫-寫相關(guān)（44）A．猜測法 B．提前形成條件碼C．設(shè)置相關(guān)專用通道 D．加快短循環(huán)程序的執(zhí)行（45）A．只有一種功能的流水線 B．功能不能改變的流水線C．可同時(shí)執(zhí)行多種功能的流水線D．在同一時(shí)間段內(nèi)，只能完成一種功能的流水線（46）A．1 B．5C．7 D．14（47）A．指令長度固定，指令種類少B．尋址方式種類豐富，指令功能盡量增強(qiáng)C．設(shè)置大量通用寄存器，訪問存儲(chǔ)器指令簡單D．選取使用頻率較高的一些簡單指令例題3分析流水線向量處理機(jī)是用于指令并行執(zhí)行的而不是任務(wù)并行，并不屬于多處理機(jī)。堆棧處理機(jī)用于特別的計(jì)算或用作外設(shè)的數(shù)據(jù)讀寫。這兩種結(jié)構(gòu)均不適于多個(gè)任務(wù)的并行執(zhí)行。并行處理機(jī)可分兩種類型，分別為采用分布存儲(chǔ)器的并行處理結(jié)構(gòu)和采用集中式共享存儲(chǔ)器的并行處理結(jié)構(gòu)。其中分布式存儲(chǔ)器的多處理機(jī)并行處理結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)處理器都有自己的存儲(chǔ)器，只要控制部件將并行處理的程序分配各處理機(jī)，它們便能并行處理，各自從自己的存儲(chǔ)器中取得信息。而共享存儲(chǔ)多處理機(jī)結(jié)構(gòu)中的存儲(chǔ)器是集中共享的，由于多個(gè)處理機(jī)共享，在各處理機(jī)訪問共享存儲(chǔ)器時(shí)會(huì)發(fā)生競爭。因此，最適合于多個(gè)任務(wù)并行執(zhí)行的體系結(jié)構(gòu)是分布存儲(chǔ)多處理機(jī)結(jié)構(gòu)。在流水線機(jī)器中，指令相關(guān)、主存操作數(shù)相關(guān)、通用寄存器組的操作數(shù)相關(guān)及變址寄存器變址值相關(guān)為局部性相關(guān)。在具體對局部性相關(guān)進(jìn)行處理時(shí)，先寫后讀相關(guān)、先讀后寫相關(guān)和寫-寫相關(guān)都是控制機(jī)構(gòu)能處理的局部性相關(guān)的內(nèi)容。而轉(zhuǎn)移指令引起的相關(guān)則會(huì)對流水線機(jī)器的吞吐能力和效率造成的影響較局部性相關(guān)要