01计算机组成原理与体系结构

2-计算机体系结构之Flynn

2021-07-21 545 3

简介 本知识点考试形式为各个分类的特点以及代表的系统,考试的时候给一个描述,问是那种体系结构,那种体系结构具备或者不具备以下特征等

计算机体系结构分类-Flynn

    Flynn于1972年提出了计算平台的Flynn分类法,通过两个分类指标指令流和数据流的数量进行分类,共分为四种类型的计算平台,

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    指令流 Instruction Stream: 同一时间, 允许处理的指令条数

    数据流 Data Stream: 同一时间, 处理数据流的个数

    计算机执行任务需要指令,指令执行的时候需要数据,这两者分别对应了两个流(指令流和数据流)。指令流和数据流都可以为1个或多个, 两两组合就出现了四种体系结构(SISD/SIMD/MISD/MIMD)


Single instruction stream, single data stream, SISD

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    SISD机器是一种传统的串行计算机,它的硬件不支持任何形式的并行计算,所有的指令都是串行执行。并且在某个时钟周期内,CPU只能处理一个数据流。因此这种机器被称作单指令流单数据流机器。早期的计算机都是SISD机器,如冯诺.依曼架构,如IBM PC机,早期的巨型机和许多8位的家用机、老式的PC机、386、486、586以及之后的奔腾等等。


Single instruction stream, multiple data streams, SIMD


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    SIMD是采用一个指令流处理多个数据流。这类机器在数字信号处理、图像处理、多媒体信息处理等领域非常有效。

    Intel处理器实现的MMXTM、SSE(Streaming SIMD Extensions)、SSE2及SSE3扩展指令集,都能在单个时钟周期内处理多个数据单元。

    早期的的单核计算机基本上都属于SIMD机器,现在很少有单核的计算机了,基本都是4核、8核。

    

Multiple instruction streams, single data stream, MISD

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    通常用于容错,异构系统在同一数据流上运行,并且必须对结果达成一致。例如航天飞机飞行控制计算机。

Multiple instruction streams, multiple data streams, MIMD

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    MIMD机器可以同时执行多个指令流,这些指令流分别对不同数据流进行操作。最新的多核计算平台就属于MIMD的范畴,例如Intel和AMD的双核处理器等都属于MIMD,服务器中有多个物理CPU也属于MIMD。


总结

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说明:

考试重点,考试形式:各个分类的特点以及代表的系统,考试的时候给一个描述,问是那种体系结构,那种体系结构具备或者不具备以下特征等

※ 单处理器系统: 老式的PC机,386 486 586以及之后的奔腾, 目前PC机器、服务器中已经不常见,不存在了, 但是在单片机中还是多见的。

※ MISD  也有文章说是理论化不切实际, 多个指令处理同一条数据, 比较难实现。 一条指令处理多个数据流很常见,并行处理就是这样的原理,但是一个数据流,让多个指令来处理,有点不符合常规。

※ MIMD: 单个计算机多个处理器或者多个计算机连起来,比如集群都是MIMD,目前的计算机基本都是MIMD, 多核CPU或者多CPU计算机都是MIMD



※扩展知识:如何理解多核CPU和多CPU

    介绍多核CPU和多CPU之前,首先说一下超线程,举一个简单的例子,你现在只有一间房,但是墙壁上有一面非常大的镜子,那么当你在房间里面时,会感觉这个房间很大,你看到的是一个假象,超线程也是一样的道理,操作系统看到的只是一个假象,其实只有一个CPU核心,超线程的要求比较苛刻,需要CPU、操作系统、主板的芯片组、应用软件的支持,有任何一方不支持超线程,那么这个超线程就没什么意义了。

    多核CPU: 超线程是用软件模拟出多核的效果,多核CPU是真正意义上的多个核心,它弥补了超线程适用系统比较少的缺点,从而得到了广泛的应用,现在我们适用的个人PC大都是多核心的CPU,但是多核CPU是在一个物理CPU上多个核心,物理CPU还是一个。

多核CPU就比如你有4室的房子,4个房间(类比CPU的核心)各自独立存在,互补干扰,但是这4个房间都属于一套房子(类比一个物理CPU)。


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    苹果新出的M1芯片, 是一个物理CPU, 8个核心, 4个性能核心,4个能效核心。

    多CPU:就是物理CPU有多个,个人电脑很少有多CPU的,一般服务器是多CPU。比如双CPU服务器,就类比于你有两套房子(两个物理CPU),每个房子有4室(每个物理CPU4个核心)。


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