计算机原理第十章第一—五节“处理机”的相关内容。内 容：我们这周主要学习第十章第一—五节“处理机的功能和分类”、“多处理机系统”的相关知识。希望通过这五节内容的学习能使同学们进一步掌握计算机原理相关知识。一、学习要求1．了解处理机的功能和分类；2．了解多处理机系统相关知识。二、主要内容（一）处理机的功能和分类计算机系统中存储程序和数据，并按照程序规定的步骤执行指令的部件。程序是描述处理机完成某项任务的指令序列。指令则是处理机能直接解释、执行的信息单位。处理机包括中央处理器，主存储器，输入-输出接口。1．处理机的功能从系统结构角度，按处理机执行的指令流和与指令流相关的数据流的关系，有单指令流单数据流（SISD）处理机、单指令流多数据流（SIMD）处理机和多指令流多数据流（MIMD）处理机。SISD 处理机的程序是按单一指令序列执行的，操作数据亦按对应的指令确定的单一顺序逐个处理。大多数处理机都属于这一类。SIMD 和 MIMD 处理机又称并行处理机。并行处理机的目的在于提高处理机的数据处理能力。SIMD 处理机以处理向量数据为主，故又称向量处理机。其中以单个指令执行部件和多个相同的运算处理器构成的处理机称为阵列（式）处理机,如美国的伊利阿克 ILLIAC-Ⅳ。以生产流水线方式组织指令部件(称先行控制)和运算功能部件的 SIMD 处理机，称为流水线处理机，如中国 1983 年研制成功的“银河”计算机的处理机。联想处理机则是采用按内容检索的联想存储器为主要特征的SIMD 处理机。至于 MIMD 处理机，实际上是多处理机系统，它是多个相同的处理机通过公共主存储器相互耦合构成有多重处理能力的系统。2．处理机的分类：处理机又可根据在计算机系统中的功能来分类。一般情况下，处理机的指令系统可以反映出处理机功 能的强弱和它的适用范围。通用中央处理器具有很强的指令功能，适用于科学计算、数据处理、商业应用、事务管理各个领域或某一个和某几个领域。某些处理机的指令系统只有局部的功能,往往以其用途来命名。①输入-输出处理机：解释和执行输入-输出指令,具有一定的字符处理能力,它完成输入-输出操作和设备控制操作。②通信控制处理机：在计算机网中实现各个处理机之间的通信并协调它们的操作。③支持和维护处理机：具有系统控制台功能，能实现系统维护和故障诊断。④数组处理机：结构上适合于数组和矩阵运算尤其是信号处理算法运算，与前置处理机或主机配接后可大大增强系统的向量处理能力。此外还有：具有数据库管理功能的数据库处理机；实现虚拟存储器页面调度的处理机等。（二）多处理机系统广义上说，使用多台计算机协同工作来完成所要求的任务的计算机系统都是多处理机系统。传统的狭义多处理机系统的作用是利用系统内的多个 CPU 来并行执行用户的几个程序，以提高系统的吞吐量或用来进行冗余操作以提高系统的可靠性。多个处理机(器)在物理位置上处于同一机壳中，有一个单一的系统物理地址空间和每一个处理机均可访问系统内的所有存储器是它的特点。多处理机操作系统，目前有三种类型：---主从式(master-slave) 主从式操作系统由一台主处理机记录、控制其它从处理机的状态 ，并分配任务给从处理机。例如，Cyber-170 就是主从式多处理机操作系统，它驻留在一个外围处理机 Po 上运行，其余所有处理机包括中心处理机都从属于 Po。另一个例子是 DEC System 10，有两台处理机，一台为主，另一台为从。操作系统在主处理机上运行，从处理机的请求通过陷入传送给主处理机，然后主处理机回答并执行相应的服务操作。主从式操作系统的监控程序及其提供服务的过程不必迁移，因为只有主处理机利用它们。当不可恢复错误发生时，系统很容易导致崩溃，此时必须重新启动主处理机。由于主处理机的责任重大，当它来不及处理进程请求时，其它从属处理机的利用率就会随之降低。主从式的特点：主从式操作系统有如下特点：1.操作系统程序在一台处理机上运行。如果从处理机需要主处理机提供服务，则向主处理机发出请求，主处理机接受请求并提供服务。不一定要求把整个管理程序都编写成可重入的程序代码，因为只有一个处理机在使用它，但有些公用例程必须是可重入的才行。 2.由于只有一个处理机访问执行表，所以不存在管理表格存取冲突和访问阻塞问题。3.当主处理机故障时很容易引起整个系统的崩溃。如果主处理机不是固定设计的，管理员可从其他处理机中选一个作为新主处理机并重新启动系统。4.任务分配不但容易使部分从处理机闲置而导致系统效率下降。5.用于工作负载不是太重或由功能相差很大的处理机组成的非对称系统。6.系统由一个主处理机加上若干从处理机组成，硬件和软件结构相对简单，但灵活行差。---独立监督式(separate supervisor) 独立监督式与主从式不同，在这种类型中，每一个处理机均有各自的管理程序(核心)。采用独立监督式操作系统的多处理机系统有 IBM 370/158 等。独立监督式的特点：1.每个处理机将按自身的需要及分配给它的任务的需要来执行各种管理功能，这就是所谓的独立性。2.由于有好几个处理机在执行管理程序，因此管理程序的代码必须是可重入的，或者为每个处理机装入专用的管理程序副本。3.因为每个处理机都有其专用的管理程序，故访问公用表格的冲突较少，阻塞情况自然也就较少，系统的效率就高。但冲突仲裁机构仍然是需要的。4.每个处理相对独立，因此一台处理机出现故障不会引起整个系统崩溃。但是，要想补救故障造成的损害或重新执行故障机未完成的工作非常困难。5.每个处理机都有专用的 I/O 设备和文件等。6.这类操作系统适合于松耦合多处理机体系，因为每个处理机均有一个局部存储器用来存放管理程序副本，存储冗余太多，利用率不高。7.独立监督式操作系统要实现处理机负载平衡更困难。---浮动监督式(floating supervisor) 每次只有一台处理机作为执行全面管理功能的“主处理机”，但根据需要，“主处理机”是可浮动的，即从一台切换到另一台处理机。这是最复杂、最有效、最灵活的一种多处理机操作系统，常用于对称多处理机系统(即系统中所有处理机的权限是相同的，有公用主存和I/O 子系统)。浮动监督式操作系统适用于紧耦合多处理机体系。采用这种操作系统的多处理机系统有IBM 3081 上运行的 MVS，VM 以及 C·mmp 上运行的 Hydra，等等。 浮动监督式的特点：1.每次只有一台处理机作为执行全面管理功能的“主处理机”，但容许数台处理机同时执行同一个管理服务子程序。因此，多数管理程序代码必须是可重入的。2.根据需要，“主处理机”是可浮动的，即从一台切换到另一台处理机。这样，即使执行管理功能的主处理机故障，系统也能照样运行下去。3.一些非专门的操作（如 I/O 中断）可送给那些在特定时段内最不忙的处理机去执行，使系统的负载达到较好的平衡。4.服务请求冲突可通过优先权办法解决，对共享资源的访问冲突用互斥方法解决。5.系统内的处理机采用处理机集合概念进行管理，其中每一台处理机都可用于控制任一台 I/O 设备和访问任一存储块。这种管理方式对处理机是透明的，并且有很高的可靠性和相当大的灵活行。三、习题（一）选择题1. 处理机包括（ ）。A.中央处理器B.主存储器C.输入-输出接口D.I/O 设备答案：ABC2. 多处理机系统包括（ ）两种结构。A.共享存储器结构 B.中央处理器结构C.分布式存储器结构 D.微处理器结构答案：AC3. 分布式存储多处理机的特点是（ ）。 A.微电子技术 B.易扩充C.结构灵活 D.信息存储技术答案：BC（二）简答题1．简述处理机执行程序的过程。答：处理机执行程序过程涉及输入-输出操作、主存-辅存的信息交换，这些都要经过输入、输出接口部件。处理机与外界的这种信息交换有三种方式。① 中断方式：即程序 I／O。每传送一个位组（如一个字或字节）产生一次中断,由 CPU 执行相应的中断程序完成。这种方式主要用于慢速输入-输出设备。 ② 直接存储器存取(DMA)方式:在硬件线路控制下直接在快速输入-输出设备和主存之间完成一条输入－输出指令规定的信息量交换。③ 通道控制方式：各通道各有自己的通道程序,实现输入-输出指令规定的主存和输入-输出设备之间的信息交换。