自考-计算机程序设计-1-概论
本章重点：计算机系统的层次结构、计算机系统结构的定义、计算机系统的设计思路、系统结构并行开发的方法和计算机系统的分类。
本章难点：透明性分析
目录
第一节 计算机系统的多级层次结构
计算机系统层次
实现技术
第二节 计算机系统结构、计算机组成、计算机实现
计算机系统结构
计算机组成的定义
计算机实现
计算机系统结构、组成、实现的相互关系和影响
第三节 计算机系统的软、硬件取舍及定量设计原理
软、硬取舍的基本原则
计算机系统的定量设计原理
哈夫曼（Huffman）压缩原理
Amdahl定律
程序访问的局部性定律
计算机系统设计的主要任务和方法
主要任务
设计方法
第四节 软件、应用、器件的发展对系统结构的影响
软件发展对系统结构的影响
统一高级语言、采用系列机、模拟与仿真。
应用的发展对系统结构的影响
器件的发展对系统结构的影响
第五节 系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类
并行性概念和开发
并行的级别
并行的途径
计算机系统的分类
flunn分类法
第一节 计算机系统的多级层次结构
计算机系统=硬件/固件+软件+
计算机系统层次
由高到低：应用语言机器、高级语言机器、汇编语言机器、操作系统机器级、传统机器、微程序机器。
机器：能够储存和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体。
实现技术
采用翻译和解释技术来实现，或者两者结合。
- 翻译：把高一层直接全部读一遍，再全部转化成汇编语言。（事先进行）
- 解释：一条一条来做。（与浏览同时碱进行）
第二节 计算机系统结构、计算机组成、计算机实现
计算机系统结构
系统结构，是对计算机系统中的各级界面的定义及其上下的功能分配。
透明，即如果客观存在的事物或属性从某个角度看不到，则称对它是透明的。
计算机系统结构，指结构体系，层次结构中传统机器级的系统结构，界面包括操作系统级、汇编语言级、高级语言级、应用语言级中所有软件的功能。界面之下的功能包括所有硬件和固件的功能。
计算机系统结构是软件和硬件的交界面。
计算机系统结构的属性包括：
- 硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等的数据表示；
- 最小可寻址单位、寻址种类、地址计算等的寻址方式；
- 通用/专用寄存器的设置、数量、字长、使用约定等的寄存器组织；
- 二进制或汇编级指令的操作类型、格式、排序方式、控制机构等的指令系统；
- 主存的最小编址单位、编址方式、容量、最大可编址空间等的存贮系统组织；
- 中断的分类与分级、中断处理程序功能及入口地址等的中断机构；
- 系统机器级的管态和用户态的定义和切换；
- 输入输出设备的连接、使用方式、流量、操作结束、出错指示等的机器级I/O结构；
- 系统各部分的信息保护方式和保护机构；
计算机组成的定义
计算机组成（computer organization）值得是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成及逻辑设计。
计算机组成设计要解决的问题是在所希望达到的性能和价格下，怎样最佳、最合理地把各种设备和部件组织成计算机，以实现所确定的系统结构。
计算机实现
计算机实现是指计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理实现，器件的集成度和速度、器件模块的划分等。
计算机系统结构、组成、实现的相互关系和影响
结构是功能分配，组成是逻辑实现（为什么），实现是物理实现（是什么）。
结构是功能分配，组成是逻辑实现，实现是物理实现。
- 相同的系统结构，可以有不同的组成；
- 一种组成可以有多种不同的实现方法；
- 采用不同的系统结构会使可以采用的组成技术产生差异；
- 组成也会影响结构；
第三节 计算机系统的软、硬件取舍及定量设计原理
软、硬取舍的基本原则
- 原则一：在现有硬件条件下，系统要有高的性价比；
- 原则二：要考虑到准备采用和可能采用的组成技术，使它尽可能不要过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用；
- 原则三：不能只从硬件角度考虑如何便于应用组成技术的成果和发挥器件技术的进展，还要从软件角度把编译和操作系统的实现，以及高级语言程序设计提供更多更好的硬件放在首位。
（1）一般来说，提高硬件功能的比例可提高解题速度，减少程序所需的存储空间，但会增加硬件成本，降低硬件利用率和计算机系统的灵活性及适应性。
（2）提高软件功能的比例可降低硬件成本，提高系统的灵活性、适应性，但解题速度会下降，软件设计费用和所需的存储量将增加。
计算机系统的定量设计原理
哈夫曼（Huffman）压缩原理
尽可能加速处理高概率事件要比加速处理低概率事件对性能的提高更明显。
Amdahl定律
定义了加速比，要提高系统的整体性能，应该是各部分性能能够均衡的提高，不能只是一部分性能提高。
程序访问的局部性定律
- 时间上的局限性 指现在正在使用的信息不久还要使用，因为程序存在循环。
- 空间上的局限性 指将来要用的信息与现在正在使用的信息是邻近的，因为指令都是顺序放置、顺序执行。
计算机系统设计的主要任务和方法
主要任务
包括系统结构、组成和实现的设计，包括软硬件功能分配、计算机指令系统、功能组织、逻辑设计、集成电路设计等多方面问题。
设计方法
- 自上而下：先考虑如何满足应用要求；
- 自下而上：不考虑应用要求只根据目前能用的器件来设计上层机器级；
- 从中间到两边：克服其他两种方法中软硬件设计分离和脱节的致命弱点。
第四节 软件、应用、器件的发展对系统结构的影响
软件发展对系统结构的影响
软件的可移植性（Portability）指的是软件不修改或只经少量修改就可由一台机器移到另一台机器上运行，同一软件可应用于不同的环境。
向上、向下（机器档次尺度）；向前、向后（时间尺度）兼容
实现软件移植的技术主要有统一高级语言、采用系列机、模拟和仿真。
- 模拟：用软件的方法在一台现有的机器上实现另一台机器（虚拟机）的指令集。通常用解释的方法，运行速度慢，性能差。
- 仿真：用一台现有的计算机上的微程序去解释另一个程序的指令。速度快，只能在结构相似的机器之间。
统一高级语言、采用系列机、模拟与仿真。
应用的发展对系统结构的影响
计算机工业在处理性能和价格的关系上大致是两种趋势：维持价格，提高性能；维持性能，降低价格。
从系统结构的观点看，各型计算机性能随时间的推移，其实就是在低档（型）机上引用甚至照搬高档（型）机的结构和组成。
器件的发展对系统结构的影响
器件的发展加速了结构的“下移”。大型机的各种数据表示、指令系统、操作系统很快出现在小、微型机上。器件的发展加速了大规模、高性能并行处理机MPP等新系统结构的发展。
第五节 系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类
并行性概念和开发
并行性（parallelism）：指同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作。
并行性包括 同时性 和 并发性。
- 同时性（simultaneity）：是指两个或多个事件在同一时刻发生。
- 并发性（concurrency）：是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生的并行性。（时间片轮转，只不过间隔比较小）
并行的级别
从计算机系统中执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可以分为四级。它们分别是：
- 1.指令内部
- 2.指令之间
- 3.任务或进程之间
- 4.作业或程序之间
从计算机系统中处理数据的并行性来看，并行性等级从低到高可以分为：位串字串、位并字串、位片串字并、全并行；
并行性是贯穿于计算机信息加工的各个步骤和阶段的，从这个角度来看，并行性等级又可分为：存贮器操作并行、处理器操作步骤并行、处理器操作并行、指令任务作业并行。
并行的途径
- 时间重叠、资源重复和资源共享
时间重叠（time-interleaving）：在并行性概念中引入时间因素，即多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。
资源重复（resource-replication）：在并行性概念中引入空间因素，通过重复设置硬件资源，可以大幅度提高并行处理能力。
资源共享（Resource Sharing）：它是指多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备，这样既降低了成本，又提高了计算机设备的利用率。
- 时间重叠是实现并行性中的并发性。
- 资源重复是实现并行性中的同时性。
计算机系统的分类
flunn分类法
指令流（instruction stream）——机器执行的指令序列。
数据流（data stream）——由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。
多倍性（multiplicity）——在系统最受限制的元件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。
- 按照指令流和数据流两种不同的组合，把计算机系统的结构分为以下四类：
- 单指令流单数据流 SISD（Single Instruction Stream Single Datastream）
- 单指令流多数据流 SIMD（Single Instruction Stream Multiple Datastream）
- 多指令流单数据流 MISD（Multiple Instruction Stream Single Datastream）
- 多指令流多数据流 MIMD（Multiple Instruction Stream Multiple Datastream）
并行处理机又叫SIMD计算机。它是单一控制部件控制下的多个处理单元构成的阵列，所以又称为阵列处理机。
怎么描述计算机系统的性能
使用者：响应时间（response time）
管理员：吞吐量
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