计算机系统结构第一章计算机系统结构基本概念

1.2计算机系统结构的概念

①什么是系统结构

a.经典定义：计算机系统结构就是程序设计者所看到的计算机的基本属性，即概念性结构与功能特性。

b.概念的实质：确定计算机系统中软、硬件的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。

②计算机系统结构、计算机组成和计算机实现的关系与区别，举例说明

※计算机系统结构：

就是程序设计者所看到的计算机的基本属性，即概念性结构与功能特性。

※计算机组成：

计算机系统结构的逻辑实现。即根据计算机系统结构所制定的功能，从逻辑上完成计算机的设计。这里包括各部件的逻辑实现，部件之间的互相连接以及物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

※计算机实现：

计算机组成的物理实现。包括处理机、主存等部件的物理结构、器件的集成度和速度、模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。

关系：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现。

举例说明三者区别：

计算机系统结构（确定指令集中是否有乘法指令），计算机组成（乘法指令用到的乘法器和加法器实现），计算机实现（乘法器、加法器的物理实现，如器件的选定等）

③计算机系统结构的分类

Flynn分类法：按照指令流和数据流的多倍性进行分类

四种结构

⑴ 单指令流单数据流（SISD——Single Instruction Single Datastream）

传统的顺序处理计算机、标量流水线处理机

⑵ 单指令流多数据流（SIMD——Single Instruction Multiple Datastream）

阵列（并行）处理机、向量流水线处理机

⑶ 多指令流单数据流（MISD——Multiple Instruction Single Datastream）

市面上暂无实际处理机

⑷ 多指令流多数据流（MIMD——Multiple Instruction Multiple Datastream）

多处理机

掌握四种结构的代表题型（除MISD）

1.3定量分析技术

四大定量原理

a.以经常性事件为重点（优化经常性事件）

b.Amdahl定律

c.CPU性能公式

d.程序的局部性原理

①重点掌握Amdahl定律加速比的计算公式，以及进行相关性能的分析

定律：加快某部件执行速度所能获得的性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。

该部件加速比：Sn=总执行时间（改进前）/总执行时间（改进后）

程序总执行时间（改进后）=总执行时间（改进前）[(1-可改进比例)+可改进比例/部件加速比]

该系统的加速比=1/[（1-可改进比例）+可改进比例/部件加速比]

a.性能递减规则：如果仅对计算机中的一部分做性能改进，则改进越多，系统获得的总体性能的提升就越有限

b.具有高性价比的计算机系统是一个带宽平衡的系统

②CPU性能公式，计算和应用（CPU时间，平均指令执行周期数CPI）

1）主频： $f_{c}=\frac{1}{T_{c}}$ （Tc是主时钟）主频越高，芯片内的运行速度越快

2）CPU时间： $T_{cpu}=I_{N}\times CPI\times T_{c}$ （ $I_{N}$ 为要执行程序中的指令总数，CPI为执行每条指令所需的平均时钟周期数，Tc为时钟周期时间）

a.提高CPU的时钟频率，减小CPU执行时间

b.将CPU的流水线条数增加为n条，理想状态下其运行速度可提高n倍

c.设计专门的多媒体指令及处理硬件

③局部性原理（在存储器中的灵活运用）

a.时间局部性

b.空间局部性

计算机系统的性能评测（执行时间、吞吐率）

了解基准测试程序SPEC（按一定的规则计算其执行时间）

1）对每个测试程序的运行结果给出一个衡量标准

2）对全部测量结果给出一个总体评价

1.4计算机系统结构的发展

软件的可移植性：一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可由一台计算机移植到另一台计算机上正确地运行，差别只是执行时间的不同。

软件移植有哪几种途径：

1）系列机：具有相同系统结构，但其组成和实现可能不同，性能参数和档次也有所不同

2）模拟与仿真：用软件的方法在一台计算机A上实现另一台计算机B的功能，通过宿主机上的微程序来实现虚拟机指令系统中一条指令的功能

3）统一高级语言

1.5计算机系统结构中并行性的发展

①并行性的概念：同时性、并发性

并行性：计算机系统在同一时刻或同一时间间隔内进行多种运算或操作

（1）同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发生

（2）并发性：两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生

②实现并行性的三大途径：时间重叠（流水线）、资源重复（多核）、资源共享（分别应用到什么地方）

（1）时间重叠：让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

（2）资源重复：重复设置硬件资源

（3）资源共享：软件方法，多个任务按一定顺序轮流使用同一套硬件设备