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计算机系统结构复习总结 计算机系统结构概念 1.1 计算机系统结构：程序员所看到的计算机的基本属性，即概念性结构与功能特性。 *注意：对不同层次上的程序员来说，由于使用的程序设计语言不同，可能看到的概念性结构和功能特性会有所不同。 1.2 计算机系统的层次结构 现代计算机是一种包括机器硬件、指令系统、系统软件、应用程序和用户接口的集成系统。 现代计算机结构图 *注意：计算机结构的层次模型 依据计算机语言广义的理解，可将计算机系统看成由多级“虚拟”计算机所组成。 从语言层次上画分可得下图： 计算机结构的层次模型 1.3计算机系统结构组成与实现 计算机系统结构：是计算机系统的软件与硬件直接的界面 计算机组成：是指计算机系统结构的逻辑实现 计算机实现：是指计算机组成的物理实现 *计算机系统结构、组成与实现三者间的关系： 计算机系统结构不同会影响到可用的计算机组成技术不同，而不同的计算机组成又会反过来影响到系统结构的设计。因此，计算机系统结构的设计必须结合应用来考虑，要为软件和算法的实现提供更多更好的硬件支持，同时要考虑可能采用和准备采用哪些计算机组成技术，不能过多或不合理地限制各种计算机组成、实现技术的采用与发展。 计算机组成与计算机实现可以折衷，它主要取决于器件的来源、厂家的技术特长和性能价格比能否优化。应当在当时的器件技术条件下，使价格不增或只增很少的情况下尽可能提高系统的性能。 1.4 计算机系统结构的分类 计算机结构分类方式主要有三种： 按“流”分类 按“流”分类法是Flynn教授在1966年提出的一种分类方法，它是按照计算机中指令流（Instruction Stream）和数据流（Data Stream）的多倍性进行分类。指令流是指机器执行的指令序列，数据流是指指令流调用的数据序列。多倍性是指在计算机中最受限制（瓶颈最严重）的部件上，在同一时间单位中，最多可并行执行的指令条数或处理的数据个数。 *注意： 按“流”分类法，即Flynn分类法的逻辑结构类型： SISD计算机 SIMD计算机 MISD计算机 MIMD计算机 按“并行性”和“流水线”分类 按计算机系统结构的最大并行度进行分类 1.5计算机系统的设计与实现 随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件间界限已经变得模糊了。因为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可由软件来完成。对于某一功能是采用硬件方案还是软件方案，取决于期间价格、速度、可靠性、储存容量、变更周期等因素。 *计算机系统的设计原则： （1）加快经常性事件的速度------这是最重要也是被广泛采用的设计准则 使经常性事件的处理速度加快能明显提高整个系统的性能 Amdahl定律 Amdahl定律：系统优化某部件所获得的系统性能的改善程度，取决于该部件被使用的频率，或所占总执行时间的比例。　　主要应用：改善“系统瓶颈”性能。 　　Amdahl定律定义了加速比：　　　　n个处理器加速因子S=n/[1+(n-1)f]:f为非平行百分比，n越大，S不能超过1/f 其中，Ii表示i指令在程序中执行的次数，CPIi表示i指令所需的平均时钟周期数，n为指令种类数。 MIPS和MFLOPS 1）MIPS表示每秒百万条指令数，对于一个给定的程序 MIPS的定义为： 程序的执行时间为： 其中：Te为程序执行时间，CPI为每条指令的平均时钟周期，时钟频率为美妙周期数即每周期的时间的倒数。 极其愈快其MIPS值愈高，但MIPS对指令系统和程序的依赖性很大，在某些情况下不能准确反映系统的性能 2）MFLOPS表示每秒百万次浮点操作次数 MFLOPS的定义为： ，MFLOPS用于衡量机器浮点操作的性能，同一程序在不同机器上执行的指令可能不同，但执行的浮点运算却是完全相同的。但MFLOPS不能体现机器的整体性能，MFLOPS取决于机器和程序两个方面，不同机器浮点运算集不同，因此不同浮点操作的时间也不同。 1.7 计算机系统结构的演变 早期的计算机以运算器为中心。以后50多年逐步演变以存储器为中心，并采用流水线、多处理器、多处理机的并行处理技术，使其功能得到不断地提高。 1.8 并行处理技术 并行处理技术是提高计算机性能的最佳途径，也是计算机未来的发展方向。并行处理以发展多处理器和并行计算为基础，出现了阵列机和多处理机系统；随着计算机网络的发展，又发展各种适应于网络环境的计算机，以便更大范围地实现并行处理与资源共享。 采用多处理器：以支流水线和并行处理技术，加快指令的执行和数据处理的速度，比如产生了针对向量运算的向量机、脉动阵列机等。 采用多个处理机：构成并行处理机系统，如设置浮点