计算机系统结构复习总结计算机系统结构复习总结一、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：（1）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：①SISD计算机②SIMD计算机③MISD计算机④MIMD计算机（2）按“并行性”和“流水线”分类（3）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（2）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（3）访问局部性原理程序访问局部性原理说明了计算机在程序执行过程中呈现出的一种规律，即程序往往重复使用它刚刚使用过的数据和指令。

局部性分为时间上的局部性和空间上的局部性两种。

所谓时间局部性是指近期被访问的代码，很可能不久又将再次被访问；空间局部性是指地址上相邻近的代码可能会被连续地访问。

*计算机系统设计的主要任务：（1）确定用户定计算机系统的功能、价格和性能要求功能要求包括：应用领域、软件兼容性、操作系统的要求、各种通用国际标准的要求。

价格要求：考虑用户或市场对计算机功能和性能要求的前提下，尽量降低成本。

性能要求包括：速度、容量、输入/输出的种类、可靠性、可维护性、安全性、容错能力、人机交互的能力等。

（2）软硬件的平衡硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多（3）设计出符合今后发展方向的系统结构一个成功的系统结构应该能经得起软、硬件技术的发展以及应用的变化。

因此设计者必须特别注意计算机应用和计算机技术的发展趋势，这样才能延长一种机器的使用寿命。

发展趋势：硬件实现的比例越来越高，软件所占的成本越来越高1.6计算机系统性能评测（1）CPU性能CPU的性能是指CPU执行程序所用的时间，也就是CPU连续地执行一条条指令的时间，不包括I/O等待时间。

CPU的性能取决于三个要素：①时钟频率f②每条指令所花的时钟周期数CPI③指令条数IC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。

（2）MIPS和MFLOPS1）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。

①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。

②采用多个处理机：构成并行处理机系统，如设置浮点运算协处理机、I/O处理机等，以提高整机的数据处理能力和I/O速率；在此基础上，发展为多个处理机的并行处理机系统。

③网络计算机：各种计算机都配置了调制解调器，以便联网，以实现更大范围的多机并行处理和资源共享。

*特别关注：冯·诺依曼计算机是一种控制驱动方式，它的基本原理是程序存储。

他的组成及工作原理如下图：1.9 应用需求对计算机系统结构的影响（1）应用需求对计算机系统结构的影响由于社会的应用需求，产生了第一台电子计算机，同时，也正是应用需求，一直在推动计算机发展。

为了满足应用需求对计算机性能的需要，计算机系统结构一直处于发展和变化之中，主要表现在运算速度、存储器容量和I/O吞吐率等方面。

①为满足科学计算和大量数据信息的处理，计算机有小型机发展到中型机、大型机乃至于巨型机，在系统结构上产生了浮点运算器、阵列机、并行处理机以及各种多处理机系统等；②为满足自动控制、信号传输与通信的需要，产生了包括I/O处理机在内的各种专用计算机；③为实现智能化的控制与管理，出现了模糊处理机和模糊存储器；④为适应智能仪器仪表的发展，嵌入式计算机芯片大量地涌现了出来。

（2）选择合理的性能价格比为了满足不同领域的特殊需求，需要为之设计高效率系统结构的计算机。

主要的应用领域有：a.高结构化的数值运算：流体力学、气象模型、有限元分析等；b.非结构化的数值运算：蒙特卡洛模拟、稀疏矩阵等；c.实时多因素处理：语音识别、图形图像处理、计算机视觉等；d.大容量及高I/O密度的处理：数据库系统、事务处理、大容量交换机等；e.人工智能：面向知识系统、推理系统、自学习系统、智能管理与控制等。

如果让一台计算机具有上述所有的功能，成本太高，使用效率不高。

因此，可把专用系统结构与通用系统结构结合起来，确定一个合理的价格比。

2.0 器件对计算机系统结构的影响在计算机中，器件的类型非常多，通常起主要作用的主要表现在以下几个方面：①逻辑电路的综合功能在不断地提高，单个芯片中晶体管的数量以每年（60%~80%）的速率在增长，CPU的速度在不断地提高.②动态存储器DRAM的芯片的密度每年以（50%~60%）的速率在增长，存储周期大约10年下降1/3。

③磁盘密度每年大约以50%的速率增长，三年增长4倍，存取时间大约10年下降1/3.除此之外，其他器件、外围设备的性能，也在大幅度地提高。

这些对计算机系统结构的发展也起到很大的处境作用。

（1）提高主频主频是计算机的一项主要参数。

如今期间发展了，速度提高了，一方面可简化具体的电路；另一方面，可容易地提高CPU的速度。

（2）对系统结构的影响由于构成计算机的器件发展为大规模和超大规模集成电路，每一个芯片中包含有数以千万计的晶体管电路，可为CPU配置大量的寄存器，构成寄存器窗口；为主CPU配置浮点计算器、I/O处理器；构成多CPU阵列、多处理机系统等。

（3）对性能价格比的影响随着大规模、超大规模集成电路的发展，器件的规模不断扩大，功能不断增强，体积不断减小，可高兴不断提高。

使得大型机的功能向中小型机上转移，中小型机上的功能向微型机上转移，微型机的功能缩小为单片机、嵌入式微程序控制器等。

同时，使用LSI/VLSI技术还可使各类器件芯片的研发成本、生产成本下降。

因此其性能价格比提高。

二、名词概念虚拟机：用软件实现的机器叫做虚拟机，但虚拟机不一定完全由软件实现，有些操作可以由硬件或固件（固件是指具有软件功能的固件）实现。

系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。

兼容机：它是指由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。

流水线技术：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。

单功能流水线：指流水线的各段之间的连接固定不变、只能完成一种固定功能的流水线。

多功能流水线：指各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能的流水线。

顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。

乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。

这种流水线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。

吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。

指令的动态调度：是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。

是由硬件在程序实际运行时实施的。

指令的静态调度：是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。