1、計算機系統結構概念
1.1 計算機系統結構：程式設計師所看到的計算機的基本屬性，即概念性結構與功能特性。
*注意：對不同層次上的程式設計師來說，由於使用的程式語言不同，可能看到的概念性結構和功能特性會有所不同。
1.2 計算機系統的層次結構
現代計算機是一種包括機器硬體、指令系統、系統軟體、應用程式和使用者介面的整合系統。
現代計算機結構圖
*注意：計算機結構的層次模型
依據計算機語言廣義的理解，可將計算機系統看成由多級「虛擬」計算機所組成。
從語言層次上畫分可得下圖：
計算機結構的層次模型
1.3計算機系統結構組成與實現
計算機系統結構：是計算機系統的軟體與硬體直接的介面
計算機組成：是指計算機系統結構的邏輯實現
計算機實現：是指計算機組成的物理實現
*計算機系統結構、組成與實現三者間的關係：
計算機系統結構不同會影響到可用的計算機組成技術不同，而不同的計算機組成又會反過來影響到系統結構的設計。因此，計算機系統結構的設計必須結合應用來考慮，要為軟體和演算法的實現提供更多更好的硬體支援，同時要考慮可能採用和準備採用哪些計算機組成技術，不能過多或不合理地限制各種計算機組成、實現技術的採用與發展。
計算機組成與計算機實現可以折衷，它主要取決於器件的**、廠家的技術特長和效能**比能否優化。應當在當時的器件技術條件下，使**不增或只增很少的情況下盡可能提高系統的效能。
1.4 計算機系統結構的分類
計算機結構分類方式主要有三種：
（1） 按「流」分類
按「流」分類法是flynn教授在2023年提出的一種分類方法，它是按照計算機中指令流（instruction stream）和資料流（data stream）的多倍性進行分類。指令流是指機器執行的指令序列，資料流是指指令流呼叫的資料序列。多倍性是指在計算機中最受限制（瓶頸最嚴重）的部件上，在同一時間單位中，最多可並行執行的指令條數或處理的資料個數。
*注意： 按「流」分類法，即flynn分類法的邏輯結構型別：
1 sisd計算機
2 simd計算機
3 misd計算機
4 mimd計算機
（2） 按「並行性」和「流水線」分類
（3） 按計算機系統結構的最大並行度進行分類
1.5計算機系統的設計與實現
隨著大規模積體電路技術的發展和軟體硬化的趨勢，計算機系統軟、硬體間界限已經變得模糊了。因為任何操作可以由軟體來實現，也可以由硬體來實現；任何指令的執行可以由硬體完成，也可由軟體來完成。對於某一功能是採用硬體方案還是軟體方案，取決於期間**、速度、可靠性、儲存容量、變更週期等因素。
*計算機系統的設計原則：
（1）加快經常性事件的速度------這是最重要也是被廣泛採用的設計準則
使經常性事件的處理速度加快能明顯提高整個系統的效能
（2）amdahl定律
amdahl定律：系統優化某部件所獲得的系統效能的改善程度，取決於該部件被使用的頻率，或所佔總執行時間的比例。
主要應用：改善「系統瓶頸」效能。
amdahl定律定義了加速比：
n個處理器加速因子s=n/[1+(n-1)f]:f為非平行百分比，n越大，s不能超過1/f
（3）訪問區域性性原理
程式訪問區域性性原理說明了計算機在程式執行過程中呈現出的一種規律，即程式往往重複使用它剛剛使用過的資料和指令。區域性性分為時間上的區域性性和空間上的區域性性兩種。所謂時間區域性性是指近期被訪問的**，很可能不久又將再次被訪問；空間區域性性是指位址上相鄰近的**可能會被連續地訪問。
*計算機系統設計的主要任務：
（1）確定使用者定計算機系統的功能、**和效能要求
功能要求包括：應用領域、軟體相容性、作業系統的要求、各種通用國際標準的要求。
**要求：考慮使用者或市場對計算機功能和效能要求的前提下，盡量降低成本。
效能要求包括：速度、容量、輸入/輸出的種類、可靠性、可維護性、安全性、容錯能力、人機互動的能力等。
（2）軟硬體的平衡
硬體實現：速度快、成本高；靈活性差、占用記憶體少
軟體實現：速度低、複製費用低；靈活性好、占用記憶體多
計算機系統的設計必須考慮硬體和軟體的合理分配，同時還應該考慮設計的複雜性及軟硬體實現的難易程度。
（3）設計出符合今後發展方向的系統結構
乙個成功的系統結構應該能經得起軟、硬體技術的發展以及應用的變化。因此設計者必須特別注意計算機應用和計算機技術的發展趨勢，這樣才能延長一種機器的使用壽命。
發展趨勢：硬體實現的比例越來越高，軟體所佔的成本越來越高
1.6計算機系統效能評測
（1）cpu效能
cpu的效能是指cpu執行程式所用的時間，也就是cpu連續地執行一條條指令的時間，不包括i/o等待時間。
cpu的效能取決於三個要素：
1 時鐘頻率f
2 每條指令所花的時鐘週期數cpi
3 指令條數ic
其中，ii表示i指令在程式中執行的次數，cpii表示i指令所需的平均時鐘週期數，n為指令種類數。
（2）mips和mflops
1）mips表示每秒百萬條指令數，對於乙個給定的程式
mips的定義為：
程式的執行時間為：
其中：te為程式執行時間，cpi為每條指令的平均時鐘週期，時鐘頻率為美妙週期數即每週期的時間的倒數。
極其愈快其mips值愈高，但mips對指令系統和程式的依賴性很大，在某些情況下不能準確反映系統的效能
2）mflops表示每秒百萬次浮點操作次數
mflops的定義為：
，mflops用於衡量機器浮點操作的效能，同一程式在不同機器上執行的指令可能不同，但執行的浮點運算卻是完全相同的。但mflops不能體現機器的整體效能，mflops取決於機器和程式兩個方面，不同機器浮點運算集不同，因此不同浮點操作的時間也不同。
1.7 計算機系統結構的演變
早期的計算機以運算器為中心。以後50多年逐步演變以儲存器為中心，並採用流水線、多處理器、多處理機的並行處理技術，使其功能得到不斷地提高。
1.8 並行處理技術
並行處理技術是提高計算機效能的最佳途徑，也是計算機未來的發展方向。並行處理以發展多處理器和平行計算為基礎，出現了陣列機和多處理機系統；隨著計算機網路的發展，又發展各種適應於網路環境的計算機，以便更大範圍地實現並行處理與資源共享。
1 採用多處理器：以支流水線和並行處理技術，加快指令的執行和資料處理的速度，比如產生了針對向量運算的向量機、脈動陣列機等。
2 採用多個處理機：構成並行處理機系統，如設定浮點運算協處理機、i/o處理機等，以提高整機的資料處理能力和i/o速率；在此基礎上，發展為多個處理機的並行處理機系統。
3 網路計算機：各種計算機都配置了數據機，以便聯網，以實現更大範圍的多機並行處理和資源共享。
*特別關注：
馮·諾依曼計算機是一種控制驅動方式，它的基本原理是程式儲存。他的組成及工作原理如下圖：
1.9 應用需求對計算機系統結構的影響
（1）應用需求對計算機系統結構的影響
由於社會的應用需求，產生了第一台電子計算機，同時，也正是應用需求，一直在推動計算機發展。為了滿足應用需求對計算機效能的需要，計算機系統結構一直處於發展和變化之中，主要表現在運算速度、儲存器容量和i/o吞吐率等方面。
1 為滿足科學計算和大量資料資訊的處理，計算機有小型機發展到中型機、大型機乃至於巨型機，在系統結構上產生了浮點運算器、陣列機、並行處理機以及各種多處理機系統等；
2 為滿足自動控制、訊號傳輸與通訊的需要，產生了包括i/o處理機在內的各種專用計算機；
3 為實現智慧型化的控制與管理，出現了模糊處理機和模糊儲存器；
4 為適應智慧型儀器儀表的發展，嵌入式計算機晶元大量地湧現了出來。
（2）選擇合理的效能**比
為了滿足不同領域的特殊需求，需要為之設計高效率系統結構的計算機。主要的應用領域有：
a.高結構化的數值運算：流體力學、氣象模型、有限元分析等；
b.非結構化的數值運算：蒙特卡洛模擬、稀疏矩陣等；
c.實時多因素處理：語音識別、圖形影象處理、計算機視覺等；
d.大容量及高i/o密度的處理：資料庫系統、事務處理、大容量交換機等；
e.人工智慧：面向知識系統、推理系統、自學習系統、智慧型管理與控制等。
如果讓一台計算機具有上述所有的功能，成本太高，使用效率不高。因此，可把專用系統結構與通用系統結構結合起來，確定乙個合理的**比。
2.0 器件對計算機系統結構的影響
在計算機中，器件的型別非常多，通常起主要作用的主要表現在以下幾個方面：
1 邏輯電路的綜合功能在不斷地提高，單個晶元中電晶體的數量以每年（60%~80%）的速率在增長，cpu的速度在不斷地提高.
2 動態儲存器dram的晶元的密度每年以（50%~60%）的速率在增長，儲存週期大約10年下降1/3。
3 磁碟密度每年大約以50%的速率增長，三年增長4倍，訪問時間大約10年下降1/3.
除此之外，其他器件、外圍裝置的效能，也在大幅度地提高。這些對計算機系統結構的發展也起到很大的處境作用。
（1）提高主頻
主頻是計算機的一項主要引數。如今期間發展了，速度提高了，一方面可簡化具體的電路；另一方面，可容易地提高cpu的速度。
（2）對系統結構的影響
由於構成計算機的器件發展為大規模和超大規模積體電路，每乙個晶元中包含有數以千萬計的電晶體電路，可為cpu配置大量的暫存器，構成暫存器視窗；為主cpu配置浮點計算器、i/o處理器；構成多cpu陣列、多處理機系統等。
（3）對效能**比的影響
隨著大規模、超大規模積體電路的發展，器件的規模不斷擴大，功能不斷增強，體積不斷減小，可高興不斷提高。使得大型機的功能向中小型機上轉移，中小型機上的功能向微型機上轉移，微型機的功能縮小為微控制器、嵌入式微程式控制器等。同時，使用lsi/vlsi技術還可使各類器件晶元的研發成本、生產成本下降。
因此其效能**比提高。
二、名詞概念
虛擬機器：用軟體實現的機器叫做虛擬機器，但虛擬機器不一定完全由軟體實現，有些操作可以由硬體或韌體（韌體是指具有軟體功能的韌體）實現。
計算機系統結構複習題
一 填空題 1 計算機系統由 b 和 d 兩大部分組成。a 程式系統 b 軟體系統 c 檔案系統 d 硬體系統 2 日常生活中人們都採用十進位制來表示數值，計算機系統採用 d 來儲存資料。a 十六進製制 b 八進位制 c 制 d 二進位制 3 計算機中的小數點位置固定不變的稱為 b 表示法。a 浮點...
計算機系統結構試題
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計算機系統結構試題試題
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