《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》張晨曦概念總匯第1章

1、第1章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念多級層次結(jié)構(gòu)從計算機語言的角度，把計算機系統(tǒng)按功能劃分成多級層次結(jié)構(gòu)。第第6級第5級第4級第3級第2級第1級虛擬機器由軟件實現(xiàn)的機器。解釋語言實現(xiàn)的一種基本技術(shù)。每當(dāng)一條N+1級指令被譯碼后，就直接去執(zhí)行一串等效的N級指令，然后再去取下一條 N+1級的指令，依此重復(fù)進行。翻譯語言實現(xiàn)的一種基本技術(shù)。先把N+1級程序全部變換成 N級程序后，再去執(zhí)行新產(chǎn)生的N級程序，在執(zhí)行過程中N+1級程序不再被訪問。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)程序員所看到的計算機的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。經(jīng)典計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念的實質(zhì)計算機系統(tǒng)中軟、硬件界面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界面之下的是硬件

2、和固件 的功能。透明性在計算機技術(shù)中，對本來存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看又好象不存在的概念稱為透明 性。計算機組成計算機系統(tǒng)的邏輯實現(xiàn)。計算機實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的物理實現(xiàn)。馮氏分類法馮氏分類法是用系統(tǒng)的最大并行度對計算機進行分類。 它是由馮澤云先生于1972 年提出的。最大并行度計算機系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能夠處理的最大的二進制位數(shù)。 可以用平面直角坐標(biāo)系中的一個點代表一個計算機系統(tǒng)，其橫坐標(biāo)表示字寬（ n 位） ，縱坐標(biāo)表示一次能同時處理的字數(shù)（ m字）o mx n就表不了其最大并行度。Flynn 分類法按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進行分類，它是M.J.Flynn 于 1966 年提出的。指令流機器

3、執(zhí)行的指令序列。數(shù)據(jù)流由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列。多倍性在系統(tǒng)受限的部件上，同時處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大數(shù)目。以經(jīng)常性事件為重點對于大概率事件（最常見的事件），賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。系統(tǒng)的加速比對系統(tǒng)中的某些部件進行改進，改進后的系統(tǒng)性能與改進前的系統(tǒng)性能之比。Amdahl 定律加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性?？筛倪M比例在改進前的系統(tǒng)中，可改進部分的執(zhí)行時間在總的執(zhí)行時間中所占的比例。部件加速比可改進部分改進以后性能提高的倍數(shù)。它是改進前所需的執(zhí)行時間與改進后執(zhí)行時間的比。程序的局部性原理程序的局部性原理程序在執(zhí)

4、行時所訪問地址的分布不是隨機的，而是相對地簇聚； 這種簇聚包括指令和數(shù)據(jù)兩部分。程序的時間局部性程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。程序的空間局部性程序即將用到的信息很可能與目前正在使用的信息在空間上相鄰或者臨近。CPU 性能公式程序執(zhí)行的 CPU 時間 = CPI IC / 時鐘頻率IC程序執(zhí)行過程中所處理的指令數(shù)。反映了計算機指令集的結(jié)構(gòu)和編譯技術(shù)。CPI指令時鐘數(shù)。CPI = 總時鐘周期數(shù)/ IC反映了計算機實現(xiàn)技術(shù)、計算機指令集的結(jié)構(gòu)和計算機組織。響應(yīng)時間從事件開始到結(jié)束之間的時間， 也稱為執(zhí)行時間。 即計算機完成某一任務(wù)所花費的全部時間，包括訪問磁盤、訪問存儲器、輸入/輸

5、出、操作系統(tǒng)開銷等。流量在單位時間內(nèi)所能完成的工作量。CPU 時間CPU 為用戶程序工作的時間，不包含 I/O 等待時間及運行其他程序的時間?？杉毞譃橛脩鬋PU 時間及系統(tǒng)CPU 時間。核心測試程序由從真實程序中提取的較短但很關(guān)鍵的代碼構(gòu)成。小測試程序通常是指代碼在幾十行到 100 行的具有一些特定目的的測試程序。用戶可以隨時編寫一些這樣的程序來測試系統(tǒng)的各種功能，并產(chǎn)生用戶已預(yù)知的輸出結(jié)果，如皇后問題、迷宮問題、快速排序、求素數(shù)、計算 兀等。合成測試程序首先對大量的應(yīng)用程序中的操作進行統(tǒng)計， 得到各種操作比例， 再按這個比例構(gòu)造測試程序。Whetstone 與 Dhrystone 是最流行的

6、合成測試程序。基準測試程序套件為了能比較全面地反映計算機在各個方面的處理性能， 通常采用整套測試程序。 這組程序稱為基準測試程序套件， 它是由各種不同的真實應(yīng)用程序構(gòu)成的。 目前最成功和最常見的測試程序套件是SPEC 系列。事務(wù)處理測試程序主要測試在線事務(wù)處理（ On-Line Transaction Processing ， OLTP ）系統(tǒng)的性能，包括數(shù)據(jù)庫 訪問和更新等。存儲程序計算機馮諾依曼結(jié)構(gòu)計算機 輸入 /輸出方式程序控制（程序等待、程序中斷） 、 DMA 、通道、 I/O 處理機相聯(lián)存儲器CAM可按內(nèi)容訪問的存儲器。相聯(lián)處理機以相聯(lián)存儲器為核心的處理機。 相聯(lián)存儲器除了完成信息檢

7、索任務(wù)外， 還能進行一些算術(shù)邏輯運算。系列機由同一廠家生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。軟件兼容同一個軟件可以不加修改地運行于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的各檔機器，而且它們所獲得的結(jié)果一樣，差別只在于運行時間不同。兼容機不同廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機。向上（下 ）兼容按某檔計算機編制的程序，不加修改的就能運行于比它高（低）檔的計算機。向前（后 ）兼容按某個時期投入市場的某種型號機器編制的程序， 不加修改地就能運行于在它之前 （后） 投入市場的機器。模擬用軟件的方法在一臺現(xiàn)有的機器（稱為宿主機host）上實現(xiàn)另一臺機器（稱為虛擬機）的指令集。仿真用一臺現(xiàn)有機器（稱為

8、宿主機）上的微程序去解釋實現(xiàn)另一臺機器（稱為目標(biāo)機）的指令集。并行性在同一時刻或是同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同的工作。只要時間上互相重疊，就存在并行性。同時性兩個或多個事件在同一時刻發(fā)生的并行性。并發(fā)性兩個或多個事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生的并行性。字串位串每次只對一個字的一位進行處理。這是最基本的串行處理方式。字串位并同時對一個字的全部位進行處理，不同字之間是串行的。字并位串同時對許多字的同一位（稱為位片）進行處理。全并行同時對許多字的全部位或部分位進行處理。指令內(nèi)部并行單條指令中各微操作之間的并行。指令級并行并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。線程級并行并行執(zhí)行兩個或兩個以上的線

9、程，通常是以一個進程內(nèi)派生的多個線程為調(diào)度單位。任務(wù)級或過程級并行并行執(zhí)行兩個或兩個以上的過程或任務(wù)（程序段），以子程序或進程為調(diào)度單元。作業(yè)或程序級并行并行執(zhí)行兩個或兩個以上的作業(yè)或程序。時間重疊多個處理過程在時間上相互錯開，輪流使用同一套硬件設(shè)備的各個部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。資源重復(fù)通過重復(fù)設(shè)置資源，尤其是硬件資源，大幅度提高計算機系統(tǒng)的性能。資源共享是一種軟件方法，它使多個任務(wù)按一定時間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。同構(gòu)型（對稱型）多處理機由多個同類型，至少擔(dān)負同等功能的處理機組成，同時處理同一作業(yè)中能并行執(zhí)行的多個任務(wù)。異構(gòu)型（非對稱型）多處理機由多個不同類型，至少擔(dān)負不同功能的處理機組成，按照作業(yè)要求的順序， 利用時間重疊原理，依次對它們的多個任務(wù)進行加工，各自完成規(guī)定的功能動作。分布處理系統(tǒng)把若干臺具有獨立功能的處理機（或計算機）相互連接起來，在操作系統(tǒng)的全盤控制下，統(tǒng) 一協(xié)調(diào)