halo~我是bay_Tong桐小白
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计算机系统结构的定义及主要研究内容

定义： 计算机系统结构，也称计算机体系结构

• 经典定义：计算机系统结构是程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性
• 广义定义：计算机系统结构囊括计算机设计的3个方面：指令集结构、组成、硬件

主要研究内容： 组织结构、实现策略、性能优化

计算机系统的层次结构

虚拟机： 指由软件实现的虚拟的机器，用以区别于固件/硬件实现的物理机器

多层次结构： 一台计算机所提供的编程语言有多种，构成一系列的层次级别

对于使用某一层语言来编写程序的程序员来说，不需要关注程序在其他层是怎样执行的，即对于这一层的程序员来说，似乎在使用着只由这一层的编程语言编写程序的计算机，因此该层可被归纳为一个虚拟机层

计算机系统结构的分类

冯氏分类法： 用系统的最大并行度对计算机进行分类

Flynn分类法： 按照指令流和数据流的多倍性进行分类

• 单指令流单数据流 SISD. 传统的顺序处理计算机
• 单指令流多数据流 SIMD. 阵列处理机、向量处理机等
• 多指令流单数据流 MISD. 只是一种人为划分，目前没有实际的计算机
• 多指令流多数据流 MIMD. 多处理机等

ps：相关概念定义

• 指令流：计算机执行的指令序列
• 数据流：由指令流调用的数据序列
• 多倍性：在系统受限的部件上，同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大数目

定量分析技术

总原理：加快经常性事件，在计算机系统设计中，对经常发生的情况赋予优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进

Amdahl定律： 加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性


Amdahl定律的性能递减规则：如果仅仅对计算机中的一部分做性能改进，则改进越多，所得到的总体性能的提升就越有限

CPU性能公式：

根据性能公式，可得处理器性能优化的策略

• 减少指令条数
• 降低CPI
• 减少时钟周期时间

程序局部性原理

• 时间局部性：若一个信息项正在被访问，则在近期它很有可能会被再次访问
• 空间局部性：程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或临近

该原理常见于存储系统的相关策略与算法，存储器更多相关知识内容详细见计算机组成原理专栏文章《存储器层次结构总结——基本知识要点汇总》

计算机系统结构发展

重要理论基础

• 阿兰图灵： 图灵机——计算机的理论基础
• 冯诺依曼： 冯诺依曼体系结构——计算机的架构基础
  
• 戈登摩尔： 摩尔定律——计算机的物质基础，集成电路芯片上所集成的晶体管数目每隔18个月就翻一番
• 阿姆达尔： Amdahl定理——计算机系统结构的总原则

软件对系统结构的影响

可移植性概念：一个软件不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运行

实现可移植性的常用方法：

• 系列机
• 模拟和仿真
• 统一高级语言

器件对系统结构的影响： 器件发展是推动计算机系统结构不断发展的最活跃的因素

应用对系统结构的影响： 应用需求是促使计算机系统结构发展的最根本的动力

并行性的发展

并行性基础

并行性概念： 计算机系统在同一时刻或者是间隔内进行多种运算或操作

• 两个或两个以上的事件在同一时刻发生——同时性
• 两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生——并发性

并行性等级：

从处理数据的角度看（从低到高依次）

• 字串位串——每次只对一个字的一位进行处理
• 字串位并——同时对一个字的全部位进行处理
• 字并位串——同时对许多字的同一位进行处理
• 全并行——同时对许多字的全部位或部分位进行处理

从执行程序的角度看（从低到高依次）

• 指令内部并行——单条指令中各微操作之间的并行
• 指令级并行——并行执行两条或两条以上的指令
• 线程级并行——并行执行两个或两个以上的线程，通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位
• 任务级或过程级并行——并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段），以子程序或进程为调度单元
• 作业或程序级并行——并行执行两个或两个以上的作业或程序

提高并行性的技术途径

时间重叠： 引入时间因素，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

典型实例：流水线

资源重复： 引入空间因素，通过重复设置硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能

实例：为解决流水线堵塞，细化任务，任务分支

资源共享： 软件方式，使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备

单机系统并行性的发展

时间重叠： 起主导作用

实现时间重叠的基础：部件功能专用化

• 把一件工作按功能分割为若干相互联系的部分
• 把每一部分指定给专门的部件完成
• 按时间重叠原理把各部分的执行过程在时间上重叠起来，使所有部件依次分工完成一组同样的工作

资源重复原理： 常见于以下场合

• 多体存储器
• 多操作部件
• 阵列处理机（并行处理机）

资源共享： 用单处理机模拟多处理机的功能，形成所谓虚拟机的功能

多级系统并行性的发展

发展方向：

• 同构型处理机
• 异构型处理机
• 分布式系统

按耦合度分类：

• 紧密耦合系统（也称直接耦合系统）
• 松散耦合系统（也称间接耦合系统）

持续更新中……
我是桐小白，一个摸爬滚打的计算机小白