计算机系统结构1-概论

考察知识点

• 计算机系统的层次结构
• 计算机系统结构、计算机组成、计算机的实现
• 计算机的软硬件取舍及定量设计原理
• 软件、应用、器件的发展对系统结构的影响
• 系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类

知识难度：

每个知识点使用 ※ 号标记掌握程度和类型。

※：标识，能够记住知识点和概念；

※※：领会，需要领悟和理解，能够消化和吸收，对知识点做出正确的解释、说明、论述。

※※※：简单应用，能够运用课程中的知识点，例如计算、绘图，去分析、实现和解决一般的应用问题。

※※※※：综合应用，要求考生能够运用课程中的多个知识点，解决复杂的问题。

考核内容提纲

1，计算机系统的层次结构【※】

分级

从使用语言角度来看，现代通用计算机系统分级如下(0-5级)：

翻译和解释

虚拟机器和实际机器：

完全由软件实现的机器为虚拟机器，由硬件或固件实现的机器为实际机器。

仿真：由微程序解释指令集。

翻译技术：是先用转换程序将高一级机器级上的程序整个的变换成低一级机器级上等效的程序，然后在低一级机器级上实现的技术。

解释技术：是在低级机器级上用她的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能，是通过对高级机器级语言程序中的每条语句或指令逐解释来实现的技术。

注意，翻译是整个过程一次性；

解释技术可以读取高一级语言的一句代码，然后执行，再读取、执行。实现逐步执行程序中的代码。

2，计算机系统结构、组成和实现的定义和研究方面【※※】

计算机系统结构、组成和实现的定义和研究方面

计算机系统结构：也称为计算机系统的体系结构，是对计算机系统中各级界面的定义及其上下功能的分配。

计算机系统结构指的是传统机器语言机器级层面，是软硬件的交汇面。

透明：如果客观存在的事物或属性从某个角度看不到，则称对它是透明的。

对于不同层次的程序开发者，看到的计算机属性是不一样的，所以系统结构就是要研究某个级别哪些属性是应该透明的、哪些属性不应该透明。

研究方面：计算机系统结构要研究的是软硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定。

计算机组成：计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计。

计算机组成设计，考虑：

1）数据通路宽度；

2）专用部件的设置；

3）各种操作对部件的共享程度；

4）功能部件的并行性

5）控制机构的组成方式

6）缓冲和排队技术

7）预估、预判技术

8）可靠性技术

计算机实现：指的是计算机组成的物理实现，包括物理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，微组装技术，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。

计算机系统结构的属性包括(不用记)：

1）硬件能直接识别和处理的数据类型及格式等的数据表示；

2）最小可寻址单位、寻址种类、地址计算等的寻址方式；

3）通用/专用寄存器的设置、数量、字长、使用约定等的寄存器组织；

4）二进制或汇编指令的操作类型、格式、排序方式、控制机构等的指令系统；

5）主存的最小编址单位、编址方式、容量、最大可编址空间等的存储系统组织；

6）中断的分类和分级、中断处理程序功能及入口地址等的中断机构；

7）系统机器级的管态和用户态的定义与切换；

8）输出/输出设备的连接、使用方式、流量、操作结束、出错指示等的机器级I/O结构；

9）系统个部分的信息保护方式和保护机构等属性；

系统结构、组成和实现的关系和影响

计算机系统结构特点是层次结构，研究传统机器语言机器级部分；

计算机组成着眼于机器内部各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能及各部件间的联系。

计算机组成着眼于器件技术和微组装技术。

三者的关系区分有点复杂。

计算机系统的定量设计原理

1，哈夫曼压缩原理

尽可能加速处理高概率出现的事件，比加速处理出现概率低的事件对性能的提高要显著。例如 CPU 缓存，程序缓存，优化 CPU 某些计算的指令集。

2，Amdahl 定律

该定律用于确定系统中性能瓶颈部件在采用措施提示性能后，此部件对系统性能提示的改进程度，即系统加速比。

这个提升程度使用 Sₚ 表示。

可改进性能的部件原先运行占用的时间与系统整体运行需要的时间的比值为 f_new 。0 ≤ f_new ≤ 1。

例如程序可以读取图片、输出图片的文字，读取图片的时间是 4 s，系统整体运行需要 10 s，则 f_new = 4 / 10。

升级加速比，可改进部件原先运行速度与改进后的部件速度的比值，r_new。r_new ≥ 1。

原本需要 4 s读取图片，现在只需要 1 s，则 r_new ≥ 4 / 1。

总加速比 = 原执行时间 / 改进后执行时间。

Sₚ = T_old / T_new

时间给定的情况之下，先转为比值。

例题：

有个程序功能比较多，其中有个功能从数据库中读取数据，处理后显示到界面中，此功能执行时间需要 8 秒，据统计，程序各个功能操作一遍，需要耗时 60 秒。

计算 f_new = 8 / 60 ；

结果程序员优化程序逻辑和 SQL 后，此功能执行时间仅需 1 秒。

计算 r_new = 8 / 1；

Sₚ ≈ 1.13

由此看到，需要此功能较原先提速 8 倍，但是对于系统整体来说，只提升了 13%。

3，程序访问的局部性定律

程序访问的局部性包括空间上、时间上两部分。时间上：程序可能大多数时间在执行某些部分、多次重复执行某些部分；空间上：多个信息间是邻近的，现在使用的、将来使用的信息可能会在邻近。