计算机系统结构的基本概念

计算机系统=硬件/固件+软件

虚拟机和实际计算机:

完全由软件实现的计算机是虚拟机，而由硬件或固件实现的计算机是实际计算机.

模拟: 指令集由微程序解释.

翻译技术是先将所有L + 1级程序转换为L级程序，然后执行新生成的L级程序. 在执行过程中，不再访问L + 1级程序.

解释技术是计算机系统的分类，每当对L + 1级指令进行解码时，它都会直接执行等效的L级指令串，然后接收下一个L + 1级指令，并相应地重复执行.

经典计算机体系结构概念的实质是确定计算机系统中的硬件和软件接口. 界面上方是软件的功能，界面下方是硬件和固件的功能.

计算机实现: 计算机组成的物理实现，包括处理器和主存储器等物理结构设备的集成速度，重点是设备技术和微装配技术.

关注: 物理机器级别的事件顺序和控制，每个组件的功能以及每个组件之间的连接

①命令系统

确定命令系统----系统结构

说明的执行-------组成

特定的电路和设备设计与组装技术-实施

②乘法指令

是否设置乘法指令---系统结构

是用高速乘法器还是加法器---组成

确定设备的类型，数量和组装技术-实施

系统结构主要考虑计算机系统软件和硬件接口的划分；计算机组成是系统结构的逻辑实现. 计算机实现是计算机组成的物理实现.

2. 具有相同系统结构的计算机可以使用不同的组成，并且一种计算机组成可以由许多不同的计算机（数据路径宽度为8位，16位，32位）实现；

3. 不同的系统结构会导致所使用的组合技术不同，并且计算机组合也会影响系统结构；

根据系统的最大并行度进行分类.

最大并行度: 计算机系统可以在一个时间单位内处理的最大二进制位数.

平面直角坐标系中的一个点表示一个计算机系统，横坐标表示单词宽度（n个位），纵坐标表示一次可以处理的单词数（m个单词），m×n表示并行度.

即: Pm =位片宽×字宽

完全平行

指令流: 机器执行的指令序列.

数据流: 指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果.

多倍性: 指系统性能瓶颈组件上同一执行阶段的指令或数据的最大数量.

SISD单指令流单数据流

传统的单处理器属于SISD计算机，它按顺序处理计算机.

SIMD单指令流多个数据流

阵列处理器是SIMD计算机的典型代表

我的国家的YH-I类型就是这种计算机类型

MISD多指令流单数据流

这种类型的系统没有实际的计算机.

MIMD多个指令流和多个数据流

包括大多数多处理器和多计算机系统

我国的YH-II计算机是这种计算机

冯·诺依曼结构

存储程序原理的基本点: 指令驱动计算机系统的分类，1.以操作员为中心: I / O设备与内存之间的数据传输以及机器的各种连接必须通过.

2. 在内存中，指令和数据被同等对待. 可以计算指令和数据，即可以修改由指令组成的程序.

3. 存储器是一维结构，可通过地址进行访问并按顺序进行线性寻址，并且每个单元中的位数是固定的.

4. 指令的执行是顺序的.

通常以将指令存储在内存中的顺序执行.

程序的分支是通过分支指令实现的.

指令计数器PC指示当前正在执行的指令在存储器中的地址.

5. 该指令由操作码和地址码组成.

命令格式:

操作码: 指示操作类型. 地址代码: 指定操作数的地址和运算结果.

三个地址，两个地址，一个地址，零地址

6. 指令和数据均以二进制代码表示，并使用二进制运算.

冯·诺依曼式计算机显然具有三个缺点:

①有两个瓶颈:

CPU访问内存；

串行执行指令；

严重影响计算机系统性能的改善，

②机器语言和高级语言之间的语义差异很大；

③数据表示很简单. 应用程序中常用的堆栈，树，图，多维数组和其他数据结构必须通过地址映射进行存储，这会使软件变得复杂且缓慢.

软件对系统结构的影响. 可移植性

系列机器:

同一制造商生产的相同系统结构，但具有

一系列具有不同组成和实现方式的不同模型的计算机.

例如，IBM的IBM 370系列，Intel的x86系列等.

模拟: 使用一种软件方法在机器A上模拟并执行机器B的命令系统. 机器A被称为主机，机器B被称为虚拟机.

模拟: 使用现有计算机（主机）上的微程序来说明实现

另一台机器（目标机器）的指令集.

统一的高级语言: 用统一的高级语言编写系统软件和应用程序

摩尔定律

计算机的生成主要基于设备. SMP: 对称共享内存多处理器

MPP: 并行处理器

只要它们在时间上相互重叠，就有并行性.

同时发生: 两个或多个事件同时发生.

并发性: 在同一时间间隔内发生两个或更多事件.

内部并行指令: 单个指令中微操作之间的并行.

指令级并行性: 并行执行两个或更多指令.

线程级并行性: 并行执行两个或多个线程.

使用从进程派生的多个线程作为调度单位.

任务级或进程级并行性: 并行执行两个或多个进程或任务（程序段）

子例程或进程是调度单元.

作业或程序级并行性: 并行执行两个或多个

工作或程序.

三种方式: 时间重叠，资源重复和资源共享.

大概率事件优先级原则

阿姆达尔定律

通过加快组件的执行速度而获得的系统性能加速比受到组件在系统中的重要性的限制.

1

加速= -----------------

（1-F）+ F / S

F ----可以提高比率（系统加速比）

S ----零件加速比

程序本地化的原则

计算机性能评估: 执行时间和吞吐量基准测试程序

响应时间: 计算机完成任务所需的总时间.

流程: 系统可以在一个时间单位内完成的任务数量.

CPU时间: 指示CPU为任务工作的时间.

用户CPU时间: 用户程序花费的CPU时间.

系统CPU时间: 用户程序操作期间操作系统所花费的CPU时间.

CPU性能

（1）CPU时间=总时钟周期/时钟频率

（2）每个指令CPI的时钟数量，指令IC的数量

CPI =总时钟周期/ IC

（3）CPU时间= CPI×IC /时钟频率

时钟周期时间: 取决于硬件实现技术和计算机组成.

CPI: 取决于计算机的组成和指令集结构.

IC: 取决于指令集的结构和编译技术.

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