CH1基本概念

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CH1基本概念

目的与内容

了解计算机系统的完整概念

学习计算机系统的分析方法与设计方法

编写程序所必需了解的计算机属性

计算机系统结构简介

为什么要研究系统结构

  • 提高处理机器运算速度

    • MIPS = Fz * IPC
    • 注意单位

  • 提高IPC（指令周期）

  • 提高Fz（频率）

七层结构

  • 不同角度的人员所观察到的层次不一样

    • 透明

  • 结构

    • 应用程序
    • 高级语言
    • 汇编语言
    • 操作系统
    • 机器语言
    • 微程序
    • 硬联逻辑

计算机系统结构的定义

  • 系统程序员所看到的计算机系统的属性

    • 概念性结构
    • 功能属性

计算机系统评价标准

运算速度

  • 时钟频率

  • 指令执行速度

    • MIPS = Fz * IPC

      • IPC：每个时钟周期平均执行的指令条数

    • MIPS = Fz / CPI

      • CPI:每条指令所需的平均时钟周期数

  • 等效指令速度

    • 按实际情况，对不同的指令类型进行加权配比

      • 加减法50%
      • 乘除法20%
      • 程序控制15%
      • 其它15%

存储系统

  • 层次结构

  • 寻址空间

    • 程序员可以使用的存储器容量
    • 即实际可用的内存空间

  • 存储容量

    • 可存储总量

  • 存储器种类

  • 存储速度

  • 存储系统

    • 软硬件相结合

    • 三层存储系统

      • Cache
      • 主存
      • 磁盘

  • 等等

计算机系统结构的发展

冯诺依曼结构

  • 存储程序
  • 以运算器为中心
  • 集中控制

现代计算机结构

  • 存储程序

  • 以存储器为中心

    • 主存和总线连接各个设备

  • 总线结构，分散控制

    • 总线

      • 任何时刻，只能有一个部件向总线上发送信息，可以有多个部件同时接收信息

      • 现代三总线结构

        • 数据总线
        • 地址总线
        • 控制总线

器件发展的影响

  • 集成度迅速提高
  • 提高速度空间不大
  • 价格直线下降
  • 可靠性越来越高

改进算法的影响

计算机系统的分类

按大小分类

  • 巨型
  • 大型
  • 中型等等

按用途分类

  • 实时控制
  • 家用
  • 科学计算等等

按数据类型分类

  • 向量计算机
  • 浮点计算机等等

按处理器个数和种类分类

  • 单标量处理机
  • 并行处理机
  • 超标量处理机等等

佛林分类法

  • SISD

    • 单指令流单数据流

      • 标量流水线处理机

  • SIMD

    • 单指令流多数据流

  • MISD

    • 多指令流单数据流

      • 实际上不存在

  • MIMD

    • 多指令流多数据流

      • 多处理机系统

计算机系统的设计技术

软硬件取舍

  • 从价格因素来考虑

  • 改进性能角度

    • 加快经常性事件的执行速度

  • Amdahl定律

    • 某一部件加快后，整个系统性能会因之提升

    • 加速比与两个因素有关

      • 可改进部分的比例

        • Fe = （可改进部分的执行时间）/（改进前整个任务的执行时间）

      • 改进部分的加速比

        • Se = （改进前改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间）

    • 改进后整个任务的执行时间为

      • Tn = T0* （1 - Fe + （Fe / Se）)

    • 改进后系统的加速比为

      • Sn = T0 / Tn

        • Sn = 1 / （1 - Fe + （Fe / Se））

  • 改进指令处理性能的主要途径

    • 面向目标代码改进
    • 面向高级语言和编译程序改进
    • 面向操作系统改进

兼容性设计

  • 兼容种类

    • 向后兼容

      • 目标软件能运行于更晚生产的机器上

    • 向上兼容

      • 在低档机器运行的目标软件能直接运行于高档计器上

  • 系列机

    • 具有相同的系统结构，但组成和实现技术不同的一系列计算机
    • 一种系统结构可以有多种组成，一种组成也可以有多种物理实现
    • 兼容性好

  • 模拟与仿真

    • 用一台现有的计算机实现另一台计算机的指令系统

    • 模拟

      • 虚拟机

    • 仿真

      • 直接使用微程序

计算机系统设计方法

  • 自上向下

    • 面向专业领域，通用计算机很少采用

  • 自下向上

    • 容易使软件与硬件脱节，效率降低

  • 中间开始

    • 先定义软硬件的分界面，然后每个层次分别开始
    • 易用，且可以用于设计系列机

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