CH1基本概念
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
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提高处理机器运算速度
- MIPS = Fz * IPC
- 注意单位
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提高IPC（指令周期）
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提高Fz（频率）
七层结构
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不同角度的人员所观察到的层次不一样
- 透明
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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
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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
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时钟频率
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指令执行速度
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MIPS = Fz * IPC
- IPC：每个时钟周期平均执行的指令条数
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MIPS = Fz / CPI
- CPI:每条指令所需的平均时钟周期数
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等效指令速度
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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%
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存储系统
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层次结构
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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
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存储容量
- 可存储总量
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存储器种类
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存储速度
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存储系统
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软硬件相结合
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三层存储系统
- Cache
- 主存
- 磁盘
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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
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存储程序
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以存储器为中心
- 主存和总线连接各个设备
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总线结构，分散控制
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总线
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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
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现代三总线结构
- 数据总线
- 地址总线
- 控制总线
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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
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SISD
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单指令流单数据流
- 标量流水线处理机
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SIMD
- 单指令流多数据流
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MISD
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多指令流单数据流
- 实际上不存在
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MIMD
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多指令流多数据流
- 多处理机系统
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计算机系统的设计技术
软硬件取舍
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从价格因素来考虑
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改进性能角度
- 加快经常性事件的执行速度
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Amdahl定律
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某一部件加快后，整个系统性能会因之提升
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加速比与两个因素有关
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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）
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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）
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改进后整个任务的执行时间为
- Tn = T0* （1 - Fe + （Fe / Se）)
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改进后系统的加速比为
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Sn = T0 / Tn
- Sn = 1 / （1 - Fe + （Fe / Se））
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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
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兼容种类
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向后兼容
- 目标软件能运行于更晚生产的机器上
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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
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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
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模拟与仿真
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用一台现有的计算机实现另一台计算机的指令系统
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模拟
- 虚拟机
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仿真
- 直接使用微程序
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计算机系统设计方法
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自上向下
- 面向专业领域，通用计算机很少采用
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自下向上
- 容易使软件与硬件脱节，效率降低
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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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