CH1基本概念
CH1基本概念
目的與內容
了解計算機系統的完整概念
學習計算機系統的分析方法與設計方法
編寫程序所必需了解的計算機屬性
計算機系統結構簡介
為什么要研究系統結構
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提高處理機器運算速度
- MIPS = Fz * IPC
- 注意單位
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提高IPC（指令周期）
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提高Fz（頻率）
七層結構
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不同角度的人員所觀察到的層次不一樣
- 透明
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結構
- 應用程序
- 高級語言
- 匯編語言
- 操作系統
- 機器語言
- 微程序
- 硬聯邏輯
計算機系統結構的定義
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系統程序員所看到的計算機系統的屬性
- 概念性結構
- 功能屬性
計算機系統評價標准
運算速度
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時鍾頻率
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指令執行速度
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MIPS = Fz * IPC
- IPC：每個時鍾周期平均執行的指令條數
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MIPS = Fz / CPI
- CPI:每條指令所需的平均時鍾周期數
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等效指令速度
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按實際情況，對不同的指令類型進行加權配比
- 加減法50%
- 乘除法20%
- 程序控制15%
- 其它15%
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存儲系統
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層次結構
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尋址空間
- 程序員可以使用的存儲器容量
- 即實際可用的內存空間
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存儲容量
- 可存儲總量
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存儲器種類
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存儲速度
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存儲系統
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軟硬件相結合
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三層存儲系統
- Cache
- 主存
- 磁盤
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等等
計算機系統結構的發展
馮諾依曼結構
- 存儲程序
- 以運算器為中心
- 集中控制
現代計算機結構
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存儲程序
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以存儲器為中心
- 主存和總線連接各個設備
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總線結構，分散控制
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總線
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任何時刻，只能有一個部件向總線上發送信息，可以有多個部件同時接收信息
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現代三總線結構
- 數據總線
- 地址總線
- 控制總線
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器件發展的影響
- 集成度迅速提高
- 提高速度空間不大
- 價格直線下降
- 可靠性越來越高
改進算法的影響
計算機系統的分類
按大小分類
- 巨型
- 大型
- 中型等等
按用途分類
- 實時控制
- 家用
- 科學計算等等
按數據類型分類
- 向量計算機
- 浮點計算機等等
按處理器個數和種類分類
- 單標量處理機
- 並行處理機
- 超標量處理機等等
佛林分類法
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SISD
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單指令流單數據流
- 標量流水線處理機
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SIMD
- 單指令流多數據流
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MISD
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多指令流單數據流
- 實際上不存在
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MIMD
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多指令流多數據流
- 多處理機系統
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計算機系統的設計技術
軟硬件取舍
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從價格因素來考慮
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改進性能角度
- 加快經常性事件的執行速度
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Amdahl定律
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某一部件加快后，整個系統性能會因之提升
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加速比與兩個因素有關
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可改進部分的比例
- Fe = （可改進部分的執行時間）/（改進前整個任務的執行時間）
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改進部分的加速比
- Se = （改進前改進部分的執行時間）/（改進后改進部分的執行時間）
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改進后整個任務的執行時間為
- Tn = T0* （1 - Fe + （Fe / Se）)
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改進后系統的加速比為
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Sn = T0 / Tn
- Sn = 1 / （1 - Fe + （Fe / Se））
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改進指令處理性能的主要途徑
- 面向目標代碼改進
- 面向高級語言和編譯程序改進
- 面向操作系統改進
兼容性設計
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兼容種類
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向后兼容
- 目標軟件能運行於更晚生產的機器上
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向上兼容
- 在低檔機器運行的目標軟件能直接運行於高檔計器上
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系列機
- 具有相同的系統結構，但組成和實現技術不同的一系列計算機
- 一種系統結構可以有多種組成，一種組成也可以有多種物理實現
- 兼容性好
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模擬與仿真
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用一台現有的計算機實現另一台計算機的指令系統
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模擬
- 虛擬機
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仿真
- 直接使用微程序
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計算機系統設計方法
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自上向下
- 面向專業領域，通用計算機很少采用
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自下向上
- 容易使軟件與硬件脫節，效率降低
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中間開始
- 先定義軟硬件的分界面，然后每個層次分別開始
- 易用，且可以用於設計系列機
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