计算机系统结构 计算机系统结构的基本概念

一、计算机系统结构的概念

1.1 计算机系统的层次结构

划分为多级层次结构的优点：（1）便于理解计算机的整体工作概念及目前软硬件的作用和地位；（2）便于认识语言的实质和实现方法；（3）便于搜索虚拟机的新的实现方法，设计新的计算机系统；（4）便于正确理解计算机系统结构的意义，更好地进行系统设计。

1.2 计算机系统结构

计算机系统结构是程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。

1.3 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，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。它着眼于物理级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的联系。

1.4 计算机实现

计算机实现指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配等。它着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中起主导作用。

二、定量分析技术

2.1 以经常性事件为重点

对于大概率事件赋予优先处理权和资源使用权，以获取全局最优的结果。

2.2 Amdahl定律

加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。

可改进比例：可改进部分的执行时间在总的执行时间中所占的比例。部件加速比：改进前所需的执行时间与改进后执行时间的比。

部件改进前，系统的总执行时间等于不可改进部分的执行时间加上可改进部分改进后的总执行时间

系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比

2.3 CPU性能公式

执行一个程序所需时间的CPU时间：

CPU时间 = 执行程序所需的时钟周期数 * 时钟周期时间 （时钟周期是系统时钟频率的倒数）

CPI：每条指令的平均时钟周期数

CPI = 执行程序所需的时钟周期数 / 所执行的指令条数

则CPU性能公式

CPU时间 = IC * CPI * 时钟周期时间 （IC是所执行的指令条数）

所以CPU的性能取决于三个参数

（1）时钟周期时间：取决于硬件实现技术和计算机组成（2）CPI：取决于计算机组成和指令集结构（3）IC：取决于指令集结构和编译技术

CPU时钟周期总数

CPU时钟周期数 = Σ （CPIi * ICi） (CPIi为执行第i钟指令所需的平均时钟周期，ICi为程序执行的过程中第i种指令出现的次数)

CPU性能公式

CPU时间 = CPU时钟周期数 * 时钟周期时间

则

三、计算机系统结构中的并行性

3.1 并行性的概念

并行性是指计算机系统在同一时刻或同一时间间隔内进行多种运算或操作，只要时间上相互重叠，就存在并行性。

并行性包含同时性与并发性

同时性：两个或两个以上的事件在同一时刻发生。并发性：两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生。

3.2 提高并行性的技术途径

（1）时间重叠：在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流、重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。（2）资源重复：在并行性概念中引入空间因素，以数量取胜。通过重复设置硬件资源，大幅度地提高就计算机系统的性能。（3）资源共享：这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。多道程序、分时系统就是遵循这一途径而产生的。资源共享既降低了成本，又提高了计算机设备的利用率。