==计算机系统多级层次结构==

==计算机系统体系结构的定义==

经典定义

计算机体系结构是指传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念结构与功能特效。

广义定义

系统结构定义为：指令系统结构，组成，硬件。

计算机组成和实现

计算机系统结构：计算机系统的软硬件的界面。（传统机器所具有的结构）

计算机组成：逻辑结构的实现（控制方式，功能等）

计算机实现：物理实现（引脚，电压，散热等）

翻译和解释的区别：
翻译：全部一起翻译后一起执行，占用空间大
解释：逐条解释执行，占用空间小，消耗时间大

计算机系统结构分类

Flynn分类

按照指令流和数据流分类
Single Multiple | Instruction Data

1. SISD
2. SIMD
3. MISD 并不存在
4. MIMD

冯式分类

按照系统最大并行度分类
最大并行度：能处理的最大二进制位数

1. WSBS字串位串
2. WSBP字串位并
3. WPBS字并位串
4. WPBP字并位并

Handler分类法

根据并行度和流水线分类

1. 控制部件个数k
2. ALU部件d
3. ALU包含的基本逻辑线路ELC套数w

公式t=（k，d，w）

如果考虑流水线：
t=（k*k` ，d*d`，w*w`）加上流水线并行
例如：Cray有一个CPU，12个相当于ALU或者PE的处理部件，最多可以实现8级流水，字长为64位，可实现114位流水线处理。则表示为t（Cray）=（1,12*8,64*（1\14））

计算机系统设计

定量原理

4个定量原理：

1. 经常性事件为重点
2. ==Amdahl定理：系统性能加速比=系统性能改进后/系统性能改进前 =总执行时间改进前/总执行时间改进后 。==
   ==这意味着提升百分比是非直线的，改进越多总收益提升增长越慢，一般加速比不会超过1/（1-可改进比例）==
3. CPU性能公式：执行所需时钟周期*时钟周期
   CPI（执行每条指令平均时钟周期）=执行程序总时间/总指令条数
4. ==程序的局部性原理：程序执行时访问的存储器地址分布不是随机的而是相对的簇聚。==
   • 时间局部性
   • 空间局部性

系统设计的主要方法

1. 由上往下
2. 由下往上
3. 从中间开始：解决前两种软硬件设计分离和脱节问题

计算机系统性能评测
执行时间和吞吐率
执行时间
CPU时间：不包含I/O等待和运行其他程序时间
- 用户程序CPU时间
- 系统CPU时间
基准测试程序：用于比较性能的测试程序（编译器等等）

计算机系统结构的发展

冯诺依曼结构及其改进

冯诺依曼结构的组成：输入设备，输出设备，==运算器==，存储器，控制器
冯诺依曼结构特点：

• 运算器为中心
• 指令和数据都在存储器中同等对待
• 存储器按地址访问
• 指令执行按顺序的
• 指令由操作码和地址码组成
• 指令和数据都以二进制表示使用二进制运算

对冯诺依曼的改进

• 输入输出改进降低CPU负担，使用 程序控制，DMA，I/O处理机
• 采用并行处理技术
• 存储器改进：相联存储器，通用寄存器组，Cache
• 指令系统发展：复杂指令集，精简指令集（目前常用）

软件对系统结构的影响

实现可移植性的方法：

1. 统一高级语言
2. ==系列机==，比如Intel酷睿系列，系统结构相同。因此分为向上，向下，向前和向后兼容，重点是向后兼容
   
3. 模拟和仿真
   模拟：虚拟机（通常用==解释==的方法实现）
   
   仿真：使用主机的微程序解释目标机的微程序，==速度快很多==但是需要系统结构差别不大的计算机。

器件发展对系统结构的影响：
1. 摩尔定律
2. 计算机分代主要以器件作为划分标准

应用发展对系统结构的影响：
应用需求是促使计算机系统结构发展的最根本的动力

计算机系统结构中并行性的发展

并行性：

同时性：同一个时刻
并发性：同一个时间间隔

提高并行性的方法

1. 时间重叠：流水线技术
2. 资源重复：空间取胜，比如磁盘整列
3. 资源共享：软件方法，比如操作系统时间片

单机系统并行性的发展

重点是==时间重叠==，指令流水线技术。
在单处理机中资源共享是模拟多处理机的功能，例如分时系统。

多机系统并行性的发展

耦合性：描述各机之间物理连接紧密程度和交互作用力的强弱。

功能专用化（时间重叠）
机间互联：容错系统