第一三章

分层

• 翻译：用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上的等效程序，然后再在这低一级机器上运行。速度快、占用空间大。
• 解释：对于高一级机器上程序中的每一条语句或指令，转换为低级语言的一段等效程序执行，执行完后再去高一级机器取下一条语句或指令。速度慢、占用空间小。

定义

计算机系统结构的定义：

• 计算机系统结构是指传统机器程序员所看到的计算机属性，即==概念性结构、功能特性。==
• 计算机系统结构的实质：确定计算机系统中软硬件的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。
• 透明性：一种本来存在的事物或属性，从某种角度看好像不存在或看不到。低层机器的属性对高层机器程序员来说通常是透明的。
• 广义系统结构定义：包括指令系统结构、组成、硬件。

指令集

ARM：RISC（精简指令集） X86：CISC（复杂指令集）

Flynn分类法

按照指令流和数据流的多倍性

冯氏分类法

（字，位） x （串，并）

Handler分类法

三元组：控制器（乘流水部件数）、ALU/PE（乘流水部件）、字长（乘流水部件）

系统结构的发展

• 冯诺依曼结构：输入设备、输出设备、控制器、运算器、存储器。指令与数据同等对待（一条总线）。
• 冯诺伊曼以==运算器==为中心，核心思想是==存储器==
• 哈佛结构：冯诺依曼基础上，指令与数据分离。现代计算机都是哈佛结构。

系统结构设计

• 方向（中间：传统机器级 - 操作系统级）
• 兼容性
• 模拟（实现==虚拟机的指令集==）
• 仿真（用宿主机的==微程序去解释实现另一台机器的指令集==）
• 并行性从低到高：
  • 指令内部
  • 指令见
  • 线程间
  • 任务/过程级（子程序/进程为调度单元）
  • 作业/程序级
• 提高并行性的途径：
  • 时间重叠：==轮流使用==同一套硬件的==各个部分==。
  • 资源重复：重复设置硬件资源。
  • 资源共享：按顺序轮流使用==同一套硬件==设备。

原理和公式

局部性原理：

• 时间、空间相对地簇集

Amdahl定律

![[Pasted image 20260413161910.png]] 扩展Amdahl：分母为单个部件提升之和，分子不变

CPU性能公式

• CPU时间：时钟周期数 * 时钟周期时间==（越小越好，衡量CPU性能）==
• CPI越小性能越高
• MIPS = 主频（每秒时钟周期数）/ CPI（每条指令时钟周期数） ==（百万单位）==
• 程序执行时间 = 指令数 / 主频 ==（MHz -> 单位毫秒）==