【计算机组成原理】计算机系统结构笔记（1）：基本概念

本篇是郑纬民，汤志忠. 计算机系统结构[M]. 北京：清华大学出版社（1998）的读书笔记，欢迎各位路过指正！
编写借鉴了相关课程的课件。

1. 基本概念

**虚拟计算机：从不同角度所看到的计算机系统的属性是不同的。**计算机系统可分为7个层次。第3级至第6级由软件实现，称为虚拟机。第0级和第1级属于计算机组成原理，第2级属于计算机系统结构，第3至第5级属于系统软件，第6级属于应用软件。

计算机系统的评价标准：时钟频率（只表示CPU的指令处理能力）。
指令执行速度：MIPS = IPC · Fz。提高IPC：依靠先进系统结构。提高Fz：缩短门电路延迟，依靠技术进步。
等效指令速度：加减法50％，乘法15％，除法5％，程序控制15％，其他15％。静态指令使用频度：在程序中直接统计。动态指令使用频度：在程序执行过程中统计。
核心程序法：把应用程序中使用最频繁的那部分程序作为评价计算机性能的标准程序称为基准测试程序。整数测试程序：Dhrystone。1VAX MIPS＝1757 Dhrystones／Second。浮点测试程序：Linpack。用 MFLOPS表示。通常使用SPEC基准程序 。
峰值速度：峰值指令速度：MIPS、GIPS、TIPS，浮点峰值速度：MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS。

改进性能考虑的软硬件取舍。基本方法：加快经常性事件的执行速度。
Amdahl定律：系统中某一部件由于采用更快的执行方式后，整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。 $F_e$ 表示可改进部分所占的百分比。 $S_e$ 表示改进后，可改进部分的加速比
$S_n = \frac{T_0}{T_n} = \frac{1}{（1-F_e）+\frac{F_e}{S_e}}$
改进性能的主要途径：面向目标代码改进（用一条指令代替一串指令），面向高级语言和编译程序改进（增强对高级语言和编译程序支持的指令功能），面向操作系统改进。
软件兼容性设计方法：兼容种类：向后兼容，向前兼容，向上兼容，向下兼容。 向后兼容必须做到，向上兼容尽量做到。向前兼容和向下兼容，可以不考虑。
系列机方法：限制了计算机系统结构的发展。
模拟与仿真：在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。（全部用软件实现的叫模拟，用软件、硬件、固件混合实现的叫仿真）。
统一高级语言：采用同一种不依赖于任何具体机器的高级语言编写系统软件和应用软件。
目标代码的并行编译技术：一种机器的目标代码重新编译到另一种机器的并行目标代码（动态代码转换、静态重编译）。

按处理机个数和种类划分：单处理机、并行处理机、多处理机、分布处理机、关联处理机。
按所使用的器件划分：目前的绝大部分计算机系统是VLSI计算机。
佛林分类法（Flynn，1966）：按照指令流和数据流的多倍性特征进行分类：单指令流单数据流 SISD，单指令流多数据流 SIMD（多个PU按一定方式互连，在同一个CU控制下，对各自的数据完成同一条指令规定的操作），多指令流单数据流 MISD，多指令流多数据流 MIMS。
库克分类法（Kuck，1978）：按控制流和执行流分类。单指令流单执行流SISE，单指令流多执行流SIME，多指令流单执行流MISE，多指令流多执行流MIME。
冯泽云分类法（冯泽云，1972）：用最大并行度对计算机系统进行分类。同时处理的字宽为n，位宽为m。表示方法：处理机名（m，n）。字串位串WSBS，字并位串WPBS，字串位并WSBP，字并位并WPBP。
汉德勒分类法（Handler，1977），也就是ESC分类法。根据并行度和流水线分类。程序级k：程序控制部件（PCU）的个数。操作级d：算术逻辑部件（ALU）或处理部件（PU）的个数。逻辑级w：每个算术逻辑部件包含的逻辑线（ELC）的套数。表示方法：t（系统型号）＝（k，d，w）。为了表示流水线，采用：t（系统型号）＝（k×k’，d×d’，w×w’）