计算机系统结构课程总结(导论)

冯诺依曼机特点

早期：存储程序、运算器为中心、集中控制。
现代：存储程序、存储器为中心，总线结构、分散控制。

器件发展

电子管->晶体管->小规模集成电路(SSI)->大规模集成电路(LSI)->超大规模集成电路(VLSI)。

器件划分

(1)非用户片：功能由制造厂商生产时确定。如逻辑类的门、触发器、寄存器、计数器、加法器；存储类的ROM。
(2)现场片：用户可在机器组装现场设定内容。如PROM、EPROM、FPLA。
(2.5)半用户片：用户可根据自己需求烧结成用户片，如PAL、GAL。
(3)用户片：完全按用户要求定制。

以上从上到下，生产性价比变大、设计成本变高。

提高机器速度的两大因素

(1)提高主频，(2)改进系统结构。主要是(2)的效应好。

计算机应用

数据处理、信息处理、知识处理、智能处理。

计算机系统功能模型层级

(0)硬联逻辑
(1)微程序控制(微指令由硬件直接执行)
(2)机器指令系统
(3)操作系统
(4)汇编程序
(5)高级语言编译或解释程序
(6)应用程序
(7)应用系统算法和数学模型

透明性

A对B透明，即B感觉不到A的存在。

不妨分个级，越往底层不透明的东西越多。画张图记录一下规则：
这里写图片描述
表格中绿色位置的事物，对蓝色位置的人员都不透明，对橙色位置的人员都透明。下面是具体表格：

人员类别	从该类人员,包括该人员及以下就已经不透明的东西
应用程序员	-
高级语言程序员	-
汇编语言程序员	数据表示、运算指令、通用寄存器、条件码、中断字
机器语言程序员
系统程序员	存储器容量、总线宽度、微程序、虚存
硬件设计和高级维修人员	主存地址寄存器、指令缓冲寄存器、cache、数据通路

计算机系统结构定义

对机器语言计算机的软、硬件功能分配和对界面的定义。

由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。

机器工作状态
信息保护
数据

计算机组成

计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现。

确定数据通路的宽度
确定各种操作对功能部件的共享程度
确定专用的功能部件
确定功能部件的并行度
设计缓冲和排队策略
设计控制机构
确定采用何种可靠性技术

计算机实现

计算机实现：计算机系统结构的物理实现。

处理机、主存储器等部件的物理结构
芯片的集成度和速度
专用芯片的设计
器件、模块、插件、底板的划分与连接
信号传输技术
电源、冷却及装配技术，制造工艺及技术等

系列机

具有相同的系统结构，但组成和实现技术不同的一系列计算机。

软件的”上下”兼容和”前后”兼容

向上兼容(尽量)：低档机器的机器语言级程序不加修饰运行在高档机器。
向下兼容：高档机器的机器语言级程序不加修饰运行在低档机器。
向后兼容(必须)：系列机内，旧上市的机器的机器语言级程序不加修饰运行在新上市的机器。
向前兼容：系列机内，新上市的机器的机器语言级程序不加修饰运行在旧上市的机器。

模拟和仿真

模拟：用机器语言程序(2层级)解释实现程序移植的方法。A上模拟B，则A为宿主机，B称虚拟机。
仿真：用微程序(1层级)去解释另一机器指令实现程序移植的方法。A上仿真B，则A为宿主机，B称目标机。

模拟慢但通用。适合运行时间短，使用次数少的程序。
仿真快但限制多。适合系统结构差距小，不需I/O和存储系统的机器间。

实现程序移植的主要途径

统一高级语言
模拟
仿真
系列机

软硬件取舍的价格因素

硬件单机上价格：

\frac{硬 件 研 制 费 D_{H}}{生 产 总 数 V} + 每 次 生 产 费 M_{H}

$\dfrac{硬件研制费D_{H}}{生产总数V}+每次生产费M_{H}$
软件单机上价格：

\frac{重 新 设 计 次 数 C \times 软 件 研 制 费 D_{S}}{生 产 总 数 V} + 单 机 上 出 现 次 数 R \times 每 次 生 产 费 M_{H}

$\dfrac{重新设计次数C \times软件研制费D_{S}}{生产总数V}+单机上出现次数R\times每次生产费M_{H}$

计算机系统设计的定量原则

加快经常性事件的速度，即加速使用频率较高的事件的速度。

Amdahl定律

系统中某部件速度加快后，整个系统性能的提高与其使用频率和占总执行事件的比例有关。我认为Amdahl定律非常片面，但是用在考察程序的执行速度上却非常合适。

一些需要知道的量：

(全 局) 加 速 比 S_{n} = \frac{原 来 的 总 执 行 时 间}{改 进 后 的 总 执 行 时 间} \geq 1

$(全局)加速比S_{n}=\dfrac{原来的总执行时间}{改进后的总执行时间}\geq1$

可 改 进 比 例 F_{e} = 改 进 前 \frac{可 改 进 部 分 占 用 时 间}{整 个 任 务 执 行 时 间} < 1

$可改进比例F_{e}=改进前\dfrac{可改进部分占用时间}{整个任务执行时间}<1$

局 部 加 速 比 S_{e} = 要 改 进 部 分 \frac{改 进 前 的 执 行 时 间}{改 进 后 的 执 行 时 间} > 1

$局部加速比S_{e}=要改进部分\dfrac{改进前的执行时间}{改进后的执行时间}>1$
改进后整个任务执行时间

T_{n} =

$T_{n}=$ ：

改 进 前 整 个 任 务 执 行 时 间 T_{o} \cdot [不 能 改 进 部 分 比 例 (1 - F_{e}) + \frac{能 改 进 部 分 比 例 F_{e}}{局 部 加 速 比 S_{e}}]

$改进前整个任务执行时间T_{o}\cdot\left[不能改进部分比例(1-F_{e})+\dfrac{能改进部分比例F_{e}}{局部加速比S_{e}}\right]$
改进前后整个系统的加速比

S_{n} =

$S_{n}=$ ：

\frac{改 进 前 总 时 间 T_{o}}{改 进 后 总 时 间 T_{n}} = \frac{1}{(1 - F_{e}) + \frac{F_{e}}{S_{e}}}

$\dfrac{改进前总时间T_o}{改进后总时间T_n}=\dfrac{1}{(1-F_e)+\dfrac{F_e}{S_e}}$

CPU性能公式

指 令 平 均 时 钟 周 期 数 C P I = \frac{C P U 时 钟 周 期 数}{程 序 的 指 令 条 数 I_{c}}

$指令平均时钟周期数CPI=\frac{CPU时钟周期数}{程序的指令条数I_c}$
若多种CPU指令的CPI各自是

C P I_{i}

$CPI_i$ ，相应的指令条数各自是

I_{i}

$I_i$ ，则CPU时间=：

C P U 时 钟 周 期 数 \times 时 钟 周 期 T = \sum_{i = 1}^{n} (C P I_{i} \cdot I_{i}) \cdot T

$CPU时钟周期数\times时钟周期T= \begin{equation*} \sum_{i=1}^n(CPI_i\cdot I_i)\cdot T \end{equation*}$
反过来，用指令的比例为

C P I_{i}

$CPI_i$ 加权可以计算平均时钟周期数：

C P I = \sum_{i = 1}^{n} (C P I_{i} \cdot \frac{I_{i}}{I_{C}})

$CPI= \begin{equation*} \sum_{i=1}^n(CPI_i\cdot \dfrac{I_i}{I_C}) \end{equation*}$

指令执行速度

引入每条指令所需的平均时钟周期数CPI的倒数——每个时钟周期平均能执行的指令数IPC。

则可以用 $*IPS$ 如 $MIPS$ 、 $GIPS$ 、 $TIPS$ 表达指令执行速度，即每秒能执行的指令数，第一位数字仅仅代表单位，显然：

I P S = 处 理 机 的 工 作 频 率 f \cdot 每 个 时 钟 周 期 平 均 能 执 行 的 指 令 数 I P C

$IPS=处理机的工作频率f \cdot 每个时钟周期平均能执行的指令数IPC$

计算机系统的设计基准点

自上而下：适合专用计算机的设计。
这里写图片描述
自下而上：完全是早期计算机的设计。

从中间向上下(目前比较好的方法)：

Flynn分类法(计算机系统结构分类)

指令流：机器执行的指令序列。
数据流：由指令调用的数据序列。
多倍性：在系统受限的部件上，同时处于统一执行阶段的指令或数据的最大个数。

(1)单指令流单数据流(SISD)：指令部件一次只对一条指令进行译码，并且只对一个执行部件分配数据。
SISD如IBM360。

(2)单指令流多数据流(SIMD)：所有处理单元PU接受从控制部件CU传来的同一条指令，但操作对象却是不同数据流的数据组。
SIMD如并行处理机(阵列处理机)、相联处理机。

(3)多指令流单数据流(MISD)：每个PU接收不同的指令，往往来自不同CU，操作的却是同一个数据流及其派生数据流，每个处理器的输出结果是下一处理器的输入。目前没有实际机器是MISD的。

(4)多指令流多数据流(MIMD)：n个处理机之间相互作用，所有数据流均来源于由全体处理机共享的一个数据空间(紧密耦合)，也可以来源于共享存储器的不相邻子空间(松散耦合，或称MSISD)。
紧密耦合MIMD如IBM3081/3084，松散耦合MIMD如D-825，Cmmp，CRAY-2。

最大并行度

最大并行度：计算机系统在单位时间内理应能处理的最大的二进制位数。

最 大 并 行 度 P_{m} = 同 时 处 理 时 一 个 字 中 的 二 进 制 位 数 n \times 同 时 处 理 的 字 数 m

$最大并行度P_m=同时处理时一个字中的二进制位数n \times 同时处理的字数m$

平均并行度

平均并行度：对多个时钟周期内能处理的二进制位数 $P_i$ 的观测。

平 均 并 行 度 P_{a} = \frac{\sum_{i = 1}^{T} P_{i}}{T}

$平均并行度P_a=\frac { \begin{equation*} \sum\limits_{i=1}^TP_i \end{equation*} } {T}$

平均利用率

平均利用率：因为 $P_m$ 是理论上的， $P_a$ 是测出来的，这个值实际上就是反映了现实于理论的比例。

平 均 利 用 率 μ = \frac{P_{a}}{P_{m}}

$平均利用率\mu=\frac{P_a}{P_m}$