02 CPU性能公式、局部性原理、提高并行性的技术途径、计算机系统结构的发展

目录

CPU性能公式

CPU时间：CPU工作的时间，不含IO处理，等待时间

处理器性能优化的策略

局部性原理

局部性的两种类型

最能体现局部性的是存储部分

计算机系统结构的总原则：

提高并行性的技术途径

从处理数据的角来看，并行性等级从低到高依次为：

提高并行性的三个方法：

单处理机

多处理机

计算机系统结构的发展

冯诺依曼结构的主要特点

冯诺依曼结构的改进：

计算机系统评价

性能

成本

能耗

可靠性

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1. CPU性能公式

   1. CPU时间：CPU工作的时间，不含IO处理，等待时间

      1. 时钟周期时间：
         1. 越短越好
      2. 程序的时钟周期数：程序运行所需要的时钟周期数
         1. 程序的时钟周期数很难得到
      3. CPI：平均指令周期数
         1. 总周期数/总指令数
         2. 比较性能时，只需要比较改进前后的CPI即可

   2. 处理器性能优化的策略

      1. 影响CPU性能的三个方面：
         1. 时钟频率
            1. 加快时钟频率
         2. CPI
            1. 使用精简的指令集：RISC
         3. 指令的条数
            1. 减少指令条数：
               1. 使用复杂的指令集：CISC
               2. 使用更好的编译器，优化减少指令条数

2. 局部性原理

   1. 局部性的两种类型

      1. 时间局部性
         1. 如果一个信息项正在被访问，那么近期他有可能会被再次访问
      2. 空间局部性
         1. 程序上即将用到的信息有可能和目前正在使用的信息在空间上相邻或邻近

   2. 最能体现局部性的是存储部分

      1. cache

   3. 计算机系统结构的总原则：

      1. Amdahl定律

3. 提高并行性的技术途径

   1. 从处理数据的角来看，并行性等级从低到高依次为：

      1. 字串位串
         1. 一次处理一个字的一位
      2. 字串位并
         1. 一次处理一个字的多个位
      3. 字并位串
         1. 一次处理多个字的同一位
      4. 字并位并
         1. 一次处理多个字的多个位

   2. 提高并行性的三个方法：

      1. 时间重叠
         1. 对硬件细分为多个部分
      2. 资源重复
         1. 加入多个重复部件
      3. 资源共享

   3. 单处理机

      1. 提高单处理机性能的主要方法是：时间重叠
         1. 实现时间重叠的基础：部件功能专门化

   4. 多处理机

      1. 同构型多处理机
         1. 资源重复
      2. 异构型多处理机
         1. 时间重叠
      3. 分布式系统
         1. 资源共享

4. 计算机系统结构的发展

   1. 冯诺依曼结构的主要特点

      1. 以运算器为核心
      2. 在存储器中，指令和数据同等对待
      3. 按地址访问，统一编制，每个单元的位数是一样的
      4. 指令的执行是顺序的

   2. 冯诺依曼结构的改进：

      1. 输入输出方式的改进
         1. 程序控制
            1. 程序等待
            2. 程序中断
         2. DMA直接存储器访问
            1. 减少CPU对IO设备的干预
         3. IO处理机
      2. 存储器组织结构的发展
      3. 指令系统的发展

5. 计算机系统评价

   1. 性能

      1. 响应时间
      2. 吞吐率
      3. MIPS：
         1. MIPS=(指令条数)/(执行时间x1000000)

   2. 成本

      1. 部件成本
      2. 直接成本
      3. 毛利润
      4. 平均折扣

   3. 能耗

   4. 可靠性

      1. MTTF
         1. 平均故障时间
      2. MTTR
         1. 平均修复时间
      3.