【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。

层次	内容
第6级	应用程序
第5级	高级语言
第4级	汇编语言
第3级	操作系统
第2级	机器语言
第1级	微程序
第0级	硬联逻辑

• 透明性：本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在。
• 系列计算机：相同系统结构,不同组成和实现的一系列计算机系统。
• 计算机系统结构（Amdahl，1964）：程序员所看到的计算机系统的属性, 即概念性结构和功能特性。
• 功能特性：数据表示、寻址技术、寄存器组织、指令系统、中断系统、存储系统、处理机工作状态、输入输出系统、信息保护。

1.1 计算机系统的评价标准

• 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。

1.2 计算机存储系统

层次	内容
第1级	Register Files（寄存器堆）
第2级	Lookahead（先行缓冲站）
第3级	Cache（高速缓冲存储器）
第4级	Main Memory（主存储器）
第5级	Online Storage（联机存储器）
第6级	Off-line Storage（脱机存储器）

• 第1~3层在CPU芯片内部，第4层在主板上，第5层在机箱内（硬盘），第6层依靠手工加载。
• 寻址空间：程序员可以使用的存储器容量。Pentium处理机的寻址空间为4GB，与实际配置的存储器容量无关。
• 存储容量：实际物理存储器的大小，通常用KB、MB、GB等表示。
• 主存储器的种类：SDRAM、RDRAM、DDR。
• 价格标准：摩尔定理：速度每10年左右提高100倍，但价格基本维持不变。硬件在整个计算机系统价格中所占的比例在下降，软件所占的比例在上升。
• 软硬件的关系：硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少；软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多。

1.3 计算机性能改进

• 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）。

1.4 计算机系统的发展

• 冯·诺依曼结构（Van Nenmann，1946）：
  

• 特点: 存储程序、运算器为中心、集中控制。现代处理机对冯·诺依曼结构的改进：存储器为中心，总线结构，分散控制。
  

• 三总线结构：
  

• 非冯计算机的发展：非指令驱动。

• 器件发展的特点：集成度迅速提高、提高速度空间不大、价格直线下降、可靠性越来越高。

• 器件种类：通用片（逻辑关系确定）、 现场片：可以一次或多次改写逻辑关系、用户片：各种专用芯片、半用户片：门阵列片等。在多个层次上，算法影响着系统结构。

1.5 处理机性能分类

• 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’）