下载文档原格式
第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构: 按照计算机语言从低级到高级的次序, 把计算机系统按功能划分成多级层次结构, 每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为: 微程序机器级, 传统机器语言机器级, 汇编语言机器级, 高级语言机器级, 应用语言机器级等。
虚拟机: 用软件实现的机器。
翻译: 先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序, 然后再在这低一级机器上运行, 实现程序的功能。
解释: 对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令, 都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后, 再去高一级机器取下一条语句或指令, 再进行解释执行, 如此反复, 直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构: 传统机器程序员所看到的计算机属性, 即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中, 把这种本来存在的事物或属性, 但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成: 计算机系统结构的逻辑实现, 包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现: 计算机组成的物理实现, 包括处理机、主存等部件的物理结构, 器件的集成度和速度, 模块、插件、底板的划分与连接, 信号传输, 电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比: 对系统中某部分进行改进时, 改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律: 当对一个系统中的某个部件进行改进后, 所能获得的整个系统性能的提高, 受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理: 程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的, 而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI: 每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件: 由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序, 用来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机: 冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中, 机器一旦启动, 就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序, 自动完成由程序所描述的处理工作。
简述计算机系统的结构
计算机系统的结构可以分为以下几个层次：
1. 硬件层：计算机系统的物理设备，包括处理器、内存、硬盘、输入设备和输出设备等。
2. 操作系统层：管理计算机硬件资源的软件，提供文件管理、进程管理、设备管理等基本功能。
3. 应用软件层：运行在操作系统之上的软件，包括办公软件、游戏、浏览器等。
4. 用户界面层：用户与计算机系统交互的接口，包括命令行界面、图形用户界面等。
5. 网络通信层：支持计算机系统之间的通信和数据交换，包括网络协议、通信接口等。
这些层次之间相互协作，共同构成了一个完整的计算机系统。
其中，硬件层是计算机系统的基础，操作系统层是计算机系统的核心，应用软件层是计算机系统
的功能体现，用户界面层是计算机系统与用户之间的桥梁，网络通信层则是计算机系统与外部世界之间的联系纽带。
计算机体系结构基本概念计算机体系结构是指计算机系统中的各个组成部分之间的关系和交互方式。
它是计算机硬件与软件之间的接口，决定了计算机系统的工作方式、性能表现以及可扩展性。
本文将介绍计算机体系结构的基本概念和相关内容。
一、计算机体系结构的概述计算机体系结构是指计算机系统的结构组织，包括硬件和软件。
主要由计算机硬件、指令系统、运算方式和数据流组成。
计算机体系结构的目标是提供高性能、可靠性、可扩展性和高效能的计算机系统。
计算机体系结构的设计通常以指令集架构和微架构为基础。
二、指令集架构指令集架构是计算机体系结构中的一个重要概念。
它定义了计算机系统处理信息的方式。
指令集架构包括计算机的指令集、寄存器、数据类型和地址模式等。
根据指令集的不同，可以将计算机体系结构分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。
三、微架构微架构是指计算机体系结构的实现方式。
它包括处理器的内部结构、数据通路、控制流和存储相关的电路设计。
微架构的设计影响着计算机系统的性能和功能。
常见的微架构包括超标量、乱序执行和流水线等。
四、存储结构与存储器层级存储结构是指计算机系统中用于存储数据的层次结构。
存储器层级分为寄存器、高速缓存、内存和辅助存储器等。
不同层级的存储器具有不同的特点，如容量、速度和价格等。
存储结构的设计旨在提高计算机系统的访问速度和运行效率。
五、总线结构总线结构是计算机体系结构中连接各个组件的通信系统。
它包括地址总线、数据总线和控制总线等。
总线结构的设计影响着计算机系统的数据传输速度和可扩展性。
六、并行处理与多核技术并行处理是指多个处理器或计算单元同时执行指令，提高计算机系统的运行速度和性能。
多核技术则是将多个处理核心集成到同一个芯片上，实现并行运算。
并行处理和多核技术在高性能计算、科学计算和图像处理等领域得到广泛应用。
七、虚拟化技术虚拟化技术是指通过软件将计算机资源抽象为多个逻辑实体，实现多个操作系统和应用程序的隔离和共享。
计算机系统的多级层次结构计算机系统是由硬件和软件两部分组成的，硬件指的是计算机的物理部分，包括计算机主机、外围设备等；而软件指的是计算机内部的程序和指令，包括操作系统、应用软件等。
为了使计算机系统运行更加高效，计算机系统被设计成了多级层次结构。
第一层次：硬件层次。
这一层次是计算机系统最底层的结构，包括计算机主机、外围设备等。
计算机主机是计算机的核心，它包括中央处理器、内存、硬盘、显卡等，负责处理所有的数据和指令。
外围设备包括键盘、鼠标、打印机等，用来向计算机主机输入或输出数据。
第二层次：操作系统层次。
操作系统是计算机系统的核心软件，它控制着计算机的所有硬件和软件资源。
操作系统有多种类型，如Windows、Linux、Unix等，它们对用户和软件提供了接口，让用户和软件可以与计算机进行交互和操作。
第三层次：高级语言层次。
高级语言是计算机程序员用来编写程序和指令的语言，如Java、C++、Python等。
高级语言比机器语言和汇编语言更加容易理解和编写，程序员使用高级语言编写程序，然后将程序交给编译器转换成机器语言。
第四层次：应用程序层次。
这一层次包括各种各样的应用软件，如文字处理软件、图像处理软件、音视频播放软件等。
应用软件是用户可以直接使用的软件，用户可以利用它们完成各种各样的任务。
在多级层次结构中，每个层次都依赖于下一层次的结构，同时也提供接口供下一层次进行调用。
这样设计的目的是使计算机的各个部分能够协同工作，从而实现更加高效和稳定的计算机系统运行。
总之，计算机系统的多级层次结构是将各个部分有机地联系在一起，是计算机系统能够高效、稳定地运行的重要保障。
在计算机系统的发展过程中，多级层次结构不断完善和改进，带来了更加稳定、高效的计算机系统。
计算机系统结构自考笔记一、计算机系统结构概述。
1. 计算机系统的层次结构。
- 从底层到高层：硬件、操作系统、系统软件、应用软件。
- 各层次的功能及相互关系。
例如，硬件为软件提供运行平台，软件控制硬件资源的使用等。
2. 计算机系统结构的定义。
- 经典定义：程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
- 包括指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机制等方面的属性。
3. 计算机系统结构的分类。
- 按指令流和数据流的多倍性分类。
- 单指令流单数据流（SISD）：传统的单处理器计算机。
- 单指令流多数据流（SIMD）：如阵列处理机，适合进行数据并行处理。
- 多指令流单数据流（MISD）：较少见的结构。
- 多指令流多数据流（MIMD）：多处理器系统，如对称多处理机（SMP）。
- 按存储程序原理分类。
- 冯·诺依曼结构：程序和数据存储在同一存储器中，按地址访问。
- 哈佛结构：程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的地址空间。
二、数据表示与指令系统。
1. 数据表示。
- 数据类型。
- 数值型数据（整数、浮点数）：不同的表示格式，如定点数的原码、反码、补码表示；浮点数的IEEE 754标准表示。
- 非数值型数据（字符、字符串、逻辑数据等）。
- 数据的存储方式。
- 大端存储与小端存储：大端存储是高位字节存于低地址，小端存储是低位字节存于低地址。
2. 指令系统。
- 指令格式。
- 操作码：表示指令的操作类型，如加法、减法等操作。
- 地址码：指出操作数的地址或操作数本身。
有零地址、一地址、二地址、三地址等指令格式，每种格式的特点及适用场景。
- 指令类型。
- 数据传送指令：在寄存器、存储器等之间传送数据。
- 算术运算指令：加、减、乘、除等运算。
- 逻辑运算指令：与、或、非等逻辑操作。
- 控制转移指令：如无条件转移、条件转移、子程序调用与返回等，用于改变程序的执行顺序。
三、存储系统。
1. 存储器层次结构。
- 高速缓冲存储器（Cache） - 主存储器 - 辅助存储器的层次结构。
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。
Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。
所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。
计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。
可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式，指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。
计算机组成是计算机结构的逻辑实现。
可以包含数据通路宽度，专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。
计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。
包括处理机，主存部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、插件底板的划分和连接。
从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为7级：0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。
3～6级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。
硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。
首先是应用领域对应的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。
如运算速度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。
体系结构设计的方法有三种：由上而下－从考虑如何满足应用要求开始设计；由下而上－基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的方法。
体系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。
计算机体系结构的分类：（1）弗林FLYNN分类法：按指令流和数据流将计算机分为4类：①单指令流、单数据流－Single Instruction Stream Single Data Stream，SISD。
计算机，即传统的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机systolic array；②单指令流、多数据流－Multiple，SIMD。
典型代表是并行处理机。
其并行性在于指令一级。
如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等；③MISD计算机；④MIMD计算机。
计算机系统结构密训计算机系统结构是指计算机硬件和软件组件之间的关系和交互方式。
它涉及到计算机内部各个组成部分的功能、连接方式、层次结构等方面。
计算机系统结构主要包括以下几个方面：1.中央处理器（CPU）：CPU是计算机的核心部件，负责执行指令和处理数据。
它包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器等部分。
ALU用于执行算术和逻辑运算，CU负责控制指令的执行过程，寄存器用于暂存数据和指令。
2.存储器：存储器用于存储计算机的数据和指令。
主要包括内存（RAM）和外存（硬盘、光盘等）。
内存是计算机中实时存取数据和指令的地方，而外存用于长期存储数据和指令。
3.输入输出设备：输入输出设备用于与计算机进行交互。
常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等，输出设备有屏幕、打印机、音箱等。
输入设备将外界的信息输入到计算机中，输出设备将计算机处理后的数据和结果展示给用户。
4.总线：总线是连接计算机各个组件的通信线路。
它分为数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线负责传输数据，地址总线用于传输存储器地址，控制总线用于传输控制信号。
5.指令集架构：指令集架构是计算机硬件与软件之间的接口规范。
它决定了计算机能够执行的指令和支持的数据类型。
常见的指令集架构有精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）。
6.并行计算：并行计算是指多个处理器同时执行任务，以提高计算机系统的性能。
它可以通过并行算法和并行硬件来实现。
常见的并行计算模式有并行计算、向量计算和并发计算。
7.系统层次结构：系统层次结构描述了计算机系统的层次组织关系。
常见的系统层次结构有冯·诺依曼结构和哈佛结构。
冯·诺依曼结构将数据和指令存储在同一存储器中，哈佛结构则将其分开存储。
计算机系统结构是计算机科学中的重要概念，对于我们理解计算机工作原理、进行系统设计和优化都起着重要的作用。
通过合理设计计算机系统结构，可以提高计算机系统的性能、可靠性和可扩展性。
说明计算机系统的层次结构
计算机系统的层次结构是指计算机硬件和软件组成的层次化结构。
计算机系统的层次结构从低到高分为五层：物理层、数字逻辑层、微程序层、指令集体系结构层和操作系统层。
物理层是计算机系统的最底层，它包括了计算机硬件的各种组件，如CPU、内存、硬盘、显示器等。
数字逻辑层是物理层之上的一层，它包括了计算机中的各种数字逻辑电路，如门电路、寄存器、计数器等。
数字逻辑层的主要任务是对物理层的硬件进行控制和管理，以实现计算机指令的执行。
微程序层是数字逻辑层之上的一层，它是计算机指令执行的关键。
在微程序层中，指令被翻译成微指令，然后在控制单元中执行。
微程序层对于指令执行的速度和灵活性起着至关重要的作用。
指令集体系结构层是微程序层之上的一层，它是计算机指令集的抽象层次。
在这一层中，计算机指令的操作码、寄存器等被规定。
指令集体系结构层决定了计算机的指令集和寻址方式等重要特性。
操作系统层是计算机系统的最高层，它是计算机系统的管理者。
操作系统层包括了各种系统软件，如操作系统、驱动程序、应用软件等。
操作系统层负责管理计算机的各种资源，如内存、CPU、输入输出设备等，为用户提供方便的计算环境。
总之，计算机系统的层次结构是一个由低到高、层层递进的结构，每一层都承担着不同的任务和职责。
只有各个层次之间的紧密协作和相互配合，才能使计算机系统正常运行。
第一章1、计算机系统多级层次结构从高到低：（6级）应用程序计算机、高级语言、汇编语言、操作系统、机器语言、微机程序控制、（0级）硬联逻辑计算机。
第0级由硬件实现，第1级由微程序（固件）实现，2—6级机器由软件实现。
2、透明性现象：一种本来存在的有差异的事物或属性，从某种角度来看似乎不再存在。
3、计算机组成是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。
4、计算机系统结构是计算机系统的软、硬件的界面；系统结构、组成和实现所包含的具体内容第随不同机器而变化的，且三者之间的界限越来越模糊。
5、系统结构分类①按“流”分：SISD单指令流单数据流，SIMD单指令流多数据流，MISD多指令流单数据流，MIMD多指令流多数据流。
Flynn分类法：按指令流（机器执行的指令序列）和数据流（指令流调用的数据序列，include输入数据和中间结果）的多倍性（指在系统最受限制的原件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数）概念进行分类。
缺点：对于标量及向量流水计算机应属于哪一类系统，不是很明确。
②按“并行级”和“流水线”分类：程序控制部件PCU的个数是K，算术逻辑部件ALU/处理部件PE的个数是d，每个ALU包含基本逻辑线路ELC 的套数是w。
T系统型号=（k，d，w）。
③按“并行度”分类：WSBS字串位串，WPBS字并位串，WSBP字串位并，WPBP字并位并。
6、*Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高取决于这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例。
实际上定义了加快某部分功能处理后，整个系统所获得的性能改进或执行时间的加速比的大小。
加速比与两个因素有关：一是计算机执行某个人物的总时间中可被改进部分的时间所占的百分比，Fe=可改进部分占用的时间/改进前整个任务的执行时间，它总小于1；二是改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施前性能提高倍数，Se=改进前改进部分的执行时间/改进后改进部分的执行时间，它总大于1。
1.计算机系统结构的定义：计算机系统结构概念的实质是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。
2.计算机组成额计算机实现的二者关系：计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
它着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的关系。
计算机实现指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
它着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中起主导作用。
3.系列机的软件兼容方式4种：向上兼容、向下兼容、向前兼容、向后兼容。
向上（下）兼容指的是按某档计算机编制的程序，不加修改就能运行于比他高（低）档的计算机。
向后（前）兼容指的按某个时期投入市场的某种型号计算机编制的程序，不加修改就能运行于在它之后（前）投入市场的计算机。
向后兼容一定要保证，他是系列机的根本特征。
兼容机：它是指由不同制造商生产的具有相同系统结构的计算机。
4.计算机系统设计的4个常用定量原理：①以经常性事件为重点：这是计算机设计中最重要、使用最广泛的设计原则。
②Amdahl定律：加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。
Amdahl定律可用来计算当对计算机系统中的某个部分进行改进后，系统总体性能可获得多大的提高。
这是通过加速比这个指标来衡量的。
= =，这个加速比依赖于两个因素：在改进前的系统中，可改进部分的执行时间在总执行时间中的比例：可改进部分改进以后性能提高的倍数。
③CPU性能公式：CPU 时间=执行程序所需的时钟周期数X时钟周期时间，引入新参数CPI（每条指令执行的平均时钟周期数）CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC IC：所执行的指令条数。
程序执行的CPU 时间可以写成CPU时间= IC ×CPI ×时钟周期时间。
