《计算机系统结构》《计算机系统结构》.doc

计算机系统结构是计算机科学中的核心领域，主要关注计算机硬件、软件以及它们之间的交互方式。它定义了计算机系统中不同层次的接口，使软件开发者能够独立于底层物理实现编写程序。本章主要涵盖了计算机系统结构的基础知识，包括概念、分类、设计准则以及 Flynn 分类法。 1. 计算机系统结构的含义和分类： - 虚拟机：传统机器级以上的所有机器都是由软件实现的虚拟机，它们并不直接对应于实际的物理硬件。 - 固件：介于硬件和软件之间的固定不变的常用软件，通常固化在硬件中，具有硬件的稳定性和软件的灵活性。 - Flynn 分类法：根据指令流和数据流的多倍性，将计算机分为 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) 和 MIMD (多指令流多数据流) 四类。 2. 计算机系统结构的外特性和内特性： - 外特性定义了软件和硬件之间的界面，是系统程序员所关心的，如中断类型、通用寄存器数量、指令类型等。 - 内特性涉及计算机系统结构的逻辑实现，如 CPU 的内部逻辑设计。 - 微外特性则定义了硬件和固件之间的接口。 3. 计算机系统结构、组成与实现的关系： - 计算机系统结构主要关注软硬件功能分配和界面确定，是高级概念。 - 计算机组成是指系统结构的逻辑实现，涉及硬件组件的组合。 - 计算机实现是具体的物理设计，包括芯片选择、连接方式等，是硬件层面的细节。 4. Flynn 分类法的局限性： - Flynn 分类法未能充分考虑现代多核处理器的复杂性，例如共享内存、任务调度等因素。 - 更好的分类方法可能包括基于并行度、数据依赖性、计算模型等方面的分类。 5. 计算机系统设计准则： - 阿姆达尔定律指出，改进某个部件的速度提升效果受限于该部件在整个系统中所占比重。 - 局部性原则：程序访问具有时间和空间局部性，优化时应优先加速频繁访问的部分。 - 性能价格比是优化的重要指标，需要在成本和性能之间找到平衡。 6. 硬件优化策略： - 根据程序执行的热点优化硬件，比如将常用代码存储在高速缓存中以提高效率。 - 考虑到访问局部性，设计存储系统时，将热数据放置在更快的存储层级，冷数据则留在较慢的层级。 计算机系统结构是连接硬件和软件的桥梁，理解和掌握这一领域的知识对于设计高效、可靠的计算机系统至关重要。计算机系统结构、组成和实现的相互作用，以及针对性能优化的设计策略，共同决定了计算机系统的整体性能和适用性。