体系结构概念整理

计算机体系结构就是指适当地组织在一起的一系列系统元素的集合，这些系统元素互相配合、相互协作，通过对信息的处理而完成预先定义的目标。通常包含的系统元素有：计算机软件、计算机硬件、人员、数据库、文档和过程。 ### 体系结构概念整理 #### 计算机体系结构概览 计算机体系结构是指一系列系统元素的合理组织，这些元素协同工作，通过处理信息来达成预定的目标。这些系统元素包括但不限于计算机软件、硬件、人员、数据库、文档以及过程。整体上，计算机体系结构关注的是这些元素如何共同工作以构建一个高效且可靠的系统。 #### 基本概念 - **虚拟机**：通过软件手段实现的一种机器模型。它可以模仿其他类型的计算机或操作系统环境，提供一个与实际物理硬件隔离的操作环境。 - **翻译**：涉及将一个较高层级的程序转换成较低层级等效程序的过程。这一过程通常涉及到编译或解释等技术。 - **解释**：逐条执行较高层级程序中的指令或语句，并立即执行等效的低层级代码，直至整个程序执行完毕。 #### 系统结构与组成 - **系统结构**：指的是程序员从概念层面所看到的计算机属性，包括其逻辑结构与功能特性。 - **透明性**：指在某些层次上，某些特定的功能或属性虽然客观存在，但对于用户来说仿佛不存在的现象。例如，缓存机制对应用程序员来说是透明的。 - **计算机组成**：计算机系统结构的具体逻辑实现，涵盖了数据流和控制流的设计细节。 - **计算机实现**：物理层面实现计算机组成的具体技术方案，包括硬件组件的选择与集成。 - **加速比**：衡量改进系统某部分后总体性能提升的比例。 - **Amdahl定律**：指出即使优化了系统的一部分，其对整体性能的提升也受限于这部分在总执行时间中的占比。 #### 性能与效率 - **局部性原理**：程序在执行过程中倾向于访问相对集中的一组内存地址，这包括时间局部性和空间局部性。 - **CPI**：平均每条指令执行所需的时钟周期数，是衡量处理器性能的关键指标之一。 - **系列机**：一系列具有相同系统结构但组成与实现不同的计算机产品线，由同一个制造商生产。 - **兼容性**：指不同代际或不同品牌的产品能够运行相同的程序而不需修改的能力，包括向上/向下兼容以及向前/向后兼容。 #### 兼容性与模拟 - **兼容机**：不同制造商生产但拥有相同系统结构的计算机。 - **模拟**：通过软件手段使一台现有计算机能够执行另一台计算机的指令集。 - **仿真**：通过微程序等技术让一台现有计算机能够解释并执行另一台计算机的指令集。 #### 并行性 - **并行性**：指系统在同一时刻或同一时间段内执行多项操作的能力。并行性的实现策略包括时间重叠、资源重复和资源共享。 - **时间重叠**：通过在时间上交错多个处理过程来充分利用硬件资源，从而提升性能。 - **资源重复**：通过增加硬件资源的数量来提高系统的性能。 - **资源共享**：允许多个任务按一定的顺序轮流使用相同的硬件资源，以提高资源利用率。 - **耦合度**：描述多机系统中各计算机之间物理连接的紧密程度及其交互能力。 - **松散耦合**：通过较低带宽的连接（如网络或通道）连接的多机系统，通常用于共享外部存储资源。 - **紧密耦合**：通过高速总线或开关连接的多机系统，支持共享主存资源。 #### 计算机系统的层次结构 计算机系统的层次结构按照语言的不同等级自底向上排列，从微程序机器级到应用语言机器级等。每一层都使用不同的语言特性，反映了不同级别的抽象。 #### 指令集结构 - **CISC**（复杂指令集计算机）：采用大量复杂指令的指令集架构，旨在减少编程工作量。 - **RISC**（精简指令集计算机）：采用较少而简单的指令，通过提高指令执行频率来提升性能。 - **寻址方式**：指指令系统中如何定位操作数所在位置的方式。 - **数据表示**：硬件结构能够直接处理的数据结构。 - **指令集设计要求**：指令集应该满足完整性、规整性、高效性和兼容性的要求，以确保其适用性和效率。 计算机体系结构是计算机科学的重要组成部分，它不仅关乎计算机内部如何工作，还涉及到如何通过合理的体系结构设计来提升计算机系统的性能、可靠性和易用性。理解这些基本概念和技术是构建高效计算机系统的基础。