计算机系统结构是计算机科学与工程领域的一个核心主题,它研究如何设计、构建和优化计算机系统的各个组成部分,以提高整体性能和效率。以下是对题目中涉及的知识点的详细解释:
1. **计算机系统层次结构**:
计算机系统层次结构从底层到高层通常包括微程序机器级、传统机器语言机器级、汇编语言机器级和高级语言机器级。微程序机器级是指硬件通过微指令控制;传统机器语言机器级直接操作硬件;汇编语言机器级是面向汇编语言程序员的抽象;而高级语言机器级则是针对高级编程语言如C、Java等。
2. **直接执行微指令**:
微指令是控制硬件执行操作的低级指令,它们由硬件直接执行,而不是由操作系统或编译器处理。
3. **透明性**:
在I/O方式中的DMA(直接存储器访问)对汇编语言程序员是透明的,意味着程序员无需关心I/O的具体实现细节,只需关注程序逻辑。
4. **机器属性**:
机器语言程序员看到的机器属性主要是编程要用到的硬件组织,如指令集、寄存器结构等,而不是软件功能或硬件实现。
5. **系统结构设计与性能**:
提高硬件功能实现的比例可以提高系统的运行速度,但可能会降低硬件的利用率和性能价格比;相反,提高软件功能实现的比例能提高系统的灵活性,但可能需要更大的存储器容量。
6. **高速缓存Cache的作用**:
Cache用于提高存储系统的性能,其工作速度一般比主存快,被访问命中率越高,加速效果越明显。计算加速比时,需要考虑Cache命中率和主存、Cache的访问时间。
7. **Amdahl定律**:
Amdahl定律描述了在系统中有多个可改进部分时,整体性能提升的上限。如果部件1和部件2改进后的加速比分别为S1和S2,且它们在系统中所占比例分别为F1和F2,则整体加速比S为S = (1 - F1 - F2) + F1 * S1 + F2 * S2。在案例中,如果所有部件改进后,系统加速比S1=30,S2=20,S3=10,可以计算出每个部件改进前的执行时间比例,以求得整体加速比。
8. **CPI(每条指令周期数)**:
CPI是衡量处理器性能的指标,表示执行一条指令所需的平均周期数。较高的CPI表示处理器效率较低。如果时钟频率提高,但存储器存取时间增加,CPI也会相应增加,从而影响MIPS(每秒百万指令数)的计算。
9. **处理器时钟频率与MIPS的关系**:
MIPS是衡量处理器执行指令速度的指标,与时钟频率有关。时钟频率越高,理论上MIPS值越大。但是,如果存储器访问时间增加,CPI提高,MIPS值会相应下降。
以上就是对计算机系统结构第一章练习题中涉及的知识点的详细解析,包括计算机层次结构、微指令执行、透明性、系统设计原则、Cache加速比、Amdahl定律以及CPI和MIPS的计算。这些知识点对于理解和优化计算机系统的性能至关重要。