一、計算機系統結構的概念

1.1 計算機系統的層次結構

劃分為多級層次結構的優點： （1）便于理解計算機的整體工作概念及目前軟硬件的作用和地位； （2）便于認識語言的實質和實現方法； （3）便于搜索虛擬機的新的實現方法，設計新的計算機系統； （4）便于正確理解計算機系統結構的意義，更好地進行系統設計。

1.2 計算機系統結構

計算機系統結構是程序員所看到的計算機屬性，即概念性結構與功能特性。

1.3 計算機組成

計算機組成指的是計算機系統結構的邏輯實現，包含物理機器級中的數據流和控制流的組成以及邏輯設計等。 它著眼于物理級內各事件的排序方式與控制方式、各部件的功能以及各部件之間的聯系。

1.4 計算機實現

計算機實現指的是計算機組成的物理實現，包括處理機、主存等部件的物理結構，器件的集成度和速度，模塊、插 件、底板的劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機裝配等。它著眼于器件技術和微組裝技術，其中器件技術在 實現技術中起主導作用。

二、定量分析技術

2.1 以經常性事件為重點

對于大概率事件賦予優先處理權和資源使用權，以獲取全局最優的結果。

2.2 Amdahl定律

加快某部件執行速度所能獲得的系統性能加速比，受限于該部件的執行時間占系統中總執行時間的百分比。

可改進比例：可改進部分的執行時間在總的執行時間中所占的比例。 部件加速比：改進前所需的執行時間與改進后執行時間的比。

部件改進前，系統的總執行時間等于不可改進部分的執行時間加上可改進部分改進后的總執行時間

系統加速比為改進前與改進后總執行時間之比

2.3 CPU性能公式

執行一個程序所需時間的CPU時間：

CPU時間 = 執行程序所需的時鐘周期數 * 時鐘周期時間 （時鐘周期是系統時鐘頻率的倒數）

CPI：每條指令的平均時鐘周期數

CPI = 執行程序所需的時鐘周期數 / 所執行的指令條數

則CPU性能公式

CPU時間 = IC * CPI * 時鐘周期時間 （IC是所執行的指令條數）

所以CPU的性能取決于三個參數

（1）時鐘周期時間：取決于硬件實現技術和計算機組成 （2）CPI：取決于計算機組成和指令集結構 （3）IC：取決于指令集結構和編譯技術

CPU時鐘周期總數

CPU時鐘周期數 = Σ （CPIi * ICi） (CPIi為執行第i鐘指令所需的平均時鐘周期，ICi為程序執行的過程中第i種指令出現的次數)

CPU性能公式

CPU時間 = CPU時鐘周期數 * 時鐘周期時間

則

三、計算機系統結構中的并行性

3.1 并行性的概念

并行性是指計算機系統在同一時刻或同一時間間隔內進行多種運算或操作，只要時間上相互重疊，就存在并行性。

并行性包含同時性與并發性

同時性：兩個或兩個以上的事件在同一時刻發生。 并發性：兩個或兩個以上的事件在同一時間間隔內發生。

3.2 提高并行性的技術途徑

（1）時間重疊：在并行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流、重疊地使用同一套硬件設備的各個部 分，以加快硬件周轉而贏得速度。 （2）資源重復：在并行性概念中引入空間因素，以數量取勝。通過重復設置硬件資源，大幅度地提高就計算機系統的性能。 （3）資源共享：這是一種軟件方法，它使多個任務按一定時間順序輪流使用同一套硬件設備。多道程序、分時系統就是遵循這一 途徑而產生的。資源共享既降低了成本，又提高了計算機設備的利用率。

總結

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