一、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念

1.1 計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

劃分為多級層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)點： （1）便于理解計算機(jī)的整體工作概念及目前軟硬件的作用和地位； （2）便于認(rèn)識語言的實質(zhì)和實現(xiàn)方法； （3）便于搜索虛擬機(jī)的新的實現(xiàn)方法，設(shè)計新的計算機(jī)系統(tǒng)； （4）便于正確理解計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的意義，更好地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。

1.2 計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是程序員所看到的計算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。

1.3 計算機(jī)組成

計算機(jī)組成指的是計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包含物理機(jī)器級中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計等。 它著眼于物理級內(nèi)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(lián)系。

1.4 計算機(jī)實現(xiàn)

計算機(jī)實現(xiàn)指的是計算機(jī)組成的物理實現(xiàn)，包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，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(jī)裝配等。它著眼于器件技術(shù)和微組裝技術(shù)，其中器件技術(shù)在 實現(xiàn)技術(shù)中起主導(dǎo)作用。

二、定量分析技術(shù)

2.1 以經(jīng)常性事件為重點

對于大概率事件賦予優(yōu)先處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲取全局最優(yōu)的結(jié)果。

2.2 Amdahl定律

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

可改進(jìn)比例：可改進(jìn)部分的執(zhí)行時間在總的執(zhí)行時間中所占的比例。 部件加速比：改進(jìn)前所需的執(zhí)行時間與改進(jìn)后執(zhí)行時間的比。

部件改進(jìn)前，系統(tǒng)的總執(zhí)行時間等于不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時間加上可改進(jìn)部分改進(jìn)后的總執(zhí)行時間

系統(tǒng)加速比為改進(jìn)前與改進(jìn)后總執(zhí)行時間之比

2.3 CPU性能公式

執(zhí)行一個程序所需時間的CPU時間：

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

CPI：每條指令的平均時鐘周期數(shù)

CPI = 執(zhí)行程序所需的時鐘周期數(shù) / 所執(zhí)行的指令條數(shù)

則CPU性能公式

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

所以CPU的性能取決于三個參數(shù)

（1）時鐘周期時間：取決于硬件實現(xiàn)技術(shù)和計算機(jī)組成 （2）CPI：取決于計算機(jī)組成和指令集結(jié)構(gòu) （3）IC：取決于指令集結(jié)構(gòu)和編譯技術(shù)

CPU時鐘周期總數(shù)

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

CPU性能公式

CPU時間 = CPU時鐘周期數(shù) * 時鐘周期時間

則

三、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性

3.1 并行性的概念

并行性是指計算機(jī)系統(tǒng)在同一時刻或同一時間間隔內(nèi)進(jìn)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(fā)性

同時性：兩個或兩個以上的事件在同一時刻發(fā)生。 并發(fā)性：兩個或兩個以上的事件在同一時間間隔內(nèi)發(fā)生。

3.2 提高并行性的技術(shù)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(shè)備的各個部 分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。 （2）資源重復(fù)：在并行性概念中引入空間因素，以數(shù)量取勝。通過重復(fù)設(shè)置硬件資源，大幅度地提高就計算機(jī)系統(tǒng)的性能。 （3）資源共享：這是一種軟件方法，它使多個任務(wù)按一定時間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。多道程序、分時系統(tǒng)就是遵循這一 途徑而產(chǎn)生的。資源共享既降低了成本，又提高了計算機(jī)設(shè)備的利用率。

總結(jié)

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