计算机体系结构笔记
计算机体系结构笔记
计算机体系结构是计算机科学的核心领域之一，它研究计算机系统的结构、组成和工作原理。通过对计算机体系的学习，我们可以更深入地理解计算机如何执行程序、处理数据以及各个部件之间的协同工作。
冯·诺依曼结构计算机模型
冯·诺依曼结构计算机模型是现代计算机的基础，它提出了计算机应由五个主要部分组成：输入设备、运算器、存储器、控制器和输出设备。
- 输入设备：负责将外部信息输入到计算机中，如键盘、鼠标等。
- 运算器：执行算术和逻辑运算，是计算机的核心处理部件。
- 存储器：用于存储数据和程序，包括内存和外存。
- 控制器：负责指挥和控制计算机各部件的工作，确保它们按照程序的要求协同工作。
- 输出设备：将计算机处理的结果输出到外部，如显示器、打印机等。
冯·诺依曼结构计算机模型的特点是将程序和数据存储在同一个存储器中，并按照顺序执行程序。这种结构使得计算机能够灵活地处理各种任务，并成为了现代计算机设计的基础。
计算机系统结构的基本概念
计算机系统结构涉及计算机硬件和软件之间的接口和交互方式，它决定了计算机的性能、功能和可扩展性。
- 指令系统：计算机能够识别和执行的指令集合，它决定了计算机能够执行的操作类型和范围。
- 数据表示：计算机内部如何表示和处理数据，包括数值、字符、图像等。
- 寻址方式：如何确定指令和数据在存储器中的位置，以及如何在程序中访问它们。
- 中断系统：处理计算机在执行程序过程中遇到的异常情况，如硬件故障、外部事件等。
- 输入输出系统：管理计算机与外部设备之间的数据传输和交互。
计算机系统结构的设计和优化对于提高计算机的性能和效率至关重要。通过改进指令系统、优化数据表示和寻址方式、完善中断系统和输入输出系统等措施，可以显著提升计算机的处理能力和响应速度。
性能评测
性能评测是评估计算机系统性能的重要手段，主要包括以下几个方面：
- 哈夫曼压缩原理：通过构建最优二叉树来实现数据的高效压缩。
- Amdahl定律：描述了系统性能提升的极限，指出系统性能的提升取决于改进部分所占的比例。
- 程序访问的局部性规律：包括时间局部性和空间局部性，即被访问过的数据或指令在短时间内很可能再次被访问，以及与之相邻的数据或指令也可能被访问。
如何加快系统性能
- 加速使用频率高的部件：通过优化经常性事件的处理速度来提升整体系统性能。
- Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种改进的执行方式后，整个系统的性能提高了，其衡量指标为加速比。
局部性原理
- 时间局限性：如果被访问了，之后很有可能再次被访问。
- 空间局限性：这个位置被访问，他附近的位置也可能被访问。
并行性
并行性是提高计算机系统性能的重要手段，主要包括以下几种方式：
- 流水线技术：将一个任务分解为多个子任务，每个子任务在不同的处理单元中并行执行。
- 多处理器系统：通过增加处理器的数量来提高系统的并行处理能力。
- 向量处理：针对向量数据的并行处理技术。
流水线技术
流水线技术是提高计算机系统性能的重要手段之一，它将一个任务分解为多个子任务，每个子任务在不同的处理单元中并行执行。
基本概念
时-空图：时空图从时间和空间两个方面描述了流水线的工作过程。
流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞、断流。时间最长的段将成为流水线的瓶颈。
流水线分类
- 单功能流水线和多功能流水线
- 静态流水线（同一段时间内只能实现一种功能）与动态流水线（同一时间段可以执行多种功能）
- 线性流水线和非线性流水线
- 顺序流水线和乱序流水线（看是否按照顺序来执行）
流水线处理机
概念：把指令执行部件中采用了流水线的处理机。
分类：标量处理机、向量流水处理机。
流水线的性能指标
吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。
TP = n/T
n：任务数
T：处理完成n个任务所用的时间
各段时间都相等的情况：
当n>>k时，才有TP约等于Tpmax
各段时间不完全相等的流水线（有瓶颈段）：
例子：S2就是瓶颈段
当瓶颈段为3时：
解决流水线瓶颈问题的常用方法：
- 细分瓶颈段
- 重复设置瓶颈段
流水线的加速比：完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比。
假设：不使用流水线(即顺序执行)所用的时间为Ts，使用流水线后所用的时间为Tk，则该流水线的加速比为：
S = Ts/Tk
效率：一个是矩形一个为四边形求面积
流水线性能分析举例：明白了t取的是最大的那个
总结
计算机体系结构是计算机科学的重要组成部分，它涵盖了计算机系统的结构、组成和工作原理等多个方面。通过对冯·诺依曼结构计算机模型和计算机系统结构基本概念的学习，我们可以更深入地理解计算机的内部工作机制，并为进一步学习和研究计算机科学打下坚实的基础。