第1章 计算机系统结构的概念 |
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1.计算机体系结构的经典定义
计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性,即计算机的逻辑结构和功能特征 2.常见的计算机系统结构分类法⑴ 冯氏分类法——依据:按照系统的最大并行度 ⑵ Flynn分类法——依据:按照指令流和数据流的多重性 4个具体分类: 单指令流单数据流-单指令流多数据流-多指令流单数据流-多指令流多数据流 3.Amdahl定律(结果要求不能是分数,化为小数,且小数点后保留三位) (1)确切描述:加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比,受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。 (2)加速比依赖于两个因素: 1)可改进比例:在改进前的系统中,可改进部分的执行时间在总的执行时间中所占的比例。总小于等于1。 例如:一个需运行60秒的程序中有20秒的运算可以加速,那么这个比例就是20/60。 2)部件加速比:可改进部分改进以后性能提高的倍数。它是改进前所需的执行时间与改进后执行时间的比。 一般大于1。 例如:若系统改进后,可改进部分的执行时间是2秒,而改进前其执行时间为5秒,则部件加速比为5/2。 (3)改进后程序的总执行时间: 总执行时间改进后 = 不可改进部分的执行时间 + 可改进部分改进后的执行时间 总执行时间改进后 = (1-可改进比例)×总执行时间改进前 + 总执行时间 改进后 = [ (1 -可改进比例) +可改进比例/部件加速比 ] ×总执行时间改进前 (4)系统性能加速比公式: (5)Amdahl定律性能改进的递减规则——如果仅仅对计算任务中的一部分做性能改进,则改进得越多,所得到的总体性能的提升就越有限。 (6)Amdahl定律重要推论——如果只针对整个任务的一部分进行改进和优化,那么所获得的加速比不超过 1 /(1-可改进比例) 4.CPU性能公式 (1)执行一个程序所需的CPU时间: CPU时间 = 执行程序所需的时钟周期数×时钟周期时间 (2)CPU时间 = IC ×CPI ×时钟周期时间 (CPI:执行每条指令的平均时钟周期,IC:指令条数) (3)假设:计算机系统有n种指令, CPIi 是第i种指令的处理时间, ICi是在程序中第i种指令出现的次数; 这时,CPU性能公式为: 集成电路芯片上所集成的晶体管数目每隔18个月就翻一番。 6.冯·诺依曼结构(1)五个组成部分:运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 (2)现代计算机主要从以下两方面对冯诺依曼结构计算机改进: ⅰ.从以运算器为中心,改为以控制器为核心 ⅱ.程序和数据不再以分离的方式进行存储 ----- 冯·诺依曼结构的主要特点: (1)以运算器为中心。 (2)在存储器中,指令和数据同等对待。 (3)存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结 构,每个单元的位数是固定的。 (4)指令的执行是顺序的。 (5)指令由操作码和地址码组成。 (6)指令和数据均以二进制编码表示,采用二进制运算。 7.指令集两个分类精简指令集(RISC),复杂指令集(CISC) 8.1从处理数据的角度看,并行性从低到高分为几个等级:(1)字串位串(2)字串位并(3)字并位串(4)全并行 8.2从执行程序的角度看,并行性从低到高分为几个等级:(1)指令内部并行(2)指令级并行(3)线程级并行 (4)任务级或过程级并行(5)作业或程序级并行 9.提高并行性的技术途径:(1)时间重叠、(2)资源重复、(3)资源共享 |
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