### 高级计算机系统结构知识点总结
#### 一、Flynn's分类与并行计算模型
**Flynn's分类**是对计算机系统结构的一种经典划分方法，根据指令流和数据流的不同组合来分类计算机架构。
- **SISD (Single Instruction Stream, Single Data Stream)**：即单指令流单数据流架构，是最常见的传统计算机架构。此类架构主要依靠**指令级并行(ILP)**来提升性能。例如，在现代的CPU中，通过流水线技术来实现更高的指令执行效率。
- **SIMD (Single Instruction Stream, Multiple Data Stream)**：即单指令流多数据流架构，常用于向量处理和数据并行计算。典型的例子包括**GPU**、**向量处理器**以及某些多媒体扩展技术等。这类架构通过一条指令控制多个数据元素的并行处理来加速特定类型的计算任务，如图像处理、科学计算等。
- **MISD (Multiple Instruction Streams, Single Data Stream)**：即多指令流单数据流架构，目前并未广泛应用。理论上，它可以提供比SISD更高的并行度，但由于实际应用中很少有适合这种架构的任务场景，因此不如**MIMD**架构那样广泛使用。
- **MIMD (Multiple Instruction Streams, Multiple Data Streams)**：即多指令流多数据流架构，是当前最常用的架构之一，适用于大多数现代CPU。这种架构支持同时执行多条指令处理多条数据，通过**线程级并行(TLP)**和**请求级并行(RLP)**等方式来提高并行度。
**并行编程模型**：
- **数据并行**：适用于SIMD架构，如GPU，通过一指令多数据分发的方式来并行处理大量数据。
- **消息传递**：适用于MIMD架构，如多核CPU，需要程序员显式地实现进程间通信。
- **共享存储**：在多处理器系统中，尽管存在一定的并行性能限制，但通过共享内存来简化通信过程。
#### 二、缓存管理
**缓存**是计算机体系结构中的重要组成部分，用于缓解处理器与主存之间的速度差异。
- **GPU**中的缓存对程序员来说不完全透明，这意味着程序员可以通过适当的编程技巧来优化缓存使用，提高性能。
- **CPU**中的缓存则对程序员透明，应用程序员无法直接操纵缓存，这主要是为了简化编程复杂度。
**GPU**通过频繁的线程切换来隐藏存储延迟，而**CPU**则依赖于复杂的分支预测技术来减少延迟的影响。
#### 三、虚拟化技术的意义
**虚拟化技术**是一种关键的技术手段，用于提高硬件资源的利用率和系统的安全性。
- **同时运行多个操作系统**：通过虚拟化技术，可以在一台物理机器上同时运行多个独立的操作系统实例，每个操作系统运行在一个虚拟的CPU上。
- **降低成本和提高效率**：通过虚拟化，可以显著降低服务器成本，并提高硬件资源的使用效率。
- **增强安全性和稳定性**：在企业环境中，虚拟化可以提供服务隔离，确保不同服务之间不会相互干扰，从而提高整体系统的安全性和稳定性。
- **业务连续性**：虚拟化的隔离特性使得当某一服务器出现故障时，其上的所有虚拟机可以方便地迁移到其他服务器上，保障了业务的连续性。
- **简化管理**：虚拟化技术还能够减少物理服务器的维护工作量，简化数据中心的管理。
#### 四、网络存储技术
- **WAN** (Wide Area Network): 广域网
- **以太网**: 一种局域网技术标准，如**快速以太网**(Fast Ethernet)、**千兆以太网**(Gigabit Ethernet)等。
- **ATM/OC-3**: 异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode)，OC-3则是OC系列中的一个等级。
- **光纤**: 光纤通信技术，利用光信号进行数据传输。
#### 五、存储技术
- **目标**：存储技术的目标是实现大容量、高速度和低成本。
- **存储层级**：从速度最快到最慢依次为**SRAM** > **DRAM** > **DISK** > **FLASH memory**。
- **局部性原理**：包括**时间局部性**和**空间局部性**，基于这一原理引入了**Cache**。
- **命中与缺失**：当CPU访问Cache时找到所需数据称为命中，未找到则称为缺失。缺失代价包括从主存读取数据并将其装入Cache所需的时间。
- **多级Cache**：如**L1**、**L2**等，L1中的数据包含在L2中。
- **Cache命中率**：通常为80%左右，L1命中率为80%，L1未命中而L2命中的概率为16%左右。
- **替换策略**：**LRU** (Least Recently Used)是最常用的替换策略之一，用于替换最长时间未被访问的数据块。
- **Cache与主存的映射方式**：主要有**全相联映射**、**直接相联映射**和**组相联映射**三种方式。
- **Cache计算题**：涉及计算平均访问时间、缺失代价等概念。
#### 六、存储访问问题
- **未命中**：当数据不在Cache中时，需要从主存中读取数据。
- **地址映射**：确定如何将主存地址映射到Cache地址。
- **替换问题**：当Cache已满需要替换数据时采用的策略，如LRU。
- **写策略**：**写回法**(Write-back)和**全写法**(Write-through)两种主要的写操作策略。
以上总结涵盖了高级计算机系统结构的重要知识点，包括Flynn's分类、并行计算模型、缓存管理、虚拟化技术的意义以及存储技术等多个方面。这些知识点对于理解和掌握计算机体系结构的核心概念至关重要。
