计算机系统结构概述
计算机系统结构是指计算机系统的基本概念和功能特性,包括计算机语言、虚拟机、翻译、解释、计算机组成、计算机实现等方面。计算机系统结构是传统机器程序员所看到的计算机属性,它是概念性结构与功能特性的总和。
一、计算机语言层次结构
计算机语言层次结构是指按照计算机语言从低级到高级的次序,把计算机系统按功能划分成多级层次结构,每一层以一种不同的语言为特征。这些层次依次为:微程序机器级、传统机器语言机器级、汇编语言机器级、高级语言机器级、应用语言机器级等。
二、虚拟机
虚拟机是指用软件实现的机器,它可以模拟或仿真其他计算机的指令系统,实现程序的跨平台移植。
三、翻译和解释
翻译是指先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序,然后再在这低一级机器上运行,实现程序的功能。解释是指对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令,都是转去执行低一级机器上的一段等效程序,执行完后,再去高一级机器取下一条语句或指令,再进行解释执行,如此反复,直到解释执行完整个程序。
四、计算机组成和计算机实现
计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现,包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。计算机实现是指计算机组成的物理实现,包括处理机、主存等部件的物理结构,器件的集成度和速度,模块、插件、底板的划分与连接,信号传输,电源、冷却及整机装配技术等。
五、系统加速比和 Amdahl 定律
系统加速比是指对系统中某部分进行改进时,改进后系统性能提高的倍数。Amdahl 定律是指当对一个系统中的某个部件进行改进后,所能获得的整个系统性能的提高,受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
六、程序的局部性原理
程序的局部性原理是指程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的,而是相对地簇聚。包括时间局部性和空间局部性。
七、CPI 和测试程序套件
CPI 是指每条指令执行的平均时钟周期数。测试程序套件是指由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序,用来测试计算机在各个方面的处理性能。
八、存储程序计算机和系列机
存储程序计算机是指冯·诺依曼结构计算机,程序预先存放在计算机存储器中,机器一旦启动,就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序,自动完成由程序所描述的处理工作。系列机是指由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
九、软件兼容和向上(下)兼容
软件兼容是指一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运行。向上(下)兼容是指按某档计算机编制的程序,不加修改就能运行于比它高(低)档的计算机。
十、模拟和仿真
模拟是指用软件的方法在一台现有的计算机(称为宿主机)上实现另一台计算机(称为虚拟机)的指令系统。仿真是指用一台现有计算机(称为宿主机)上的微程序去解释实现另一台计算机(称为目标机)的指令系统。
十一、并行性和资源重复
并行性是指计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。资源重复是指在并行性概念中引入空间因素,以数量取胜。通过重复设置硬件资源,大幅度地提高计算机系统的性能。
十二、耦合度和异构型多处理机系统
耦合度是指反映多机系统中各计算机之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。异构型多处理机系统是指由多个不同类型、至少担负不同功能的处理机组成,它们按照作业要求的顺序,依次对它们的多个任务进行加工,各自完成规定的功能动作。