计算机系统结构：库克分类法与性能提升

"库克分类法-系统结构课件" 计算机系统结构是一门深入研究计算机硬件与软件交互方式的学科，它关注如何设计和优化计算机系统的性能。库克分类法是计算机系统结构中的一个重要概念，由D. J. Kuck在1978年提出，用于对计算机处理器的类型进行分类，主要依据控制流和执行流的特点。 1. 单指令流单执行流（SISE，Single Instruction Single Executionstream）：这是最基础的计算机架构，典型的代表是单处理机。在这种系统中，只有一个处理单元，每次执行一条指令，适合处理简单的计算任务。 2. 单指令流多执行流（SIME，Single Instruction Multiple Executionstream）：这种架构下，虽然仍由单一的指令流控制，但可以有多个执行单元同时工作，例如多功能部件处理机、相联处理机、向量处理机、流水线处理机、超流水线处理机、超标量处理机以及SIMD（Single Instruction Multiple Data）并行处理机。这些设计旨在通过并发执行指令来提高处理效率和系统性能。 在学习计算机系统结构时，我们通常会接触到一些核心概念，如： - 计算机系统结构的基本概念，包括为何要研究系统结构，如何理解计算机系统，以及系统结构的定义。研究系统结构的主要目标是提高处理机运算速度，这可以通过增加每周期指令执行数（IPC）和提升工作主频（Fz）来实现。 - 计算机系统的评价标准，如MIPS（Millions of Instructions Per Second），用于衡量计算机的处理能力。此外，SPECint速度指标也是一个常见的性能基准，它反映了处理器在执行整数运算时的性能。 - 计算机系统的设计技术，包括流水线技术，它通过将指令执行过程划分为多个阶段，使得每个阶段可以并行进行，从而显著提高执行速度。超流水线和超标量技术则是进一步细化和扩展了这一概念，允许在一个时钟周期内执行多于一个指令。 - 计算机系统结构的发展历程，展示了从早期的串行执行到现在的多核并行计算的演变。例如，DEC Alpha和MIPS R系列处理器的性能提升，部分归功于先进的系统结构设计，其对性能的提升甚至超过了单纯的技术进步。 - 计算机系统的层次结构，将计算机系统分为7个层次，其中第2级属于计算机系统结构，涵盖了硬件和低级软件的交互。上层的虚拟机和应用软件则建立在这些基础上，它们之间存在交叉和相互依赖。 通过对这些知识点的理解，我们可以更好地掌握计算机系统的工作原理，并能够设计和优化更高效的系统。同时，理解计算机系统的层次结构也有助于我们了解软件和硬件之间的关系，以及如何通过改进系统结构来推动计算机性能的提升。