计算机系统结构：微处理器与冯·诺依曼架构

"该资源主要探讨了计算机系统结构与嵌入式系统，特别是关于指令时空图、顺序执行、4级流水线执行以及流水线满载的概念。内容涵盖了计算机系统的基本结构、工作原理、微处理器体系结构的改革以及性能评测等方面。此外，还提到了冯·诺依曼计算机架构和不同层次的计算机系统模型。" 在计算机系统结构中，指令时空图是一种用来表示指令执行时间及其空间分布的图形工具。它能够清晰地展示指令执行的顺序和时间间隔，对于理解处理器性能优化至关重要。顺序执行是指计算机按照程序中的指令顺序逐条执行，而4级流水线执行则是在处理器内部通过将指令执行过程分为多个阶段（如取指、解码、执行和写回），使得多条指令可以在同一时间内并行处理，提高执行效率。流水线满载意味着所有阶段都有指令在处理，达到了流水线的最大吞吐能力。 冯·诺依曼计算机架构是现代计算机的基础，其核心特点是存储程序方式，即程序和数据共同存储在内存中，由中央处理器(CPU)按顺序执行。计算机系统的工作原理包括了系统结构、指令集、工作流程等多个方面，其中微处理器体系结构的改革是提升计算机性能的关键，例如RISC(精简指令集)和CISC(复杂指令集)的对比、分层存储器系统、高速总线和接口、流水线技术、超标量设计、超长指令字、多处理器或多核技术以及多线程等。 计算机体系结构通常被划分为架构(Architecture)、组成(Organization)和实现(Realization)三个层次。架构是程序员所关心的计算机概念和功能特性，如是否存在特定的指令。组成是从硬件角度关注物理机器的组织，比如如何实现乘法指令。实现则涉及底层的器件技术，如加法器的物理构建和微组装技术。此外，计算机系统还包括了硬核、数字逻辑层、指令系统层、各种虚拟机层、操作系统层、语言处理层直至用户程序层，这些层次反映了系统从硬件到软件的逐级生成和问题解决过程。 在评价计算机性能时，常见的指标有字长、存储容量和运算速度。而软硬件的逻辑等价性则表明硬件可以通过软件模拟（如RISC思想），软件也可以硬件化（如CISC思想），甚至可以固件化（如微程序）。计算机系统的不同层次模型提供了灵活性，使开发者可以根据需求在不同层面进行优化。例如，操作系统、编译器、数据库管理系统等属于系统软件，它们与硬件系统（如CPU、存储器、I/O及通信子系统）共同构成了支撑应用软件运行的基础。 这个资源深入介绍了计算机系统和嵌入式系统的基础知识，包括其历史背景、基本构成、工作原理以及性能提升的策略，对于理解微处理器系统结构和嵌入式系统的设计有着重要的指导意义。