计算机体系结构基石：层次结构与分类详解

计算机体系结构是计算机科学的基础，它探讨了计算机硬件和软件之间的交互以及系统内部运作的逻辑结构。本章概述了计算机体系结构的基本概念，包括： 1. **计算机系统结构的定义**：计算机体系结构分为概念性结构（程序员视角，关注功能）和实现结构（硬件层面）。概念性结构描述了计算机的功能特性，而实现结构则涉及具体的硬件组成。 2. **层次结构**： - 虚拟机层次：应用语言机器（如高级语言）通过编译或解释逐步向下转换为更底层的机器语言机器、汇编语言机器和操作系统机器。 - 物理机层次：从传统机器语言机器到微程序机器，体现硬件的层次结构。 3. **透明性**：这是计算机技术中的一个重要概念，指的是某些特性在特定环境下看似不可见但实际存在。 4. **编译与解释**：两种程序执行方式，编译将高级代码转换为机器代码一次性执行，解释则是逐条解释执行。 5. **计算机系统分类**：根据Flynn分类法，计算机按照指令流(IS)、数据流(DS)、控制流(CS)和控制部件(CU)的并行性分为SISD、SIMD、MISD和MIMD四种类型。 6. **计算机设计原理**： - 大概率事件优先原则：优化资源分配以提升性能。 - Amdahl定律：衡量系统加速效率，考虑可改进部分与总执行时间的关系。 7. **程序局部性原理**：时间局部性和空间局部性是提高处理器效率的关键，它们描述了程序在时间和空间上的重复访问模式。 8. **CPU性能指标**：包括时钟周期时间、CPI（每指令周期数）以及与指令数量相关的计算。 9. **并行性与并发性**： - 并行性是同时处理多个任务的能力，从字串位串（无并行）到字串位并（基本并行）等级区分。 - 同时性和并发性强调的是事件在同一时间或时间间隔内的关系。 这些知识点构成了计算机体系结构的核心要素，理解它们有助于深入分析和设计高效计算机系统。