计算机体系结构概览：层次结构、分类与性能原理

计算机体系结构是信息技术的核心组成部分，它涉及到计算机硬件和软件如何协同工作的底层逻辑。本文档汇总了计算机体系结构的基本概念和关键知识点。 首先，文档强调了计算机系统的结构通常被划分为逻辑实现（计算机组成）和物理实现（计算机实现）。逻辑实现关注的是程序员所看到的计算机概念性结构和功能特性，如处理器（包括指令流IS、数据流DS、控制流CS、控制部件CU和处理部件PU）、存储器（MM和SM）等。而物理实现则具体到实际硬件的构建，例如虚拟机层次结构（如应用语言机器到操作系统机器）和传统机器语言机器到微程序机器。 透明性是体系结构中的一个重要概念，意味着某些技术或特性对用户来说是“隐形”的，例如编译和解释的区别。编译是在不同层次之间转换程序，而解释则是逐行执行。此外，文章还介绍了两种常见的计算机系统结构分类方法：Flynn分类法和SISD/SIMD/MISD/MIMD模型，这些模型根据系统的并行特性将计算机架构划分。 计算机设计中的定量原理包括概率事件优先原则，即根据任务的常见性分配资源来提升性能。Amdahl定律则给出了加速比的计算，通过分析可改进部分与总执行时间的关系，评估硬件升级对整体性能的影响。程序的局部性原理，如时间局部性和空间局部性，是优化处理器性能的关键，它们揭示了数据访问模式对性能的影响。 CPU性能的衡量指标包括时钟周期时间和CPI（每条指令所需时钟周期数除以执行的指令数），反映了执行效率。并行性是体系结构的一个核心概念，它从多个角度进行分类：数据并行性（字串位串、字串位并、字并位串和全并行）和程序并行性（指令部并行）等级。从低到高的并行级别不仅涉及到数据操作的并发，也关乎指令执行的并行能力。 文档深入探讨了计算机体系结构的基础理论、分类方法、性能优化原则以及并行性在设计和实现中的应用，这对于理解和设计高效、灵活的计算机系统至关重要。