理解计算机系统结构：层次、发展历程与并行策略

本资源是一份清华大学提供的计算机系统结构课程讲义，涵盖第1章的内容，主要探讨了计算机系统结构的基础知识，包括其基本概念、设计、性能评测、发展史以及并行性的发展。章节详细讲述了计算机系统如何从早期的单纯依赖指令级并行转向线程级和数据级并行，以解决大功耗和指令级并行性减少的问题。 1.1 计算机系统结构的基本概念是课程的核心部分，它定义了计算机作为一个整体的组成，包括硬件、固件和软件的交互。硬件/固件构成物理机，是最底层的执行实体；而虚拟机则是软件层面的抽象，它可以利用硬件或固件来实现某些功能。通过翻译和解释两种方式，不同级别的语言得以在这些机器层次之间转换和执行，如高级语言编译成低级语言，或直接在虚拟机上解释执行，尽管解释执行效率较低，但节省存储空间。 层次结构分析显示，计算机系统从物理机到虚拟机，每层都体现了不同层次的程序员所见的抽象概念，体现了系统的透明性，即用户无需了解底层细节即可使用。广义的系统结构概念强调了计算机系统的多维度属性，包括其功能性、可扩展性和兼容性，这些都是随着计算机技术发展和系统结构创新而不断演化的。 课程还提到了计算机系统发展的四个阶段，从1946年第一台通用电子计算机的诞生，到现代计算机技术的飞速进步，其中硬件制造技术和系统结构的创新起到了关键作用。特别是随着计算机系统结构的重大转折，从单纯依赖指令并行转向并行处理，如线程和数据并行，以适应存储器访问速度提升缓慢和指令级并行性减少的挑战。 这份课件深入浅出地讲解了计算机系统结构的基础理论，对于理解计算机工作原理、掌握系统设计和优化策略，以及理解计算机系统的发展历程具有重要的参考价值。