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理解计算机系统结构:层次、发展历程与并行策略
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更新于2024-06-29
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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。
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1.1 计算机系统结构的基本概念
计算机系统结构的实质:
确定计算机系统中软硬件的界面,界面之上是软件实
现的功能,界面之下是硬件和固件实现的功能。
1.1.3 计算机组成和计算机实现
1. 计算机系统结构:计算机系统的软、硬件的界面
即机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属
性。
2. 计算机组成:计算机系统结构的逻辑实现
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1.1 计算机系统结构的基本概念
包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及
逻辑设计等。
着眼于:物理机器级内各事件的排序方式与控制
方式、各部件的功能以及各部件之间的联系。
3. 计算机实现:计算机组成的物理实现
包括处理机、主存等部件的物理结构,器件的集
成度和速度,模块、插件、底板的划分与连接,
信号传输,电源、冷却及整机装配技术等。
着眼于:器件技术(起主导作用)、微组装技术。
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1.1 计算机系统结构的基本概念
具有相同系统结构的计算机可以采用不同的计算机组
成。
同一种计算机组成又可以采用多种不同的计算机实现。
举例:乘法指令 、主存容量与编址方式
4. 系列机
由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有
不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
例如 IBM公司的IBM370系列,Intel公司的x86系列等。
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