计算机系统结构：理解与设计的重要性

"计算机系统结构-为什么要研究系统结构" 计算机系统结构是计算机科学与技术领域中的核心组成部分，它关注的是从外部视角理解计算机系统，即用户所能看到的物理计算机的抽象。研究计算机系统结构的重要性主要体现在以下几个方面： 1. 提高处理机运算速度：在计算机性能指标中，MIPS（每秒百万指令数）是由工作主频Fz乘以IPC（每周期指令数）得出的。为了提升计算机性能，一方面可以通过增加工作主频Fz，但这通常依赖于技术的进步，如缩短门电路延迟。另一方面，通过改进系统结构，例如引入流水线技术，可以显著提高IPC，使得现在能够在单个时钟周期内执行多条指令，相比于过去几个或几十个周期完成一条指令有了显著提升。 2. 计算机系统结构的演变：从早期的指令串行执行，到现在的多级流水线技术，如P4处理器的20级流水线，这表明了系统结构在推动计算机性能提升上的关键作用。流水线技术允许指令在不同阶段同时处理，从而极大地提高了处理器的效率。 3. 学习计算机系统结构的必要性：随着科技的发展，计算机已经从独立使用的机器转变为应用系统或设备的组件，例如在后PC时代，它们更多地作为嵌入式系统的一部分。因此，理解和设计计算机系统结构对于开发自主知识产权的微处理器和操作系统至关重要，也是提升国家科技竞争力的关键。 4. 课程意义与学习目标：学习计算机系统结构可以帮助建立计算机系统的完整概念，掌握其分析和设计方法，了解最新的研究成果，并为设计具有自主知识产权的计算机打下基础。此外，该课程与其他学科如计算机组成、操作系统、汇编语言等有紧密联系，体现了学科交叉的特点。 5. 面临的变革与挑战：当前，计算机系统结构正处于快速变革时期，包括超标量处理机、超流水线处理机、VLIW（Very Long Instruction Word）处理机、向量处理机、并行处理机和多处理机等新型架构不断涌现。同时，非冯诺依曼架构也在逐渐兴起，这要求学生不仅关注硬件层面，还要关注软件与系统结构的互动。 6. 学习安排：学习计算机系统结构不仅需要在课堂上投入时间，课外也需要阅读更多参考书籍，深入理解并实践相关知识，以达到理论与实践的结合。 研究计算机系统结构对于理解计算机工作原理、优化性能、推动技术进步以及培养创新人才都具有深远意义。通过深入学习，我们可以站在更高的角度去洞察计算机的本质，为未来的技术创新和应用开发打下坚实基础。