计算机体系结构详解：层次结构、虚拟机与透明性

计算机体系结构是信息技术的核心基础，本课程由张晨曦教授讲解，主要围绕计算机系统结构的基本概念展开。首先，层次机构是将计算机系统划分为多个层次，从低级的微程序机器级到高级的应用语言机器级，每一层都对应特定的语言，如机器语言、汇编语言和高级语言，体现了从底层硬件到抽象软件的逐步抽象过程。虚拟机则是一个软件模拟的抽象机器，通过翻译和解释机制，使得高阶语言能在低级机器上运行，实现了不同语言间的互操作。 接着，计算机系统结构关注的是程序员看到的计算机概念性结构和功能特性，这种透明性使得程序员无需了解底层细节就能进行编程。而计算机组成则是指逻辑实现层面，涉及数据流和控制流的设计，包括处理器、主存等硬件组件以及物理布局、接口等。 计算机实现进一步细化到物理层面，涉及到硬件的实际构建，如集成度、速度提升、硬件模块化、信号传输、电源管理及组装工艺等。系统加速比用于衡量改进某一部分对整体性能的影响，而Amdahl定律揭示了系统性能提升的瓶颈往往在于执行时间占比最低的部分。 程序的局部性原理是计算机性能优化的关键，包括时间局部性和空间局部性，指程序在执行过程中倾向于访问连续的内存地址，这有助于提高缓存命中率和减少访存延迟。CPI（每条指令执行的平均时钟周期数）是衡量处理器性能的重要指标，它反映了处理器执行效率。 测试程序套件由多种实际应用构成，用于评估计算机在不同方面的性能。存储程序计算机，尤其是冯·诺依曼结构的计算机，采用指令驱动的方式，程序预先存储在内存中，确保了自动执行。系列机则是同一制造商生产的一系列型号相似但配置各异的计算机。 软件兼容性是计算机技术中的一个重要概念，它指的是软件能够在不同硬件平台上运行，可能只是执行速度有差异。向上兼容和向下兼容分别指程序能在更高级别和更低级别计算机上运行，而向后兼容则强调早期软件在新硬件上的可运行性。 计算机体系结构涵盖了从概念、设计到实现的各个方面，深入理解这些概念有助于我们设计高效、兼容的计算机系统，并进行性能优化。