计算机系统结构基础：冯诺依曼体系与并行性解析

"该文档是关于计算机系统结构的第一章，主要涵盖了计算机系统的基本概念，包括层次结构、虚拟机、翻译与解释的区别、冯氏分类法、Flynn分类法、Amdahl定律、CPU性能评估、程序局部性原理、冯诺依曼结构及其特点、软件可移植性、系列机概念、软件兼容性以及并行性的各个方面。" 在计算机系统结构中，首先理解计算机的层次结构至关重要。这一结构从底层到高层包括微程序机器级、机器语言层、操作系统虚拟机、汇编语言层、高级语言层直至应用语言层。每一层都为上一层提供了一个抽象，使得程序员可以在更高的层面进行编程，而无需关心底层的细节。 翻译和解释是两种不同的代码转换方式。翻译是将较高级别的程序完全转换为低级别语言，然后执行生成的低级别程序，而解释则是在每次遇到高级别指令时即时转换并执行，不生成中间代码。 计算机系统结构、组成和实现是三个紧密相关的概念。系统结构定义了用户所见的硬件特性，如指令集；组成是指这些特性的逻辑实现，例如，乘法指令是否为指令集的一部分；实现则是指这些逻辑组件的物理制作，如如何制造乘法器。 根据Flynn分类法，计算机系统分为SISD（单指令流单数据流）、SIMD（单指令流多数据流）、MISD（多指令流单数据流）和MIMD（多指令流多数据流）四种类型，主要依据指令处理和数据处理的并发性。 程序局部性原理是性能优化的关键，它包括时间局部性和空间局部性。时间局部性表明程序倾向于重复使用最近使用过的数据，而空间局部性指出程序倾向于访问相邻的内存位置。 Amdahl定律描述了提升系统中某一部分性能对整体性能加速比的限制，这个比例取决于该部分在总执行时间中所占的比例。 系列机是指来自同一制造商，拥有相同体系结构但不同配置和实现的一系列计算机，它们通常具有软件兼容性，允许相同的软件在不同型号的机器上运行。 软件兼容性确保软件能在不同环境下正常运行。它分为向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容，其中向后兼容是软件兼容的根本特征，意味着新版本的软件能够运行旧版本的程序。 并行性是现代计算机系统中的关键特性，可以通过时间重叠、资源重复和资源共享等方式来提高。并行性可以在单机系统和多机系统中实现，耦合度是衡量并行系统中各组件间相互依赖程度的指标，松散耦合和紧密耦合分别代表不同程度的相互依赖。 本章内容提供了理解计算机系统设计和优化的基础，涉及了从低级硬件到高级软件的多个层面。