第一节 计算机的系统结构
一、计算机硬件的基本结构(冯·诺依曼结构)
寄存器，存储器，容量，字，字节，字长，指令，程序，CPU，主机，总线
(PC机的连接结构)
二、计算机的软件
系统软件
操作系统：提供操作界面，提供程序运行平台(存储管理、I/O管理等)
应用软件
音像处理，印刷排版，CAD，数据处理，控制软件，信号处理DSP
三、语言及其编译
语言不是软件
机器语言(000 001 010)，汇编语言(ADD R1, R2)，高级语言(A=A+B)
源程序文件 编译程序/汇编程序 目标程序文件
编译过程：词法分析、语法分析、生成中间代码、代码优化、生成目标代码
第二节 系统结构的概念
一、概念
三个层次
计算机实现--器件选择，机械、封装、印板、机箱、电源、冷却设计
计算机组成--逻辑设计
计算机系统结构--外特性设计
(建筑学的比喻)
(系统结构与组成和实现密切相关)
系统结构 产品
Digital Alpha (V1, V3) 1992-97DEC21064, 21164, 21264
HP PA-RISC (V1.1, V2.0) 1986-96HP3000(930,950), HP9000(800,850)
PA7100, PA8000
Sun Sparc (V8, V9) 1987-95TI SuperSPARC TMS390Z50
(in Sun SPARCstation 20)
MIPSMIPS 2000, 3000, 4000, 8000, 10000
(in SGI workstation)
IBM PowerPCPPC750, 740, 604, 603, 601, RS/6000
Intel IA-32, IA-64 1978-96I386, I486, P, PII, PIII, P4, Itanium
AMD x86-64SledgeHammer
系统结构的研究范围
外特性--指令系统、数据表示、寻址方式、寄存器集
界面设计--确定硬件功能
为上层提供使用方便的功能，使下层的实现方便有效
新型系统结构设计--并行性、数据流、推理机、神经网
性能成本评价--运算速度、存储容量、I/O带宽
发展趋势：并行性(同时性，并发性)
并行机型：标量机、向量机、阵列机、多处理机
计算机、处理机与处理器
系统结构分类(按并行性)
SISD, SIMD, MISD, MIMD
二、语言与系统结构的设计
语言的分类：过程式、函数式、逻辑推理式
语言的影响：计算模型、软硬件界面(如picoJAVA)
三、软件与系统结构的设计
两个方面：编译与操作系统
编译的影响：数据的存储结构、指令集的特征、控制结构(指令调度)
堆栈及其实现
操作系统的影响：系统服务机制、存储管理、进程同步和切换、故障诊断(都需要硬件支持)
四、应用与系统结构的实现
应用领域：科学计算、工程计算、信息处理
应用的影响：数据及运算类型，算法，计算模型(归约)，性价比(微机vs大型机)
五、器件与系统结构的实现
器件类型：电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路
器件的影响
软硬件的功能分配--器件的发展与计算机成本
结构设计--器件发展与组成结构
开发手段--集成电路类型：非用户芯片(标准芯片)，半用户芯片(可编程)，全用户芯片(ASIC)
第三节 性能评价
一、方式
分析、模拟和测试
二、指标
响应时间、吞吐率、可扩展性、可编程性、可靠性、性价比
三、简单的分析方法
CPU时间的计算
其中：Ii是第i种指令的数量
CPIi是第i种指令的执行周期数
MIPS指标
Rc: 时钟速率
局限性：标量机，指令的差异
MFLOPS指标
正则化值
局限性：CPU的性能(而不是整体性能)
四、测试方法
选择工作负载(指令混合、核心程序、合成程序、应用程序)
测试运行
统计结果
问题：设计算机执行程序A的时间为1秒，执行程序B的时间为2秒，程序A和程序B的执行指令数均为106条，问该计算机的平均性能。
算术平均
几何平均
调和平均
几何平均的特点：在对各种机器性能比较进行性能规格化过程中，不论取哪一台作参考机，均能保持比较结果的一致性。
例：设有计算机A, B, C，运行程序1和2。以A机为参考机，结果如下：
程序 A机 B机 C机
1120.5
210.52
Am(A)=1, Am(B)=1.25, Am(C)=1.25
以B机为参考机，则结果如下：
程序 A机 B机 C机
10.510.25
2214
Am(A)=1.25, Am(B)=1, Am(C)=2.125
加权平均
五、阿姆达尔定律
第四节 系统的可靠性
一、基本概念
错误(error)：引起故障的因素(如固定为1)
故障(fault)：由系统中的错误引起的紊乱现象(显现的错误)
失效(failure)：故障导致的系统丧失功能的情况(浴盆曲线)
避错：避免错误的发生
容错：使得错误不显现，有错误时系统不失效
二、技术指标
可靠性：不发生故障的概率
当失效率为常数时：
l称为失效率
平均无故障时间(MTTF--mean time to failure)
例：设系统的平均无故障时间是104小时，问该系统正常工作1小时的可靠性是多少?
解：因MTTF=104, 故l=10-4, R(1)=e-0.0001=0.99
平均故障间隔时间(MTBF--mean time between failure)
MTBF = MTTF+MTTR=1/l + 1/m
其中MTTR为平均修复时间1/m
m称为修复率
可用性
覆盖率
三、容错系统的类型
永久性故障(物理失效)
中期故障(偶然性故障)
暂态故障(环境干扰)
四、基本容错技术