计算机系统设计的定量原理
计算机体系结构量化研究方法
计算机体系结构量化研究方法计算机体系结构是计算机科学与技术领域的一个重要分支，它研究的是计算机系统的结构、组成和运行原理。
而量化研究方法则是指通过数学模型、统计分析等手段对计算机体系结构进行定量化分析和研究的方法。
本文将从量化研究方法的基本概念、研究内容、应用领域等方面进行探讨。
首先，量化研究方法的基本概念是指利用数学、统计学等方法对计算机体系结构进行量化分析的方法。
这种方法能够将抽象的计算机系统抽象为数学模型，通过量化的方式对计算机系统进行描述和分析，从而揭示其内在规律和特性。
量化研究方法的基本思想是将计算机体系结构中的各种组成部分、运行机制等进行量化描述，以便进行定量分析和研究。
其次，量化研究方法的研究内容包括了对计算机体系结构中各种组成部分的性能、功耗、可靠性等指标的量化分析，以及对计算机系统整体性能、吞吐率、响应时间等方面的量化研究。
在具体的研究工作中，可以利用队列论、概率论、统计学等方法对计算机系统进行建模和分析，从而揭示其内在的规律和特性。
通过量化研究方法，可以更加深入地理解计算机体系结构的运行机制，为系统设计与优化提供科学依据。
另外，量化研究方法在计算机体系结构领域有着广泛的应用。
例如，在计算机系统设计阶段，可以利用量化研究方法对系统性能进行评估和预测，指导系统设计与优化工作。
在计算机系统运行和管理阶段，可以利用量化研究方法对系统性能进行监控和调优，保障系统的稳定运行。
在计算机系统故障诊断与容错领域，也可以利用量化研究方法对系统的可靠性进行分析和评估，提高系统的容错能力。
总之，计算机体系结构量化研究方法是一种重要的研究方法，它通过数学模型、统计分析等手段对计算机体系结构进行定量化分析和研究，揭示系统的内在规律和特性，为系统设计与优化提供科学依据，有着广泛的应用前景。
希望本文的介绍能够对读者有所帮助，促进该领域的研究与发展。
计算机系统 总 复 习(2011)
总复习第一章1.计算机系统结构、组成、实现的基本概念和包含的内容；系统结构与软硬件功能划分的关系；计算机系统的多级层次结构；判断某项内容属于结构、组成、实现的哪一类；判断某项内容针对不同程序员的透明性。
2.促进系统结构发展的因素（软件、应用、器件）。
软件：实现软件可移植性的方法；系列机的概念；软件兼容的概念（向前、向后、向上、向下兼容）；模拟与仿真技术的概念；应用：应用对系统结构的要求。
器件：系统结构下移的概念。
3.计算机系统的分型与分类的概念。
Flynn分类法4.系统结构设计的定量原理（Amdahl定理）；加速比的计算方法；5.程序访问的局部性原理（时间局部性、空间局部性）；判断系统结构中局部性原理的应用。
6.系统评价的指标（响应时间、CPU时间、MIPS、MFLOPS）；运用CPU性能公式、平均CPI比较系统性能。
7.并行性的概念；并行性的等级、粒度；并行性的开发策略（时间重叠、资源重复、资源共享）；8.计算机系统的主要设计方法第二章1.指令系统的设计要求（完备性、有效性、兼容性、规整性、对称性、可扩充性、正交性、有利于编译）。
2.指令系统的分类（堆栈型、累加器型、通用寄存器型）；通用寄存器型指令的特点（R－R型、R－M型、M－M型）。
3.操作数访问方式（按地址访问、按内容访问）；按地址访问的编址问题：字编址、字节编址、位编址；按字节编址时的大端排序与小端排序。
编址规定中的访存越界问题及其解决方法。
按内容访问：联想存储器的工作过程。
4.指令格式的设计准则；操作码的优化方法（霍夫曼编码、扩展霍夫曼编码）。
5.指令系统的两种设计风格CISC和RISC。
CISC风格的特点；RISC风格的特点。
RISC风格指令系统的实现技术：窗口寄存器重叠技术、优化转移技术。
6.数据类型、数据表示、数据结构的概念和关系；引入数据表示的原则（减少程序执行时间和存储容量、较好的通用性和较高的效率）；数据表示与系统结构的关系。
操作系统第一章基本概念
学习目的
建立计算机系统的完整概念 学习计算机系统的分析方法和设计方法 了解计算机系统的最新研究成果
与其它学科的交叉
学科交叉：计算机组成、计算机操作系统、汇编语 言、微计算机技术、计算机网络…… 新内容：超标量处理机、超流水线处理机、VLIW处 理机、向量处理机、并行处理机、多处理机、互联 网络……
软件和硬件组成
由人员、数据、设备、程序和规程组成
1.2 计算机系统的发展
1.2.1 冯· 诺依曼结构 1.2.2 器件发展的影响 1.2.3 应用发展的影响 1.2.4 改进算法的影响
1.2.1 冯· 诺依曼结构
Van Nenmann 基本思想与1936年至1946年期 间形成，有冯· 诺依曼等人与1946年提出
芯片可靠性达到108小时，连续使用一万年以上
1.2.3 应用发展的影响
应用需求
高结构化数值计算：气象模型、流体流动、有限元分析 非结构化的数值计算：蒙特卡洛模拟、稀疏矩阵 实时多因素问题：语音识别、图像处理、计算机视觉 海量存储和输入输出密集问题：数据库、事物处理 图形学和设计系统：计算机辅助设计
集成度迅速提高:每四年提高一个数量级 每0.25平方英寸1010个晶体管 单芯片内可做大于1Gb存储器，单芯片内 可以集成2个CPU+全部Cache 还远没有达到集成度的极限 速度已接近极限 速度提高的余地很小 依靠系统结构的发展，关键是并行编译和 并行算法 价格直线下降：CPU价格每年下降大于80% 可靠性越来越高
第一章 导论
1.1 计算机系统的基本概念 1.2 计算机系统的发展 1.3 计算机系统的层次结构 1.4 计算机系统的设计方法 1.5 现代计算机系统的分类
计算机体系结构习题答案
一、（5分）计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？请简要说明它们的含义。
答：（1）以经常性事件为重点。
在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进。
（2）Amdahl 定律。
加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。
（3）CPU 性能公式。
执行一个程序所需的CPU 时间 = IC ×CPI ×T 。
（4）程序的局部性原理。
程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚。
二、（15分）假设某应用程序中有4类操作，通过改进各类操作的功能部件，可（2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？ （3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？ 答：根据Amdahl 定律aff S n +-=)1(1，其中f 是可改进部分在总运行时间中所占比例，a 是可改进部分的加速比，可得4类操作均改进后，整个程序的加速比：11.77(1)n ii iS FF S =≈-+∑∑三、（5分）请简述指令之间数据冲突的类型。
答：指令之间的数据冲突有3种类型：真相关、反相关、输出相关。
真相关（数据依赖，有时候也称为数据相关）：考虑两条指令i 和j ，i 在j 的前面，指令k 在指令i 和指令j 之间。
如果下述条件之一成立，则称指令j 与指令i 真相关：（1）指令j 使用指令i 产生的结果（写后读）；（2）指令j 与指令k 真相关，而指令k 又与指令i 真相关。
（真相关的传递性） 反相关：考虑两条指令i 和j ，i 在j 的前面，如果指令j 所写的名与指令i 所读的寄存器名或存储地址相同，则称指令i 和j 发生了反相关。
（读后写）输出相关：考虑两条指令i 和j ，i 在j 的前面，如果指令j 和指令i 所写的寄存器名或存储地址相同，则称指令i 和j 发生了输出相关。
（写后写） 其中反相关和输出相关又合称名相关。
体系结构简答
1.2 试用实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系。
答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构。
确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。
选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。
计算机实现是计算机组成的物理实现。
一种体系结构可以有多种组成。
一种组成可以有多种实现。
1.3 计算机系统结构的Flynn分类法是按什么来分类的？共分为哪几类？答：Flynn 分类法是按照指令流和数据流的多倍性进行分类。
把计算机系统的结构分为：（1）单指令流单数据流SISD （2）单指令流多数据流SIMD （3）多指令流单数据流MISD （4）多指令流多数据流MIMD 1.4 计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？并说出它们的含义。
答：（1）以经常性事件为重点。
在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进。
（2）Amdahl定律。
加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。
（3）CPU 性能公式。
执行一个程序所需的CPU时间 = IC ×CPI ×时钟周期时间。
（4）程序的局部性原理。
程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚。
1.5 分别从执行程序的角度和处理数据的角度来看，计算机系统中并行性等级从低到高可分为哪几级？答：从处理数据的角度来看，并行性等级从低到高可分为：（1）字串位串：每次只对一个字的一位进行处理。
这是最基本的串行处理方式，不存在并行性；（2）字串位并：同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。
已开始出现并行性；（3）字并位串：同时对许多字的同一位（称为位片）进行处理。
这种方式具有较高的并行性；（4）全并行：同时对许多字的全部位或部分位进行处理。
计算机系统结构-复习笔记
第一章概论
本章重点：计算机系统的层次结构、计算机系统结构的定义、计算机系统的设计思路、系统结构并行性开发的方法和计算机系统的分类。
本章难点：透明性分析。
复习建议：本章在历年考试中，为必考的章节，但一般考察基本概念和基本知识;从题型来讲主要为单项选择题和填空题。
建议学员在复习时注意基本概念的理解和掌握。
第一节计算机系统的多级层次结构
一、计算机系统的层次
(1)从使用语言的角度，计算机系统可以被看成是按功能划分的多层机器级所组成的层次结构。
层次结构由高到低依次为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级和微程序机器级，如图所示。
(2)对各级机器级的理解。
计算机体系结构简明教程(RISC-V版)答案
计算机体系结构简明教程(RISC-V版)答案1.1 解释下列术语层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。
虚拟机：用软件实现的机器。
翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。
解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，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。
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。
系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。
计算机体系结构的基本概念 1.5 定量分析技术基础
组织结构的好处
14／31
1.5 定量分析技术基础
◆ 一些专门的性能指标测试程序
3DMark03
主要测试显卡性能和DirectX的性能。 Prime95
用来估计分布式计算程序的通信情况，
可使计算机高负荷运转，所以也用来测试计 算机的稳定性。
SuperPi/SuperE
计算圆周率π/自然指数e的软件，通常 用来测试CPU的稳定性。
28／31
1.5 定量分析技术基础
根据假设，有： 时钟周期B = 1.25 时钟周期A 在CPUB中没有独立的比较指令，所以CPUB的程序量 为CPUA的80%，分支指令的比例为： 20%/80% = 25% 这些分支指令占用2个时钟周期，而剩下的75%的指 令占用1个时钟周期，因此： CPIB = 0.25 2 + 0.75 1 = 1.25 因为CPUB不执行比较，故： ICB = 0.8 ICA
作系统平台的测试组件
组织结构的好处
12／31
1.5 定量分析技术基础
PCMark04 包括中央处理器测试组、内存测试组、图 形芯片测试组、硬盘测试组等。 Business Winstone 2004 主要用于测试计算机系统商业应用的综合 性能。
Multimedia Content Creation Winstone 2004
组织结构的好处
15／31
1.5 定量分析技术基础
1.5.3 性能设计和评测的基本原则
三条基本原则和方法：
1. 大概率事件优先的原则 对于大概率事件（最常见的事件），赋予 它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的 最优结果。
2. Amdahl定律
第1章-计算机系统结构(第五版)李学干【可编辑全文】
3.
1) 系列机只能在系统结构相同或相近(允许向后稍许发展) 的机器之间实现汇编语言软件的移植。 要求原来在B机器上运行的应用软件，能移植到有不同 系统结构的A机器上，根据层次结构概念，可把B机器的机器 语言看成是在A机器的机器语言级之上的一个虚拟机器语 言，在A机器上用虚拟机概念来实现B机器的指令系统，如图 1 - 6所示。
图 1-6 用模拟方法实现应用软件的移植
如果能直接用微程序去解释B机器的指令，如图1 - 7所 示，显然就会加快这一解释过程。
仿真和模拟的主要区别在于解释用的语言。仿真是用微 程序解释，其解释程序存在于控制存储器中; 而模拟是用机 器语言程序解释，其解释程序存在于主存中。
3) 不同系列间的软件移植一般是仿真和模拟并行。
TCPUICCPI1fc
假设系统共有n种指令，第i种指令的时钟周期数为 CPIi，第i种指令在程序中出现的次数为Ii，则
TCP U i n1 (CP iIIi)1 fc
这样
n
CP Ii1CIC P iIi i n1CP iIIIiC
为了反映程序的运行速度，通常引入如下一些定量指
(1) MIPS(Million Instructions Per Second，百万条指令 数每秒)
1 MFLOPS≈3 MIPS
2. 在设计计算机系统时，一般应遵循如下的定量设计原
理：
(1) 哈夫曼(Huffman)压缩原理。 (2) Amdahl定律。 性能可改进比fnew是系统性能可改进部分占用的时间与未 改进时系统总执行时间的比值，显然，0≤fnew≤1。部件加速 比rnew是系统性能可改进部分在改进后性能提高的比值。不 难看出，rnew＞1
1.1 计算机系统的层次结构 1.2 计算机系统结构、计算机组成和计算机实现 1.3 计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定量设计原理 1.4 软件、应用、器件的发展对系统结构的影响 1.5 系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类 1.6 本章小结
02325自考计算机系统结构重点提纲已排版
第一章概论第一节计算机系统的多级层次结构机器：指能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体。
翻译技术：指先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成低一级机器级上等效的程序，然后在低一级机器上实现的技术。
解释技术：指在低级机器上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条指令或指令的功能，是通过对机器语言指令程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。
固件：指一种具有软件功能的硬件。
虚拟机器：指以软件为主实现的机器。
第二节计算机系统结构、计算机组成和计算机实现系统结构：是对计算机系统中的各级界面的定义及其上下的功能分配。
透明：即如果客观存在的事物或属性从某个角度看不到，则称对它是透明的。
计算机系统结构：也称为计算机系统的体系结构（Computer Architecture），是系统结构中的一部分，它指的是层次结构中传统机器级的系统结构，是软件和硬件的交界面。
通用机计算机系统结构的属性包括：（书大纲）确定数据表示、确定寻址方式、设置寄存器组织、指令系统、存储系统组织、中断机构、机器级的管态用户态定义、I/O系统、信息保护机构计算机组成（Computer Organization）：指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机组成设计应包括：数据通路宽度、专用部件的设置、各种操作对部件的共享程度功能部件的并行度、控制机构的组成方式、缓冲和排队技术、预估预判技术、可靠性技术计算机实现：指的是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，器件、模块、插件、底板的划分等。
计算机系统结构、组成和实现的相互关系和影响：1.相同系统结构，可以采用不同的组成；2.一种组成可以有多种不同的实现方法；3.采用不同的系统结构会使可以采用的组成技术产生差异；4.组成也会影响结构，例如微程序影响机器指令。
第三节计算机系统的软、硬件取舍及定量设计原理软、硬取舍的基本原则：1.在现有硬、器件的条件下，系统要有高的性能价格比。
《计算机系统结构》课程教学大纲
《计算机系统结构》课程教学大纲一、课程基本信息课程代码:课程名称：计算机系统结构英文名称：Computer Architecture课程类别: 专业课学时：72(其中实验18学时)学分: 3.5适用对象: 计算机科学与技术、网络工程专业考核方式：考试（其中平时成绩占30%，期末考试成绩占70%）先修课程：计算机组成原理、操作系统二、课程简介本课程是计算机专业一门重要的专业基础课，对于培养学生的抽象思维能力和自顶向下、系统地分析和解决问题的能力有非常重要的作用。
其目标是使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计和分析方法，并对计算机系统结构的发展历史和现状有所了解。
通过学习本课程，能把在“计算机组成原理”等课程中所学的软、硬件知识有机地结合起来，从而建立起计算机系统的完整概念。
This course is a computer professional important foundation for the professional class, for training students in abstract thinking, and top-down, System analysis and the ability to solve problems is a very important role. The goal is to enable students to master computer system structure the basic concepts, basic principles and basic structure, basic design and analysis methods and computer system architecture and the history of the development of an understanding of the status quo. Through the study of this course, can in "Principles of Computer Organization", y the school curriculum of the software and hardware knowledge combined organic, Computer systems in order to establish the integrity of the concept.三、课程性质与教学目的《计算机系统结构》的教学对象为计算机相关专业的高年级本科生专业技术基础课程，目的是介绍计算机体系结构的概念、技术和最新动态，着重介绍软，硬件功能分配以及如何最佳、最合理地实现软、硬件功能分配。
计算机系统结构 第 1 章 基本概念
Flynn计算机分类举例
类型 SISD SIMD
计算机的型号 IBM 370，VAX 11/780，MC 680X0，INTEL 80X86
ILLIAC-IV，ICL-DAP，CRAY-1， YH-1（银河1），CYBER-205， CM-2 MIMD IBM 370/168，Cmmp,CRAY XMP,YH-2(银河2)
• 对于系统程序员，系统结构是不透明的，组成 和实现是透明的； • 对于应用程序员(一般指高级应用程序员)，系 统结构、组成和实现均是透明的
2014-3-7 19
• 例：某机主存容量为32MB ——系统结构问题 • 采用模4交叉存储方式——组成问题 • 使用1M×4位的存储芯片组装——实现问题。
• 例：某机设有乘法指令——系统结构问题 • 采用布斯乘法算法和阵列乘法器实现乘法 运算——组成问题 • 选用4位阵列乘法器芯片组装——实现问题
计算机组成
• 1.计算机组成的定义
• 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实 现。包括机器内部的数据流、控制流的 形成与逻辑设计。
• 计算机组成的内容对机器语言程序员一 般是透பைடு நூலகம்的。
2014-3-7
16
2.计算机组成的主要内容
• • • • • • • • • (1)数据通路宽度 组 (2)功能部件的设置 成 (3)系统内部并行性的确定 原 (4)各种操作对功能部件的共享程度 理 (5)可靠性技术的应用 (6)缓冲、排队、预估、预测技术的应用的 (7)存储器逻辑组织方式及速度的确定 总 (8)控制器的逻辑结构及组成方式 结 (9)功能部件的互连方式及总线结构
2014-3-7
14
2.
• • • • • • • • •
第1章 Computer Systems Architecture
单指令流单数据流(SISD)
单指令流多数据流(SIMD) 多指令流单数据流(MISD) 多指令流多数据流(MIMD)
4类计算机的基本结构
IS：指令流，DS：数据流，CS：控制流， CU：控制部件，PU：处理部件，MM和SM：存储器。
▲
改进后程序的总执行时间
1.3 定量分析技术
总执行时间改进后
＝ 不可改进部分的执行时间 ＋ 可改进部分改进后的执行时间
总执行时间改进后 ＝ (1－可改进比例)×总执行时间改进前
+ 可改进比例×总执行时间改进前 部件加速比
可改进比例 ＝ [ (1 －可改进比例) + ] ×总执行时间改进前 部件加速比
部件加速比：可改进部分改进以后性能提高的倍数。 它是改进前所需的执行时间与改进后执行时间的比。 一般情况下部件加速比是大于1的。
例如：若系统改进后，可改进部分的执行时间是2秒， 而改进前其执行时间为5秒，则部件加速比为5/2。
▲
23/77
Computer Systems Architecture
中断系统
（中断的类型和中断响应硬件的功能等）
机器工作状态的定义和切换
（如管态和目态等）
存储系统
（主存容量、程序员可用的最大存储容量等）
信息保护
（包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持）
▲ 14/77
1.2 Computer Systems Architecture
计算机系统结构的概念
进得越多，所得到的总体性能的提升就越有限。
重要推论：如果只针对整个任务的一部分进行改
进和优化，那么所获得的加速比不超过 1/（1－可改进比例）
计算机系统结构概要归纳
计算机系统结构复习第一章计算机系统结构基本概念1.1计算机系统结构计算机系统层次结构·计算机系统结构主要研究软件、硬件功能分配和对软件硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成、哪些功能由硬件完成。
·软件与硬件实现的特点：硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少。
软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多。
·计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配给硬件子系统的功能及其概念结构之后，研究各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。
·系统结构是计算机系统的软硬件界面；计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。
·计算机系统结构的分类：①Flynn分类法：指令流：机器执行的指令序列。
数据流：由指令调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。
多倍性：在系统最受限制的元件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。
按照数据流和指令流的组织方式分为：SISD、SIMD、MISD、MIMD。
②冯氏分类法：用最大并行度分类，最大并行度：计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。
分为：1、字串位串WSBS；2、字并位串WPBS；3、字串位并WSBP；4、字并位并WPBP。
③Handler分类法：根据并行度和流水线分类，把计算机的硬件结构分成三个层次：1、程序控制部件（PCU）的个数k；2、算术逻辑部件（ALU）或处理部件PE的个数d；3、每个算术逻辑部件包含基本逻辑线路（ELC）的套数w。
1.2计算机系统设计技术·计算机系统设计的定量原理：①、加快经常性时间的处理速度；②、Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。
加速比=（采用改进措施后的性能）/（没有采用改进措施性能）=（没有采用改进措施前执行某任务的时间）/（采用改进措施后某任务执行时间）。
整理计算机组成与系统结构课后答案免费版全(清华大学出版社-袁春风主编)
《计算JUNE 2021机组成与系统结构》教学大整理人尼克知识改变命运《计算机组成与系统结构》教学大纲教学大纲说明1.本课程的地位、作用和任务《计算机组成与系统结构》是计算机专业本科生的一门指定性必修课程。
通过本课程的学习让学生掌握计算机组成与系统结构的基本概念、基本原理、基本算法、基本结构和分析方法。
二、本课程的教学基本要求熟练掌握计算机的基本组成部件、部件分类及实现方法、基本算法，理解流水线的基本原理，了解超标量处理机、超级流水线处理机和超字长处理机、向量处理机、阵列处理机，最后达到对计算机的工作过程的原理非常清楚，能够分析计算机的性能。
教学内容一、课程的理论教学内容第一章计算机系统结构的基本概念教学内容:1.计算机系统层次结构2.系统结构、组成与实现的定义3.系统结构、组成与实现的三者关系4.计算机系统结构的分类5.计算机系统设计的定量原理6.计算机系统结构的评价标准6.高性能技术教学要求:1.熟练掌握内容:计算机系统层次结构，系统结构定义，计算机组成定义，计算机实现定义，系统结构、组成与实现的三者关系，透明性，Amdahl定律，CPU性能公式，局部性原理，MIPS定义，MFLOPS 定义。
2.掌握内容:系统结构分类，冯·诺依曼计算机特征。
3.了解内容:计算机系统结构的发展，价格、应用、VLSI和算法对系统结构的影响。
第二章计算机的逻辑部件教学内容：1.逻辑操作及基本公式2.化简3.逻辑门实现4.组合时序电路5.阵列逻辑电路教学要求：复习学生已学过的内容，介绍阵列逻辑，熟练掌握加法器原理，可编程阵列逻辑。
第三章运算方法与运算部件教学内容：1、数据的表示表示方法2、触发器的结构与原理3、加法器与乘法器的实现4、原码、反码、补码等各种编码方法。
教学要求：1.熟练掌握内容数据的表示表示方法，原码、反码、补码等各种编码方法。
2、掌握内容:触发器的结构与原理，加法器与乘法器的实现。
第四章存储系统教学内容:1 存储系统原理2 交叉访问存储器3 Cache 存储器4 虚拟存储器教学要求:1.熟练掌握内容:存储系统的定义,存储系统的性能参数, 地址映象与变换方法, 替换算法, Cache 存储器工作原理,虚拟存储器工作原理。
计算机体系结构量化研究方法
计算机体系结构量化研究方法计算机体系结构是计算机科学中一个重要的领域，它研究的是计算机系统的结构和功能，以及它们之间的相互关系。
在计算机体系结构的研究中，量化研究方法起着至关重要的作用。
本文将介绍计算机体系结构量化研究方法的一些基本原理和应用。
首先，量化研究方法是指通过数学和统计的手段来对计算机体系结构进行分析和评估。
它可以帮助我们更准确地理解计算机系统的性能、可靠性和可扩展性等特征。
量化研究方法通常涉及到数据采集、建模和分析等过程，它可以帮助我们从定量的角度去认识计算机体系结构的各种特性。
在计算机体系结构的量化研究中，数据采集是非常重要的一步。
我们需要通过实验或者模拟的方式来获取计算机系统的各种性能数据，比如处理器的时钟频率、内存的带宽、硬盘的读写速度等。
这些数据将成为我们后续分析的基础，因此数据采集的准确性和全面性对于研究结果的可靠性至关重要。
建模是量化研究方法中的另一个重要环节。
通过建立数学模型，我们可以更好地描述和理解计算机体系结构的各种特性。
比如，我们可以用队列论来建立一个处理器的性能模型，用以描述处理器的吞吐量和响应时间。
建模过程需要考虑到实际系统的复杂性和不确定性，因此需要运用到多种数学和统计工具来进行分析和求解。
最后，分析是量化研究方法中的关键一环。
通过对采集到的数据进行统计分析和模型求解，我们可以得出对计算机体系结构性能的定量评估。
比如，我们可以通过模拟来评估一个新的缓存替换算法对系统性能的影响，或者通过实验来评估一个新的处理器架构的性能优劣。
这些分析结果将为我们提供重要的决策依据，比如在系统设计中选择合适的硬件配置和优化策略。
综上所述，计算机体系结构的量化研究方法是一个复杂而又重要的领域。
通过数据采集、建模和分析等过程，我们可以更准确地理解和评估计算机系统的各种特性。
在未来的研究中，我们还需要不断地改进和完善量化研究方法，以应对日益复杂和多样化的计算机体系结构。
希望本文可以为相关领域的研究者提供一些参考和启发，共同推动计算机体系结构的发展和进步。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
系统结构报告
班级：计102
学号：1013022051 姓名：陶跃雷
指导老师：管致锦
计算机科学与技术学院
报告（一）
计算机系统设计的定量原理
1.以经常性事件为重点
这是计算机设计中最重要、使用最广泛的设计原则。
在计算机系统的设计中，经常需要在多种不同的方法之间进行折中，这时应按照对经常发生的情况采用优化方法的原则进行选择，因为这样能得到更多的总体上的改进。
2.Amdahl定律
Amdahl定律指出：加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。
Amdahl定律可用来计算当时对计算机系统中的某个部分进行后系统总体性能可获得多大的提高。
系统加速比=系统性能(改进后)/系统性能（改进前）
=总执行时间（改进前）/总执行时间（改进后）
总执行时间（改进后）=可改进比列X总执行时间（改进前）/[部件加速比+（1-可改进比
例）X总执行时间（改进前）]
=总执行时间（改进前）X[(1-可改进比例)+可改进比例/部件减速比] 系统加速比=总执行时间（改进前）/总执行时间（改进后）
=1/[（1-可改进比例）+改进比例/部件加速比]
3.CUP性能测试
CPU的性能取决于三个参数：
（1）时钟周期时间：取决于硬件实现技术和计算机组成。
（2）CPI（每条指令的平均时钟周期数）：取决于计算机组成和指令集结构。
（3）IC：取决于指令集结构和编译技术。
执行一个程序所需的CUP时间可以这样计算
CUP=执行程序所需的时钟周期数X时钟周期时间
CPI=执行程序所需的时钟周期数/所执行的指令条数
则CUP时间=IC X CPI X 时钟周期时间
4.程序的局部性能原理
（1）程序执行时锁访问的存储器地址分布不是随机的，而是相对地簇聚
（2）局部性包括时间局部性和空间局部性。
时间局部性是指，程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息；程序的空间局部性是指，下程序即将用到的信息
在空间上相邻或者临近
课后习题
1.7将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统
运行时间的40%,则采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高多少
解：
系统加速比=1/((1-0.4)+0.4/10)=1.5625
1.8计算机系统中有3个部件可以改进，这3个部件的部件加速比为：
部件1加速比=30；部件2加速比=20；部件3加速比=10
（1）如果部件1和部件2的可改进比例均为30%，那么当部件3的可改进比例为多少时，系统加速比才可以达到10？
（2）如果3个部件的可改进比例分别为别为30%、30%和20%,且3个部件同时改进，那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？
解：
（1）设部件3的可改进比例为x时，系统加速比才可以达到10
则1/((1-0.3-0.3-x)+(0.3/30+0.3/20+x/10)=10
X=36.1%
(2)设原执行时间为1
总执行时间（改进后）=1X[(1-0.3-0.3-0.2)+(0.3/30+0.3/20+0.2/10)]=0.245
那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是:
0.2/0.245=81.6%
1.9假设某应用程序中有4类操作，通过改进，各操作获得了不同的性能提高。
具体
数据如下表所示
（1）改进后，各类操作的加速比分别是多少？
（2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？
（3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？
解：（1）操作1的改进后的加速比=2/1=2
操作2的改进后的加速比=20/15=1.33
操作3的改进后的加速比=10/3=3.33
操作4的改进后的加速比=4/1=4
（2）单独改进操作1时程序获得的加速比=1/[(1-0.1)+0.1/2]=1.05 单独改进操作2时程序获得的加速比=1/[(1-0.3)+0.3/1.33]=1.08
单独改进操作3时程序获得的加速比=1/[(1-0.35)+0.35/3.33]=1.32
单独改进操作4时程序获得的加速比=1/[(1-0.15)+0.15/4]=1.12
（3）4类操作均改进后，整个程序的加速比
1/[0.1+(0.1/2+0.3/1.33+0.35/3.33+0.15/4)]=1.85
报告（二）
我的笔记本性能测试及各方面参数
超锐V100A在硬件配置经过了深思熟虑。
首先在处理器并没有一味的追求高端，而是选用了性价比更高的英特尔酷睿双核T2050处理器。
对于繁重的商务活动，T2050处理器完全能够轻松应对。
超锐V100A将更多的精力放在对超锐V100A 多媒体功能上的投入上。
NVIDIA GeForce Go 7300独立显卡，让超锐V100A 在娱乐性能方面相对于传统商务机型有着大幅度的提升。
CPU-Z截图——CPU信息
CPU-Z截图——芯片组信息CPU-Z截图——内存信息
CPU-Z截图——SPD信息
超锐V100A旅行重量为2.78千克。
考虑到这是一款14英寸宽屏产品，此重量相信能被大多数消费者所接受。
测试得分：
在性能测试中，我们选用测试软件包括：PCMark05检测机器整体性能；测试显示性能部分采用3DMark2003、3DMark2005来测试其3D性能；电池测试软件MobileMark2005。
清华同方超锐V100A测试成绩如下：。