1.1計算機的分類和其特性

計算機通常分為三類：個人計算機 伺服器 嵌入式計算機

個人計算機：給單個使用者提供服務

伺服器：給多個使用者執行大型程式提供服務

嵌入式計算機：嵌入到其它裝置中的計算機 執行已經預定的一個或者一組程式

1.2後PC時代

個人移動裝置PMD ： 智慧手機 平板電腦等

1.3

在20世界六七十年代 限制計算機效能的主要是記憶體

多核微處理器：在一個積體電路上面有多個核的微處理器

一個程式的效能主要取決於：1.演算法 2.編譯程式 3.計算機執行的機器指令的有效性

2 計算機系統結構的八個偉大思想

2.1 面向摩爾定律的設計

摩爾定律 每隔18-24個月 積體電路上的晶片數目將翻一番

2.2 使用抽象化設計

上層只能看到下層的抽象模型 而看不到細節

2.3 並行

計算機並行操作

2.4 流水線

並行的一種特例

2.5 預測

在預測錯誤的情況下代價不大且預測準確率較高的情況下采用預測

2.6 儲存器層次

小而快的再上 大而慢的在下

2.7 使用冗餘

新增冗餘部件 提高系統的可靠性

2.8 加速大概率事件

加速大概率事件遠比優化小概率事件效果大

3 程式概念入門

應用軟體 系統軟體 硬體

系統軟體最重要的是：作業系統 和 編譯程式

作業系統：使用者軟體和硬體之間的介面 為使用者提供各種服務和監控功能

作業系統的主要作用：處理簡單的輸入和輸出 分配記憶體和外存 為多個應用程式提供共享計算機資源的服務

作業系統：為了使程式更好的在計算機上允兒而管理計算機資源的監控程式

編譯程式：將高階語言編譯成計算機可以理解並服從的機器語言的程式

4 硬體概念入門

5大經典部件：輸入 輸出 儲存器 運算器 控制器

運算器和控制器並稱 處理器（CPU）

處理器從儲存器獲取指令和資料

輸入將資料傳入儲存器 輸出從儲存器中取資料

控制器向資料通路 儲存器 輸入 輸出部件傳送指令訊號

任何一臺計算機的基礎硬體都要完成：輸入資料 輸出資料 處理資料 儲存資料

積體電路：也叫晶片 一種將幾十個乃至幾百萬個電晶體連線起來的裝置

中央處理單元（Central process unit）： CPU 也叫作處理器 包括了資料通路（運算器）和控制器

資料通路：處理器中負責邏輯運算的部分

控制器：處理器中根據程式指令指揮資料通路 儲存器 和I/O裝置的部分

DRAM：dynamic random access memory 動態隨機訪問儲存器

記憶體：由多個DRAM拼合而成 用於儲存執行中的程式 和 執行中的程式所需要的資料

處理器（cpu）的內部採用另外一種儲存裝置：快取（cache）

快取：SRAM技術 比DRAM更快但是整合度更低 靜態隨機訪問儲存器

快取小而快作為記憶體的緩衝

指令集體系結構：也叫作體系結構 是低層次軟體和硬體建的抽象介面 包含了需要編寫正確執行的機器語言所需要的全部資訊 包含指令 暫存器 儲存訪問 和 I/O

應用二進位制介面：使用者部分的指令加上應用程式設計師呼叫的作業系統介面，定義了二進位制層次可移植的計算機標準

易失性儲存：DRAM 僅在加電時候儲存資料

非易失性儲存：在啊掉電視仍可以儲存資料的儲存器

易失性儲存也叫作主存 非易失性儲存器叫做二級儲存器

二級儲存器形成了儲存器層次下面更低的層次

磁碟：也叫硬碟(hard disk) 用來儲存資料的非易失性儲存器

快閃記憶體：非易失性半導體記憶體 價格 效能均介於DRAM與硬碟之間

5 處理器與儲存器的製造技術

電晶體：一種由電訊號控制的簡單開關

超大規模積體電路：由數十萬到數百萬的電晶體組成的電路

6 效能

響應時間：也叫作執行時間 是計算機完成某任務所需的總時間 包括硬碟訪問 記憶體訪問 IO活動 作業系統開銷和CPU執行時間

吞吐率：也叫作頻寬 表示了 單位時間內完成的任務數量

凡是影響響應時間的都會影響吞吐率 而在任務量過大，處理速率慢而導致排隊的情況下 吞吐率會影響響應時間

效能最大化：響應時間最小化 效能 = 1/ 響應時間

6.2 效能的度量

CPU執行時間：簡稱CPU時間 執行某一任務而在CPU上花費的時間

CPU執行時間又包括了：使用者CPU時間 系統CPU時間

使用者CPU時間：在程式本身所花費的CPU時間

系統CPU時間：為執行程式而花費在作業系統上的CPU時間

系統性能：空載系統的響應時間

CPU效能：表示使用者的CPU事件

計算機都採用時鐘來驅動硬體中發生各種事情

時鐘的間隔時間被稱為時鐘週期，時鐘週期的倒數就是時鐘頻率，時鐘週期通常為常數

時鐘長度：每個時鐘週期持續的時間長度

6.3 CPU效能及其影響因素

一個程式的CPU執行時間 = 一個程式的CPU時鐘週期數 * 時鐘週期時間

6.4 指令的效能

每條指令需要的時鐘週期數的平均值 被稱為 CPI

CPU時鐘週期數 = 指令數 * CPI

一個程式的CPU執行時間 = 一個程式的指令數 * CPI * 時鐘週期時間

10 謬誤與陷阱

MIPS 百萬條指令執行所需時間 MIPS表示的執行速度

MIPS = 指令數 / （執行時間 * pow(10,6) ）

MIPS = 指令數 / (指令數 * CPI * 時鐘週期 * pow(10,6)) = 時鐘頻率 / （CPI * POW(10，6)）