計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論 課件 第6章 系統(tǒng)思維

第6章系統(tǒng)思維

馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)01

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)02系統(tǒng)思維要素03本章目錄01馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)01馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)組成01馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)控制器（Controler）統(tǒng)一指揮并控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作運(yùn)算器（ALU，ArithmeticLogicUnit）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。存儲(chǔ)器（Memory）存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)輸入設(shè)備（OutputUnit）輸出設(shè)備（InputUnit）CPU采用二進(jìn)制存儲(chǔ)程序并順序執(zhí)行：程序和數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)在內(nèi)存中

五個(gè)部分：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備

01馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備輸出設(shè)備程序&指令數(shù)據(jù)機(jī)器指令--是CPU可以直接分析并執(zhí)行的指令，一般由0和1的編碼表示。指令

操作碼+地址碼01馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)二、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)工作原理輸入設(shè)備輸出設(shè)備程序&指令數(shù)據(jù)0000000000000000000001000000100001馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)一條指令占用一個(gè)或多個(gè)機(jī)器周期02計(jì)算機(jī)系統(tǒng)02計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主板1、中央處理器02計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2、存儲(chǔ)器內(nèi)存條硬盤磁盤容量為：硬盤容量＝磁頭數(shù)×柱面數(shù)×扇區(qū)數(shù)×字節(jié)數(shù)/扇區(qū)硬盤

與移動(dòng)硬盤U盤

與軟盤光盤

與磁帶ROMRAM02計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3、輸入/輸出設(shè)備02計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件工具軟件語言處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)政務(wù)軟件娛樂軟件學(xué)習(xí)軟件03系統(tǒng)思維要素03系統(tǒng)思維要素1、抽象化畢加索畫牛的抽象過程抽象的表現(xiàn)最簡(jiǎn)單省力，也最復(fù)雜費(fèi)力。抽象體現(xiàn)的是人為的主觀意識(shí)。03抽象是對(duì)事物進(jìn)行人為處理，抽取關(guān)心的、共同的、本質(zhì)特征的屬性，并描述這些特征屬性。（抓住事物本質(zhì)）將信息抽象為二進(jìn)制數(shù)字形式文件是對(duì)I/O設(shè)備的抽象；虛擬內(nèi)存是對(duì)主存和磁盤的抽象；進(jìn)程是處理器、主存和I/O設(shè)備的抽象。操作系統(tǒng)是對(duì)文件+虛擬存儲(chǔ)+進(jìn)程的抽象虛擬機(jī)是軟件+硬件的抽象將數(shù)據(jù)之間的關(guān)系抽象為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；將旅行商問題抽象象為“圖論”問題；將解決問題的步驟抽象為算法；將集成電路的設(shè)計(jì)抽象為布爾邏輯運(yùn)算等。系統(tǒng)思維要素032、抽象的性質(zhì)有限性：每個(gè)抽象僅僅考慮一個(gè)層次的有限的特有問題，忽略其他層次，忽略同一層次的其他問題精確性：抽象化的產(chǎn)物是一個(gè)計(jì)算抽象，語義精確、格式規(guī)范的計(jì)算概念，沒有歧義通用性（泛化性）：一個(gè)通用抽象代表多個(gè)具體需求

“用數(shù)字符號(hào)表示世界上各種語言字符”問題

忽略了字體（是宋體、隸書還是黑體）、大?。ㄊ切∥暹€是四號(hào)字體）、如何對(duì)齊、如何具體顯示打印等等問題“中”“國”對(duì)應(yīng)于0x4E2D和0x56FD，格式規(guī)范，每個(gè)字符存放在相鄰兩個(gè)字節(jié)中不針對(duì)某個(gè)計(jì)算機(jī)、某個(gè)軟件、或某個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景

不論何時(shí)何地，不管是什么電腦、使用什么操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件、處于何種應(yīng)用場(chǎng)景，用統(tǒng)一的方法解決問題可以觸類旁通、用于其他實(shí)例只對(duì)某個(gè)實(shí)例有效的抽象，不是好的抽象系統(tǒng)思維要素032、模塊化模塊化：系統(tǒng)由多個(gè)模塊組合而成計(jì)算機(jī)=硬件+系統(tǒng)軟件+應(yīng)用軟件硬件=處理器+存儲(chǔ)器+輸入輸出（I/O）設(shè)備處理器=運(yùn)算器+控制器+寄存器+數(shù)據(jù)通路+………最終到達(dá)計(jì)算機(jī)的基本操作系統(tǒng)架構(gòu)問題系統(tǒng)由哪些模塊組成這些模塊如何連接，有什么接口？計(jì)算過程在系統(tǒng)中如何執(zhí)行？系統(tǒng)思維要素03模塊化特征系統(tǒng)思維要素（1）相對(duì)獨(dú)立性。通過對(duì)模塊單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，模塊間的關(guān)聯(lián)性盡可能簡(jiǎn)單，力求以少量的模塊組成盡可能多的產(chǎn)品。（2）信息隱藏性。通過定義模塊的接口，將外界調(diào)用模塊所需要的信息放在模塊接口處，將外界調(diào)用模塊不需要的信息放在模塊內(nèi)部隱藏起來。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改時(shí)，只涉及單獨(dú)模塊內(nèi)部的修改，而不修改這個(gè)系統(tǒng)，確保模塊修改后的負(fù)面效應(yīng)最小化，保證系統(tǒng)性能穩(wěn)定。（3）通用性。通用性有利于實(shí)現(xiàn)橫系列、縱系列產(chǎn)品間的模塊的通用，實(shí)現(xiàn)跨系列產(chǎn)品間的模塊的通用，最大限度滿足不同用戶的需求。03接口：邏輯值+邏輯操作

電壓值+晶體管操作門電路圖與布爾表達(dá)式完全等價(jià)！電子電路兩個(gè)與非門級(jí)聯(lián)而成的組合電路三種表達(dá)方式：邏輯門電路圖、布爾表達(dá)式、兩個(gè)與非門級(jí)聯(lián)而成電子電路

抽象不同，暴露的信息不同系統(tǒng)思維要素如何實(shí)現(xiàn)信息隱藏的？02加法器全加器XYZCinCoutZ=X⊕Y⊕CinCout=(X·Y)+((X⊕Y)·Cin)11+9=20

1011+1001=10100CinXYZCout0000000110010100110110010101011100111111系統(tǒng)思維要素02全加器X3Y3Z3C4全加器X2Y2Z2全加器X1Y1Z1全加器X0Y0Z0C0系統(tǒng)思維要素03系統(tǒng)思維要素03無縫銜接---用戶體驗(yàn)流暢心理學(xué)準(zhǔn)則：用戶體驗(yàn)到無縫智能

響應(yīng)延遲<0.12秒前三者主要應(yīng)對(duì)縫隙問題，后者主要應(yīng)對(duì)瓶頸問題。它們合起來使得計(jì)算步驟可以級(jí)聯(lián)起來，無縫流暢地實(shí)現(xiàn)計(jì)算過程。計(jì)算過程刻畫：一個(gè)計(jì)算過程是有限個(gè)計(jì)算步驟的執(zhí)行序列，兩個(gè)相鄰的步驟之間需要無縫過渡，沒有縫隙和瓶頸，從一步驟到下一個(gè)步驟自動(dòng)流暢地執(zhí)行。四條原理：周期原理波斯特爾健壯性原理馮諾依曼窮舉原理阿姆達(dá)爾定律。系統(tǒng)思維要素03周期原理漢代揚(yáng)雄所著的《太玄經(jīng)》----“陽氣周神而反乎始，物繼其匯”揚(yáng)雄周期原理體現(xiàn)組合性（composability）方法

執(zhí)行完一個(gè)XX周期，周而復(fù)始執(zhí)行下一個(gè)XX周期

計(jì)算過程由程序周期組合而成程序周期由指令周期組合而成指令周期由時(shí)鐘周期組合而成

一個(gè)時(shí)鐘周期的操作對(duì)應(yīng)于一個(gè)自動(dòng)機(jī)的變換每條指令的執(zhí)行都包含四個(gè)操作階段（stage）取指操作：IRM(PC)譯碼操作：Signals=Decode(IR)執(zhí)行操作：ResultOp,或AddressOp寫回操作：RF(i)Result,RF(i)M(Address)或M(Address)RF(i)執(zhí)行的同時(shí)，PCPC+1；周而復(fù)始揚(yáng)雄周期原理實(shí)例：指令流水線系統(tǒng)思維要素03指令4指令3指令2指令1取指譯碼執(zhí)行寫回時(shí)鐘0時(shí)鐘1時(shí)鐘2時(shí)鐘3時(shí)鐘4時(shí)鐘5指令1指令5指令4指令3指令2取指譯碼執(zhí)行寫回指令2指令1指令6指令5指令4指令3取指譯碼執(zhí)行寫回指令3指令2指令1指令7指令6指令5指令4取指譯碼執(zhí)行寫回指令4指令3指令2指令1指令8指令7指令6指令5取指譯碼執(zhí)行寫回指令5指令4指令3指令2指令9指令8指令7指令6取指譯碼執(zhí)行寫回流水線延時(shí)=1納秒，處理器主頻=4GHz

假設(shè)數(shù)據(jù)和指令都在緩存中，速度是4GOPS（或4GFLOPS）系統(tǒng)思維要素03波斯特爾健壯性原理-寬進(jìn)嚴(yán)出原理避免誤差、漂移、錯(cuò)誤的積累；請(qǐng)求不會(huì)被“彈回去”寬進(jìn)：晶體管的輸入電壓>1.5伏（而不是>0.7伏）時(shí)，對(duì)應(yīng)邏輯1；輸入電壓<0.5伏（而不是<0.7伏）時(shí)，對(duì)應(yīng)邏輯0

高電平在1.5伏~2伏之間漂移，低電平在0.5伏~0伏之間漂移。輸入端允許大約0.5伏的漂移。嚴(yán)出：對(duì)應(yīng)邏輯1，晶體管的輸出電壓>1.9伏（而不是>0.7伏）；對(duì)應(yīng)邏輯0，輸出電壓<0.1伏（而不是<0.7伏）。

高電平在1.9伏~2伏之間漂移，低電平在0.1伏~0伏之間漂移。輸出端僅允許小于0.1伏的漂移?；ヂ?lián)網(wǎng)先驅(qū)喬恩·波斯特爾(JonPostel)1980，RFC761提出的系統(tǒng)思維要素03馮·諾依曼窮舉原理

要使計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行程序，必須事先給計(jì)算機(jī)全面的指示，絕對(duì)窮舉所有細(xì)節(jié)，使得計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)處理所有情況，執(zhí)行過程中不需要人工干預(yù)。FirstDraftofaReportontheEDVAC程序的指令程序的輸入數(shù)據(jù)程序需要的函數(shù)等計(jì)算機(jī)開機(jī)后執(zhí)行的第一條指令計(jì)算機(jī)正常執(zhí)行程序時(shí)下一條指令是什么執(zhí)行程序出現(xiàn)哪些異常，如何處理系統(tǒng)思維要素03馮諾依曼窮舉原理

x86計(jì)算機(jī)開機(jī)后執(zhí)行的第一條指令地址

0xFFFFFFF0:內(nèi)容是一條跳轉(zhuǎn)指令JUMP000F0000

地址000F0000:內(nèi)容最底層的一個(gè)系統(tǒng)軟件（稱為BIOS，即BasicInput-OutputSystem）的第一條指令，稱為BIOS入口地址龍芯計(jì)算機(jī)開機(jī)后執(zhí)行的第一條指令地址

FFFFFFFFBFC00000：內(nèi)容是一條特殊的賦值指令，將處理器的狀態(tài)寄存器復(fù)位（置為零，清零）。第一條指令地址是由處理器硬件規(guī)定的，而不是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件決定的。第一條指令的地址一般位于地址空間的高段，即比較接近1地址FFFFFFFF，而不是接近全0的地址00000000一般而言，第一條指令是跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到最底層系統(tǒng)軟件的入口地址。龍芯處理器執(zhí)行的第一條指令是初始化處理器的狀態(tài)寄存器，保證在開始執(zhí)行最底層系統(tǒng)軟件時(shí)，處理器處于良好的狀態(tài)，而不是任意狀態(tài)。節(jié)省用于狀態(tài)寄存器維護(hù)良好初始狀態(tài)所需的硬件，符合精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī)原理。系統(tǒng)思維要素03阿姆達(dá)爾（Amdahl）定律IBM公司計(jì)算機(jī)架構(gòu)師吉恩·阿姆達(dá)爾在1967年提出的。

---系統(tǒng)性能改進(jìn)受限于系統(tǒng)瓶頸部分一個(gè)程序可以被分割為兩部分不可并行部分B，可并行部分1–B串行執(zhí)行總時(shí)間T(1)并行因子為2T(2)并行因子為3T(3)可并行化部分：使用更多硬件（更多線程或CPU）運(yùn)行。不可并行化的部分，通過優(yōu)化代碼來達(dá)到提速的目的。系統(tǒng)思維要素03阿姆達(dá)爾（Amdahl）定律根據(jù)阿姆達(dá)爾定律，當(dāng)一個(gè)程序的可并行部分使用N個(gè)線程或CPU執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行的總時(shí)間為：T(N)=B+(1–B)/N推論：定義加速比（Speedup）：S(N)=改進(jìn)前任務(wù)耗時(shí)/改進(jìn)后任務(wù)耗時(shí)=1/B+(1–B)/N=1