第6章系統(tǒng)思維

馮·諾依曼體系結構01

計算機系統(tǒng)02系統(tǒng)思維要素03本章目錄01馮·諾依曼體系結構01馮·諾依曼體系結構一、結構組成01馮·諾依曼體系結構控制器（Controler）統(tǒng)一指揮并控制計算機各部件協(xié)調工作運算器（ALU，ArithmeticLogicUnit）對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯運算。存儲器（Memory）存儲程序和數(shù)據(jù)輸入設備（OutputUnit）輸出設備（InputUnit）CPU采用二進制存儲程序并順序執(zhí)行：程序和數(shù)據(jù)一起存儲在內存中

五個部分：運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備

01馮·諾依曼體系結構輸入設備輸出設備程序&指令數(shù)據(jù)機器指令--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·諾依曼體系結構二、馮·諾依曼計算機工作原理輸入設備輸出設備程序&指令數(shù)據(jù)0000000000000000000001000000100001馮·諾依曼體系結構一條指令占用一個或多個機器周期02計算機系統(tǒng)02計算機系統(tǒng)主板1、中央處理器02計算機系統(tǒng)2、存儲器內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

與移動硬盤U盤

與軟盤光盤

與磁帶ROMRAM02計算機系統(tǒng)3、輸入/輸出設備02計算機系統(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)應用軟件工具軟件語言處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)政務軟件娛樂軟件學習軟件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)最簡單省力，也最復雜費力。抽象體現(xiàn)的是人為的主觀意識。03抽象是對事物進行人為處理，抽取關心的、共同的、本質特征的屬性，并描述這些特征屬性。（抓住事物本質）將信息抽象為二進制數(shù)字形式文件是對I/O設備的抽象；虛擬內存是對主存和磁盤的抽象；進程是處理器、主存和I/O設備的抽象。操作系統(tǒng)是對文件+虛擬存儲+進程的抽象虛擬機是軟件+硬件的抽象將數(shù)據(jù)之間的關系抽象為數(shù)據(jù)結構；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；將集成電路的設計抽象為布爾邏輯運算等。系統(tǒng)思維要素032、抽象的性質有限性：每個抽象僅僅考慮一個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：抽象化的產物是一個計算抽象，語義精確、格式規(guī)范的計算概念，沒有歧義通用性（泛化性）：一個通用抽象代表多個具體需求

“用數(shù)字符號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）、大小（是小五還是四號字體）、如何對齊、如何具體顯示打印等等問題“中”“國”對應于0x4E2D和0x56FD，格式規(guī)范，每個字符存放在相鄰兩個字節(jié)中不針對某個計算機、某個軟件、或某個應用場景

不論何時何地，不管是什么電腦、使用什么操作系統(tǒng)和應用軟件、處于何種應用場景，用統(tǒng)一的方法解決問題可以觸類旁通、用于其他實例只對某個實例有效的抽象，不是好的抽象系統(tǒng)思維要素032、模塊化模塊化：系統(tǒng)由多個模塊組合而成計算機=硬件+系統(tǒng)軟件+應用軟件硬件=處理器+存儲器+輸入輸出（I/O）設備處理器=運算器+控制器+寄存器+數(shù)據(jù)通路+………最終到達計算機的基本操作系統(tǒng)架構問題系統(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）相對獨立性。通過對模塊單獨進行設計，模塊間的關聯(lián)性盡可能簡單，力求以少量的模塊組成盡可能多的產品。（2）信息隱藏性。通過定義模塊的接口，將外界調用模塊所需要的信息放在模塊接口處，將外界調用模塊不需要的信息放在模塊內部隱藏起來。對系統(tǒng)進行修改時，只涉及單獨模塊內部的修改，而不修改這個系統(tǒng)，確保模塊修改后的負面效應最小化，保證系統(tǒng)性能穩(wěn)定。（3）通用性。通用性有利于實現(xiàn)橫系列、縱系列產品間的模塊的通用，實現(xiàn)跨系列產品間的模塊的通用，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式完全等價！電子電路兩個與非門級聯(lián)而成的組合電路三種表達方式：邏輯門電路圖、布爾表達式、兩個與非門級聯(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---用戶體驗流暢心理學準則：用戶體驗到無縫智能

響應延遲<0.12秒前三者主要應對縫隙問題，后者主要應對瓶頸問題。它們合起來使得計算步驟可以級聯(lián)起來，無縫流暢地實現(xiàn)計算過程。計算過程刻畫：一個計算過程是有限個計算步驟的執(zhí)行序列，兩個相鄰的步驟之間需要無縫過渡，沒有縫隙和瓶頸，從一步驟到下一個步驟自動流暢地執(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爾定律。系統(tǒng)思維要素03周期原理漢代揚雄所著的《太玄經》----“陽氣周神而反乎始，物繼其匯”揚雄周期原理體現(xiàn)組合性（composability）方法

執(zhí)行完一個XX周期，周而復始執(zhí)行下一個XX周期

計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鐘周期組合而成

一個時鐘周期的操作對應于一個自動機的變換每條指令的執(zhí)行都包含四個操作階段（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，PCPC+1；周而復始揚雄周期原理實例：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)行寫回時鐘0時鐘1時鐘2時鐘3時鐘4時鐘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=1納秒，處理器主頻=4GHz

假設數(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-寬進嚴出原理避免誤差、漂移、錯誤的積累；請求不會被“彈回去”寬進：晶體管的輸入電壓>1.5伏（而不是>0.7伏）時，對應邏輯1；輸入電壓<0.5伏（而不是<0.7伏）時，對應邏輯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。嚴出：對應邏輯1，晶體管的輸出電壓>1.9伏（而不是>0.7伏）；對應邏輯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)網先驅喬恩·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

要使計算機自動執(zhí)行程序，必須事先給計算機全面的指示，絕對窮舉所有細節(jié)，使得計算機能夠自動處理所有情況，執(zhí)行過程中不需要人工干預。FirstDraftofaReportontheEDVAC程序的指令程序的輸入數(shù)據(jù)程序需要的函數(shù)等計算機開機后執(zhí)行的第一條指令計算機正常執(zhí)行程序時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計算機開機后執(zhí)行的第一條指令地址

0xFFFFFFF0:內容是一條跳轉指令JUMP000F0000

地址000F0000:內容最底層的一個系統(tǒng)軟件（稱為BIOS，即BasicInput-OutputSystem）的第一條指令，稱為BIOS入口地址龍芯計算機開機后執(zhí)行的第一條指令地址

FFFFFFFFBFC00000：內容是一條特殊的賦值指令，將處理器的狀態(tài)寄存器復位（置為零，清零）。第一條指令地址是由處理器硬件規(guī)定的，而不是由計算機系統(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，第一條指令是跳轉指令，跳轉到最底層系統(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，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)寄存器維護良好初始狀態(tài)所需的硬件，符合精簡指令計算機原理。系統(tǒng)思維要素03阿姆達爾（Amdahl）定律IBM公司計算機架構師吉恩·阿姆達爾在1967年提出的。

---系統(tǒng)性能改進受限于系統(tǒng)瓶頸部分一個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）運行。不可并行化的部分，通過優(yōu)化代碼來達到提速的目的。系統(tǒng)思維要素03阿姆達爾（Amdahl）定律根據(jù)阿姆達爾定律，當一個程序的可并行部分使用N個線程或CPU執(zhí)行時，執(zhí)行的總時間為：T(N)=B+(1–B)/N推論：定義加速比（Speedup）：S(N)=改進前任務耗時/改進后任務耗時=1/B+(1–B)/N=1