计算机系统基础导读

本专题记录计算机系统的学习笔记，主要参考袁春风老师的计算机系统基础 ¹。

内容主要按照以下三个部分展开：

计算机的工作原理¶

曾经，冯·诺依曼认为计算机应该由五个部分组成，相互协作完成任务。如下图所示：

即：

现在，计算机结构模型是这样的：

其中：

计算机的层次结构如下图所示：

计算机系统由硬件和软件两部分构成，其中硬件性能在整体性能中起决定性作用。衡量计算机硬件性能的主要指标有两种：

以文件备份为例：

因此，吞吐率和响应时间适用于不同的应用场景：

在不考虑应用背景的情况下，计算机性能通常也可以通过「程序的执行时间」来衡量。下图展示了程序的执行时间组成（用户实际感受到的部分）：

其中，我们主要关注用户 CPU 时间。其计算依赖三个关键量：

由此可得用户 CPU 时间的计算公式：

\[ \text{用户 CPU 时间} = \text{程序总时钟周期数} \times \text{时钟周期} = \frac{\text{程序总时钟周期数}}{\text{时钟频率}} \]

由公式可见：用户 CPU 时间与计算机性能成反比。此外，时钟周期、时钟频率与 CPI 三者相互制约，无法单独提升某一个指标而不影响整体性能。

Amdahl 定律用于描述系统局部改进对整体性能的影响。如果系统中某部分被加速，其带来的总体性能提升取决于该部分「在原系统中所占时间比例」及「改进倍数」。其公式如下：

\[ \text{改进后的执行时间} = \frac{\text{改进部分原本占用的时间}}{\text{改进倍数}} + \text{剩余部分占用的时间} \]

由此可得整体性能提升倍数：

\[ \text{整体改进倍数} = \left(\frac{\text{改进部分时间比例}}{\text{改进倍数}} + \text{剩余部分时间比例}\right)^{-1} \]

Amdahl 定律揭示：即使对某部分性能大幅提升，若该部分占总体时间比例较小，整体性能改善仍有限。因此，优化系统性能时应优先改进占用时间较多的关键部分。