總述：這是一套做質量評估的參考樣例，本例是以計算機系統的質量和性能評估。
1.計算機系統的層次結構
答：計算機系統性能評價的目的主要有三個：選擇、改進、設計。系統性能取決於多種因素，最基本的因素在於系統配置和系統負載。性能評價的主要任務是研究系統配置、系統負載、性能指標之間的相互關係。
計算機系統是一個硬件和軟件的綜合體，可以看做爲按功能劃分的多級層次結構，主要包括：硬聯邏輯級、微程序級、傳統機器級、操作系統級、彙編語言級、高級語言級、應用語言級。計算機的硬件組成主要有控制器、運算器、主存儲器、輔助存儲器、輸入設備、輸出設備。計算機的軟件組成分爲系統軟件和應用軟件，系統軟件主要有操作系統、語言處理程序、服務性程序、數據庫管理系統、計算機網絡軟件。
2.存儲器系統
答：傳統存儲器系統分爲高速緩衝存儲器、主存、輔存三級，主存可以由cpu直接訪問，高速緩衝存儲器是主存和輔存之間的內容交換的場所，輔存是計算機的輔助存儲設備。存儲器中常用的數據存取方式有順序存取、直接存取、隨機存取、相聯存取等四種。存儲器系統的性能主要由存取時間、存儲器帶寬、存儲器週期、數據傳輸率等指標進行評價。
主存儲器是存儲計算機運行期間需要的程序和數據，cpu可以直接進行隨機讀寫的區域，也表示主存區域。主存分爲隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。輔助存儲器用於存放當前不需要立即使用的信息，當需要時再成批與主機交換數據，是主機的外部設備，也表示外存區域。外存的存儲器有磁帶存儲器、硬盤存儲器、磁盤陣列、光盤存儲器。Cache存儲器是提高cpu數據輸入輸出速率的解決方案，是主存和外存之間交換數據的關鍵場所。Cache通常採用相聯存儲器（CAM），CAM是一種基於數據內容進行訪問的存儲設備。Cache改善視同性能依據的是程序的局部性原理，主要體現在時間局部性和空間局部性，時間局部性表現爲一個存儲單元被訪問則很有可能再次被訪問，空間局部性表現在一個單元被訪問則其相鄰單元也可能很快被訪問。Cache的命中率越高則系統性能改善的越好。Cache的映射機制主要有直接映射、全相聯映射、組相聯映射。Cache上內容替換的算法有隨機算法、先進先出、近期最少使用。
網絡存儲技術有三種：直接附加存儲DAS、網絡附加存儲NAS、存儲區域網絡SAN。虛擬存儲是把多個存儲介質模塊通過一定的方法集中管理，形成統一管理的存儲池。虛擬存儲，按照拓撲結構分爲對稱式和非對稱式，按照實現原理會分爲數據塊虛擬和虛擬文件系統。對稱式虛擬及時是虛擬存儲控制設備與存儲軟件系統、交換設備集成爲一個整體，內嵌在網絡數據傳輸路徑中；非對稱式虛擬存儲技術是指虛擬存儲控制設備獨立於數據傳輸路徑之外。數據塊虛擬存儲方式着重解決數據傳輸過程中衝突和掩飾問題，利用虛擬多端口並行技術；虛擬文件系統存儲方式着重決絕大規模網中中文件共享的安全機制問題。虛擬存儲的實現放啊是有主機級虛擬化、存儲設備級虛擬化、網絡級虛擬化。
3.輸入輸出系統
答：在計算機中，I/O系統有五種不同的工作方式：程序控制方式、程序中斷方式、DMA方式、通道方式、I/O處理機。總線是一組能爲多個部件分時共享信息的傳送線路。總線，按相對於CPU或其他芯片的位置分爲內部總線和外部總線兩種，按總線功能劃分爲地址總線、數據總線、地址總線，按總線在計算機系統中的位置劃分爲機內總線和機外總線，按總線功用劃分爲局部總線、系統總線、通信總線。總線的主要性能指標有：總線寬度、總線帶寬、總線負載、總線分時複用、總線猝發傳輸。
I/O接口也稱爲I/O控制器，是主機和外設之間的交接界面，可實現主機和外設之間的信息交換。接口的主要功能：實現主機和外設的通信聯絡控制；進行地址譯碼和設備選擇；實現數據緩衝；數據格式的變換；傳遞控制命令和狀態信息。常見的設備接口有IDE、高級技術附件ATA、串行高級技術附件SATA、外部串行高級技術附件eSATA、SCSI、個人計算機內存卡國際聯合會PCMCIA、IEEE-1349、USB。I/O端口是接口電路中可以被cpu直接訪問的寄存器，若干個端口加上相應的控制邏輯電路組成的接口。端口編址的方式有兩種：獨立編址和統一編址。
4.指令系統
答：指令是計算機執行某些操作的命令，一臺計算機所有指令的集合構成指令系統，也稱爲指令集。指令系統是計算機系統中軟件和硬件分界面的一個重要標誌。在實際系統設計時，某項功能使用軟件還是硬件實現，需要考慮速度、價格、靈活性三個因素，硬件指令實現是速度快、價格貴、靈活性差，軟件子程序實現是速度慢、價格便宜、靈活性好。設計指令系統時，在功能方面的基本要求是指令系統的完整性、規整性、高效率、兼容性。通用計算機系統的基本指令有數據傳送類指令、運算類指令、程序控制類指令、I/O指令、處理機控制和調試指令。
複雜指令系統CISC具有：指令數量衆多；指令使用頻率相差懸殊；支持多種尋址方式；變長的指令；指令可對主存單元中的數據處理並執行速度變慢；以微程序控制爲主。CISC指令系統存在三個方面的問題：80-20規律；超大規模集成電路技術發展引起的問題；軟硬件的功分配問題。精簡指令系統RISC的主要特點：指令數量少；指令尋址方式少；指令長度固定，指令格式種類少；以硬佈線邏輯控制爲主；單週期指令執行，採用流水線技術；優化編譯器；cpu中通用寄存器數量多。大多數RISC採用Cache方案。RISC處理速度要比同規模CISC的提高了3到5倍。RISC的關鍵技術有延時轉移技術、指令取消技術、重疊寄存器窗口技術、指令流調整技術、邏輯實現以硬件爲主固件爲輔。實際應用中，商品化的RISC一般會在RISC基礎上增加一些必不可少的複雜指令來處理浮點運算、十進制運算等。
5.流水線技術
答：要提高計算機的性能需要從兩方面入手，空間並行性是在一個處理機內設置多個獨立操作部件，時間並行性是採用流水線技術。描述流水線工作最常用的方法是採用時空圖。採用流水線方式的處理機與順序執行方式相比，具有特點：流水線中處理的必須是連續的任務，只有連續任務纔可以發揮出流水線的效率；在流水線每個操作部件後面都有一個緩衝寄存器用於保存本階段的執行結果；流水線是把一個大操作部件分解爲多個獨立的操作部件，並依靠多個操作部件並行工作來縮短程序執行時間。按照流水線使用不同級別，可以把流水線分爲三級：操作部件級、指令級、處理機間級。流水線按功能分爲單功能流水線和多功能流水線，按工作方式分爲靜態流水線和動態流水線；按連接方式分爲線性流水線和非線性流水線。
流水線的主要性能指標有吞吐率、加速比、效率。吞吐率是單位時間內流水線完成任務數量或輸出結果的數量。加速比是利用流水線執行與單獨順序執行的比值。流水線的效率指流水線的設備利用率。因爲每個流水線段都需要額外增加一個鎖存器，爲了平衡成本和執行效率，一般處理機中流水線段數在2到10段之間，通常8段以上的流水線稱爲超流水線，採用超流水線的處理機稱爲超流水線處理機。
流水線的關鍵在於重疊執行，最理想的情況是可以完美並行，事實上可能達不到這種理想情況，總是會出現相互影響的情況。根據對程序執行過程影響的大小劃分，可分爲局部相關和全局相關。局部相關是是數據在指令之間間隔不遠，不會超出基本塊之外；全局相關是轉移指令或中斷處理，與程序流程相關。共享資源訪問的衝突是指後一條指令需要使用的數據與前一條指令發生衝突，或者相鄰的指令使用了相同的寄存器。解決局部相關的方法主要有後推法和定向技術。後退法是在遇到數據相關時，暫停後繼指令的運行，直至前面指令的結果已經生成爲止。定向技術又稱爲旁路技術或相關專用通路技術，即在指令流水線中讀數和寫數部分之間設置直接傳送數據的通路，使在執行部件向主存存數的同時，把數直接送到正在等待取這個數的指令部件中去。無條件轉移指令可以在指令譯碼時發現，發現後，指令緩衝寄存器在無條件轉移指令以後的一些預先取出的指令都要作廢，然後按照轉移地址重新讀取新的指令序列。條件轉移指令雖然在指令流水線前端的指令譯碼時可發現，但是確定轉移方向的條件卻要在指令流水線的末端執行部件中產生，才能決定是否實現轉移。因爲條件轉移的指令比無條件轉移的指令的成本要大，所以可以採用猜測法、預取轉移目標、加快和提前形成條件碼、推遲轉移、加快短循環程序的處理等措施進行改善。流水線響應中斷有兩種方式，精確斷點法和不精確斷點法。
6.多處理機系統
答：多處理機具有兩個或兩個以上的處理機，共享I/O子系統，在操作系統統一控制下，通過共享主存或高速通信網絡進行通信，協同求解一個個複雜的問題。多處理機有多個處理單元，產生多處理單元如何訪問內存的問題，通常有共享存儲方式和分佈式存儲方式兩種方法可以解決這個問題。採用共享式存儲訪問方式的多處理機系統稱爲緊耦合系統或者直接耦合系統，緊耦合系統的每個處理機可自帶局部存儲器，也可自帶Cache。緊耦合系統適用於多用戶的一般應用和分時應用，存在擴充難題，優點是易管理和利用資源。分佈式存儲多處理機的每個處理機獨佔本地存儲器，各處理機通過互聯網絡相連，類似於計算機網絡的結構。採用分佈式存儲訪問方式的多處理機系統稱爲鬆耦合系統或間接耦合系統，特點是容易擴充，存在各個處理機之間複雜數據結構傳送難題，適合粗粒度的並行計算。
海量並行處理結構MMP系統就是有非常多的處理機組成的並行處理系統，運用虛擬共享存儲器（SVM）或共享分佈存儲器（DSM）。SVM是基於分佈存儲器的多處理機上，實現物理上分佈但邏輯上共享的存儲系統，即物理上分散在各個處理機上的LM在邏輯上加以統一編址，形成統一的虛擬地址空間實現存儲器共享。SVM兼具鬆、緊耦合系統的的優點，目前實現的途徑主要有三種：硬件實現、操作系統和庫實現、編譯實現。現有的SVM系統大多數採用前面兩種途徑。
SMP也稱爲共享存儲多處理機，存在統一共享的SM。共享存儲方式有三種模型：均勻存儲器存取（UMA）模型、非均勻存儲器存取（NUMA）模型、只用告訴緩存的存儲器結構（COMA）模型。這些模型的區別在於存儲器和外設如何共享或分佈。UMA處理機模型中，物理存儲器被所有處理機均勻共享，即相同的存取時間，但每臺處理機可以有私用的高速緩存，外設也以一定形式共享。NUMA多處理機模型其共享存儲物理上是分佈在所有處理機的LM上，但是處理機訪問自己的LM數據比較快，其他機器上的比較慢，增加了網絡延時。COMA多處理機模型是MUNA機的一種特例，只是將分佈主存儲器SM換成高速緩存。
互連網絡已經成爲並行處理系統的核心組成部分，對計算機系統的性價比有着決定性的影響。爲了反映不同互連網絡的連接特性，每種互連網絡可用一組函數來描述。基本的互連函數主要有：恆等置換、交換置換、方體置換、均勻洗牌置換、蝶式置換、位序顛倒置換。在多處理機系統中，衡量互連網絡性能好壞的主要因素是連接度、延時性、帶寬、可靠性、成本。最典型和最常見的互連網絡中，多處理機互連的方式有：總線、交叉開關、開關樞紐、多端口存儲器、多級互連網絡。
7.系統性能設計
答：性能設計主要包括兩方面的內容：一是作爲未來系統應用和發展的參與與規劃；另一個是對現有系統進行性能上的調整，以達到最優化。系統設計其實是一種權衡技術，需要系統分析師在用戶的各種功能需求和性能需求之間進行權衡和決策。
計算機系統的性能一般包括兩個大的方面：一個是可靠性或可用性；另一方面是處理能力或效率，可以用吞吐率、響應時間、資源利用率來衡量。機器資產是參與運算的數值基本位數，由加法器、寄存器的位數決定，一般等於cpu內部寄存器的大小，越長精度越高。數據通路寬度是數據總線一次能並行傳送信息的位數，影響信息傳送能力，間接影響計算機有效處理速度。計算機系統的主存儲器能存儲的全部信息量稱爲主存容量。主存的存取速度通常由存取時間、存取週期、主存帶寬等參數來描述，計算機的運算速度可以通過：主頻和CPU時鐘頻率、CPI（每條指令執行消耗的時鐘週期）、MIPS（每秒百萬條指令）和MFLOPS（每秒百萬次浮點運算）來分析。吞吐率是系統在單位時間內所能處理任務的數量。響應時間是系統對請求作出響應的時間。
系統性能調整的推薦步驟和方法：準備工作包括識別約束、制定負載、設置性能指標；調整循環包括了收集系統信息、分析系統信息、改進系統、測試改進效果；衡量解決方案效果可以運用改進部分佔系統的比例，最終影響整體效率的程度多大來確定。
8.系統性能評估
答：從計算機系統性能評估方法體系上看，大致分爲測量方法和模型方法兩大類。測量方法通過一定的測量設備或測量程序，可以直接從系統中測得各項性能指標或與之密切相關的度量，然後計算得出響應的性能指標。模型法法是先對要評估的系統建立一個適當的模型，然後求出模型的性能指標以此對系統進行性能評估。模型方法分爲模擬方法和分析方法兩種。
經典的系統評估方法有時鐘頻率法、指令執行速度法、等效指令速度法、數據處理速率法、綜合理論性能法，這些方法主要針對CPU的性能。把應用程序中用的最多、最頻繁的那部分核心程序作爲評估計算機系統性能的標準程序稱爲基準測試程序。基準程序法是目前一致承認的測試系統性能較好的方法，具體有Dhrystone基準程序、Linpack基準程序、Whetstone基準程序、SPEC、TPC。