计算机系统结构(第二版)尹朝庆主编-第1章_计算机系统结构导论

《计算机系统结构(第二版)尹朝庆主编-第1章_计算机系统结构导论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机系统结构(第二版)尹朝庆主编-第1章_计算机系统结构导论（98页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第1章 计算机系统结构导论1.1 计算机系统结构的基本概念 1.2 计算机系统结构中并行性的发展翻译 1.3 计算机系统的分类 1.4 计算机性能的评价 1第1章 计算机系统结构导论 1.1 计算机机系统结构的基本概念 1.1.1 计算机系统的层次结构计算机系统由硬件和软件组成。从计算机语言的角度，可以把计算机系统按功能划分成多级层次结构，如图1.1所示。这个层次模型中的每一级都对应一个机器。这里的“机器”只对一定的观察者而存在，它的功能体现在广义语言上，对该语言提供解释手段，然后作用在信息处理或控制对象上，并从对象上获得必要的状态信息。2第1章 计算机系统结构导论 图1.1 计算机系统层次结

2、构 图1.2一级机器的组成 层次模型中的每一 级所对应的机器，其组 成如图1.2所示。3第1章 计算机系统结构导论 M0 级为硬联逻辑M1级是微程序机器级M2级是传统机器级M3级是操作系统机器M4级是汇编语言机器M5级是高级语言机器M6级是应用语言机器4第1章 计算机系统结构导论 某级机器能将本级机器的语言转换为下级机器能够识别和处理的形式，就完成了本级机器的实现。层次结构中的M0级机器为硬联逻辑，M1级机器由硬联逻辑实现，M2级机器由微程序（固件）实现，M3级至M6级主要由软件实现。我们将主要由软件实现的机器称为虚拟机器，以区别由硬件或固件实现的实际机器。 5第1章 计算机系统结构导论 各虚

3、拟机器级的实现有两种主要的方法，即翻译和解释，或者是这两者的结合。翻译：是用转换程序将N1级程序全部变换成N级 程序后，再去执行新产生的N级程序，执行过程中N1级程序不再被访问。解释：是每当一条N1级指令被译码后，就在N级 机器级上用它的一串语句或指令来仿真N1级机器级上的一条语句或指令的功能，依此重复，通过对高一级程 序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。在这个 过程中不产生翻译出来的程序。 6第1章 计算机系统结构导论 软件和硬件在逻辑功能上是等效的。从原理上同一逻辑功能既能用软件实现，也可以用硬件或固件实现，只是性能、价格以及实现的难易程度不同而已。一般来说，硬件实现的特点是速度快，

4、但灵活性较差，增加硬件成本；软件实现的特点是灵活性较好，硬件成本低，但实现速度慢。计算机统采用何种实现方式，要从效率、速度、价格、资源状况、可靠性等多方面因素全盘考虑，对软件、硬件及固件的取舍进行综合平衡，使计算机系统达到较高的性能价格比。 7第1章 计算机系统结构导论 1.1.2 计算机系统结构、组成与实现 1. 计算机系统结构所谓“系统结构”是指计算机系统中各级之间界面的定义及其上、下级的功能分配。本课程中计算机系统结构研究的是对传统机器级界面的确定以及软、硬件之间的功能分配，即机器语言程序设计者或编译程序设计者所看到的计算机物理系统的抽象或定义。在一个计算机系统中，低层机器的概念性结构和

5、功能特性对高层机器的程序设计者往往是透明的。在计算机技 术中，对这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看却 好象不存在的概念称为透明性 。 8第1章 计算机系统结构导论 对于目前的通用型机器，计算机系统结构研究的 内容一般包括：（1）数据表示（2）寻址方式（3）寄存器组织（4）指令系统（5）存储系统（6）中断机构（7）机器工作状态（8）I/O系统（9）信息保护9第1章 计算机系统结构导论 2. 计算机组成计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。计算机组成的任务是在计算机系统结构确定分配给硬件系统的功能及其概念结构之后，研究各组成部分的内部构造和相

6、互之间的联系，以实现机器指令级要求的各种功能和性能。这种相互联系包括各功能部件的配置、相互连接和相互作用。10第1章 计算机系统结构导论 计算机组成的设计是按希望达到的性能价格比，最佳、最合理地把各种设备和部件组成计算机，以实现所确定的计算机系统结构。对传统机器程序员来说，计算机组成的设计内容一般是透明的。11第1章 计算机系统结构导论 计算器组成设计要确定的内容应包括：（1）数据通路的宽度（2）专用部件的设置（3）各种操作对部件的共享程度（4）功能部件的并行度（5）控制机构的组成方式（6）缓冲和排队技术（7）预估、预判技术（8）可靠性技术12第1章 计算机系统结构导论 3. 计算机实现计算机

7、实现是计算机组成的物理实现，包括处理机、主机等部件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，微组装技术，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。它着眼于器件技术和微组装技术，其中，器件技术在实现技术中起着主导作用。 13第1章 计算机系统结构导论 4. 计算机系统结构、组成和实现三者的关系计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个互不相同的概念。计算机系统结构是计算机系统的软、硬件的界面；计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。它们各自包含不同的内容，但又相互联系且相互影响。 14第1章 计算机系统结构导论 具有相同系统

8、结构的计算机可因性价比要求不同而采用不同的组成技术。而计算机组成也会影响计算机系统结构。一种计算机组成也可以采用多种不同的计算机实现。计算机实现是计算机系统结构和计算机组成的基础。而计算机组成也会影响计算机系统结构。系统结构的设计必须结合应用考虑，为软件和算法的实现提供更多更好的支持，还应考虑减少对各种组成及实现技术的使用限制。系统结构、组成和实现所包含的具体内容在不同时期或随不同的计算机系统会有所变化。15第1章 计算机系统结构导论 1.1.3 计算机系统的特性计算机等级计算机系统通常被分为巨型、大型、中型、小型、微型等若干等级。但随着技术进步，各等级的计算机性能指标都不断提高，如果按性能指

9、标来划分计算机等级，那么一台计算机的等级将随时间而下移。各型机器的性能、价格随时间变化的趋势大致可用图1.3示意说明，其中虚线称为等性能线。16第1章 计算机系统结构导论 图1.3 计算机性能下移示意图 计算机工业在处理性能和价格的关系上可 以有两种途径：一是维 持价格不变，充分利用 器件技术等的进展不断 提高机器的性能，即沿 图中的水平实线发展； 另一是在性能基本不变 的情况下，利用器件技 术等的进展不断降低机 器的价格，即沿图中虚 线往下发展。 17第1章 计算机系统结构导论 基于这种思想，不同等级的计算机可采用不同的发展策略： 在同等级范围内以合理的价格获得尽可能好的性能，逐渐向高档机发

10、展，称为最佳性能价格比设计。 维持一定适用的基本性能而争取最低价格，称为最低价格设计。 以获取最高性能为主要目标而不惜增加价格，称为最高性能设计。18第1章 计算机系统结构导论 从系统结构的观点来看，各型计算机的性能随时间下移，实质上是在低档（型）机上引用甚至照搬高档（型）机的系统结构和组成。这种低档机承袭高档机系统结构的状况正符合小型机和微型机的设计原则，即充分发挥器件技术的进步，以尽可能低的价格在低档机上实现高档机已有的结构和组成，而不是花很大力量专门去研究和采用新的系统结构和组成技术。这将有利于计算机工业的快速发展和计算机应用的广泛普及。 19第1章 计算机系统结构导论 . 系列计算机所

11、谓系列机的概念，是在软、硬件界面上设计好一种系统结构，然后软件设计者按此系统结构设计系统的软件；硬件设计者根据机器速度、性能、价格的不同，选择不同的器件，采用不同的硬件技术和组成与实现技术，研制并提供不同档次的机器。在系列机上必须保证用户看到一致的机器属性。20第1章 计算机系统结构导论 系列机之间必须保持软件兼容。这是指同一个软件（目标程序）可以不加修改地运行于系统结构相同的各档次机器，而且所得结果一致。软件兼容包括向上兼容和向下兼容。向上兼容是指在低档机器上编制的软件，不加修改就可以运行于高档机器上；向下兼容则相反。软件兼容还有向前兼容和向后兼容之分。向后兼容是指在某个时期投入市场的该型号

12、机器上编制的软件，不加修改就可以运行于在它之后投入市场的机器上；向前兼容则相反。对系列机而言，必须保证做到软件向后兼容，力争做到软件向上兼容。 21第1章 计算机系统结构导论 为了减少编制软件的工作量，降低软件开发成本，延长成熟软件的生命周期，应在研究新的系统结构时，解决好软件的可移植性问题。所谓软件的可移植性，是指软件不用修改或只需少量加工就能由一台机器搬到另一台机器上运行，即同一软件用于不同的环境。22第1章 计算机系统结构导论 系列机为了保证软件兼容，要求系统结构的一致，这成为妨碍计算机系统结构发展的重要因素。若允许系列机中后面推出的各档机的系统结构有所发展和变化。则这种改变只能是为提高

13、机器总的性能所作的必要扩充，且主要是为改进系统软件的性能来修改系统软件，尽可能不要影响高级语言应用软件的兼容。因此，可以对系列机的软件向下兼容和向前兼容不作要求，向上兼容在某种情况下也可能做不到，但向后兼容是肯定要做到的。 23第1章 计算机系统结构导论 把不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机称为兼容机，它的思想与系列机的思想是一致的。兼容机还可以对原有的系统结构进行某种扩充，使之具有更强的功能。24第1章 计算机系统结构导论 . 模拟与仿真为了实现软件在不同系统结构的机器之间移植，就必须做到能在一种机器的系统结构上实现另一种机器的系统结构。从计算机系统结构的层次模型来看，就是要在一种机

14、器的系统结构上实现另一种机器的指令系统。一般可采用模拟方法或仿真方法。 25第1章 计算机系统结构导论 在机器上用虚拟机的概念实现机器的指令系统，即由机器的一段机器语言程序去解释执行机器的每一条机器指令，从而可使机器的程序能在机器上运行，如图1.4所示。这种用机器语言程序解释实现软件移植的方法称为模拟被模拟的机器称为虚拟机A机器称为宿主机。26第1章 计算机系统结构导论 图1.4 用模拟方法实现软件的移植 27第1章 计算机系统结构导论 如果机器采用微程序控制，则直接用机器的微程序去解释机器的机器指令就会加快解释过程，如图1.5所示。这种用微程序直接解释另一种机器指令系统实现软件移植的方法称为

15、仿真进行仿真工作的机器称为宿主机，被仿真的机器称为目标机为仿真所编写的解释微程序称为仿真微程序。 28第1章 计算机系统结构导论 图1.5 用仿真方法实现软件的移植29第1章 计算机系统结构导论 为了使虚拟机的应用软件能在宿主机上运行，除了模拟虚拟机的机器语言外，还得模拟其存储体系、I/O系统、控制台的操作，以及形成虚拟机的操作系统。即把虚拟机操作系统作为宿主机的应用程序来看待。所有为模拟所编制的解释程序统称为模拟程序。 30第1章 计算机系统结构导论 用仿真方法可以提高被移植软件的运行速度，但由于微程序机器级结构深度依赖于机器的系统结构，所以当两种机器结构差别较大时，就很难依靠仿真来实现软件

16、移植，特别是当其I/O系统结构差别较大时更是如此。在实际应用中，不同系列机之间的软件移植往往通过仿真和模拟两种方法并用来实现。31第1章 计算机系统结构导论 1.2 计算机系统结构中并行性的发展研究计算机体系结构的目的是提高计算机系统的性能。开发计算机系统的并行性，是计算机体系结构的重要研究内容之一。本节首先对冯诺依曼系统结构进行分析，然后叙述体系结构中的并行性概念，再从单机系统和多机系统两个方面对并行性的发展进行归纳，得到对计算机系统结构中并行性发展全面的了解和认识。 32第1章 计算机系统结构导论 1.2.1 冯诺依曼型计算机系统结构冯诺依曼型计算机由运算器、控制器、存储器、 输入设备和输出设备个部分组成。其在结构上有以 下特点： 机器以运算器为中心，各部件的操作及相互之 间的联系都由控制器集中控制。 采用存储程序的思想