第三章 计算机系统分层结构

第三章数字逻辑结构在第一章中，我们提到计算机是由数量巨大的非常简单的结构所组成。

例如，Intel的Pentium Ⅳ微处理器，2000年推向市场，是由超过4千2百万个MOS晶体管制造的。

IBM Power PC 750 FX，2002年推出，是由超过3千8百万个MOS晶体管组成。

在本章中，我们将解释MOS晶体管作为逻辑单元的工作原理，如何将这些晶体管连接起来组成逻辑门，以及逻辑门是如何被互相连接起来而组成更大的制造计算机所需的单元。

在第四章，我们将把这些更大的单元连接起来组成计算机。

首先介绍晶体管。

3.1 晶体管今天的大多数计算机，或者说是大多数微处理器（所对应的计算机的核心）是由MOS 晶体管组成的。

MOS是金属氧化物半导体的英文缩写。

关于半导体的电子特性超出了本书的范围，它位于本书所描述的最底层的抽象之下，也就是说，如果晶体管出现差错，我们就受其控制，无法解决该问题了。

不过，也不太可能遇到晶体管出现问题的情况。

在此，我们只需了解MOS晶体管的两种类型：P型和N型。

它们都是进行逻辑运算的，其工作原理与墙上的电开关类似。

图3.1显示了最基本的电子电路，包括电源、一个墙上的开关和一盏灯。

为了让灯发光，电子必须流动；而为了使电子流动，必须存在一个从电源到灯、再回到电源的闭合电路。

通过操作开关可以控制电路的合与开，进而使灯打开或关闭。

我们使用一个N型或P型半导体晶体管来代替开关，控制电路的闭合。

图3.2是一个N 型晶体管的示意图，（a）单独出现的晶体管（b）出现在电路中的晶体管。

注意，在图3.2a 中的晶体管有三个终端，它们分别被称为栅极、源极和漏极，其命名原因不在本书范围之内。

如果N型晶体管的栅极被加以2.9伏电压，从源极到漏极的连接就相当于一段电线。

使用电子术语来说就是：在源极和漏极之间存在一个闭合回路，即导通。

如果N型晶体管的栅极被加以0伏电压，在源极和漏极之间的连接就被断开，在源极和漏极之间存在一个断路，即截止。

简述计算机系统的结构
计算机系统的结构可以分为以下几个层次：
1. 硬件层：计算机系统的物理设备，包括处理器、内存、硬盘、输入设备和输出设备等。

2. 操作系统层：管理计算机硬件资源的软件，提供文件管理、进程管理、设备管理等基本功能。

3. 应用软件层：运行在操作系统之上的软件，包括办公软件、游戏、浏览器等。

4. 用户界面层：用户与计算机系统交互的接口，包括命令行界面、图形用户界面等。

5. 网络通信层：支持计算机系统之间的通信和数据交换，包括网络协议、通信接口等。

这些层次之间相互协作，共同构成了一个完整的计算机系统。

其中，硬件层是计算机系统的基础，操作系统层是计算机系统的核心，应用软件层是计算机系统
的功能体现，用户界面层是计算机系统与用户之间的桥梁，网络通信层则是计算机系统与外部世界之间的联系纽带。

计算机系统结构前四章知识总结第一章计算机系统结构的基本概念1、层次结构：计算机系统由硬件/器件和软件组成，按功能划分成多级层次结构。

每一级对应一种机器：第0级和第1级是具体实现机器指定功能的中央控制部分；第2级是传统机器语言及其；第3级是操作系统机器；第4级是汇编语言机器；第5级是高级语言机器；第6级是应用语言机器。

2、计算机系统结构：由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。

但按照计算机层次结构，不同程序者所看到的计算机有不同的属性。

主要研究软件、硬件功能分配和对软、硬件界面的确定。

3、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。

4、计算机实现：是指计算机组成的物理实现。

5、透明性：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，成为透明性现象。

6、由上往下设计（自上而下设计）：首先确定用户级虚拟机器的基本特征、数据类型和基本命令等，而后再逐级向下设计，直到由硬件执行或解释那级为止。

7、由下往上设计（自下而上设计）：根据硬件技术条件，特别是器件水平，首先把微程序机器级和传统机器研制出来。

在此基础上，再设计操作系统、汇编语言、高级语言等虚拟机器级。

最后设计面向应用的虚拟机器级。

8、系列机：是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。

9、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各挡机器，可获得相同的结果，差别只在于不同的运行时间。

10、兼容机：不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。

11、模拟：是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。

12、仿真：用程序直接解释另一种机器指令系统的方法。

13、虚拟机和宿主机：在A计算机上要实现B计算机的指令系统，通常采用解释方法来完成，即B机器的每一条指令用一段A机器的指令进行解释执行，如同A机器上也有B机器的指令系统一样，A机器称为宿主机，B机器称为虚拟机。

计算机系统的多级层次结构计算机系统是由硬件和软件两部分组成的，硬件指的是计算机的物理部分，包括计算机主机、外围设备等；而软件指的是计算机内部的程序和指令，包括操作系统、应用软件等。

为了使计算机系统运行更加高效，计算机系统被设计成了多级层次结构。

第一层次：硬件层次。

这一层次是计算机系统最底层的结构，包括计算机主机、外围设备等。

计算机主机是计算机的核心，它包括中央处理器、内存、硬盘、显卡等，负责处理所有的数据和指令。

外围设备包括键盘、鼠标、打印机等，用来向计算机主机输入或输出数据。

第二层次：操作系统层次。

操作系统是计算机系统的核心软件，它控制着计算机的所有硬件和软件资源。

操作系统有多种类型，如Windows、Linux、Unix等，它们对用户和软件提供了接口，让用户和软件可以与计算机进行交互和操作。

第三层次：高级语言层次。

高级语言是计算机程序员用来编写程序和指令的语言，如Java、C++、Python等。

高级语言比机器语言和汇编语言更加容易理解和编写，程序员使用高级语言编写程序，然后将程序交给编译器转换成机器语言。

第四层次：应用程序层次。

这一层次包括各种各样的应用软件，如文字处理软件、图像处理软件、音视频播放软件等。

应用软件是用户可以直接使用的软件，用户可以利用它们完成各种各样的任务。

在多级层次结构中，每个层次都依赖于下一层次的结构，同时也提供接口供下一层次进行调用。

这样设计的目的是使计算机的各个部分能够协同工作，从而实现更加高效和稳定的计算机系统运行。

总之，计算机系统的多级层次结构是将各个部分有机地联系在一起，是计算机系统能够高效、稳定地运行的重要保障。

在计算机系统的发展过程中，多级层次结构不断完善和改进，带来了更加稳定、高效的计算机系统。

计算机组成原理分层结构
计算机组成原理可以分为五层结构，从上至下分别是应用程序层、操作系统层、高级语言层、汇编语言层和硬件系统层。

应用程序层是最上层，即我们使用的各种软件应用程序，如浏览器、办公软件、游戏等。

操作系统层是直接管理计算机硬件资源的层次，包括了操作系统内核和系统服务程序，负责管理计算机的进程、内存、存储、输入输出等硬件资源。

高级语言层是编程语言的高层次表示，如C、Java等，将程序员编写的高级语言程序转换成汇编语言程序。

汇编语言层是将汇编语言程序转换成机器语言程序的层次，可以通过汇编器将汇编语言翻译成机器语言指令，此时程序已经可以在计算机上运行。

硬件系统层是计算机的最底层，包括了计算机内部各部件的组成和工作原理，涵盖了硬件电路、控制器、系统总线等。

计算机系统层次结构
计算机系统由硬件和软件两大部分所构成，而如果按功能再细分，可分为7层（如图所示）。

第零级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门，触发器等逻辑电路组成。

第一级是微程序级。

这级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序，一般是直接由硬件直接执行的。

第二级是传统机器级，这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。

第三级是操作系统级，从操作系统的基本功能来看，一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另一方面它又是传统机器的延伸。

第四级是汇编语言级，这级的机器语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫做汇编程序。

第五级是高级语言级，这集的机器语言就是各种高级语言，通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作。

第六级是应用语言级，这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。

把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作用。

1/ 1。

计算机体系结构
计算机体系结构是指计算机系统中由硬件和软件组成的总体架构，它是计算机系统结构的核心。

其组成部分有如下：
一、中央处理单元(CPU)：
CPU是计算机系统的核心单元，它负责执行程序指令、执行运算、管理程序的运行等功能。

CPU可以分为两个部分，一部分是控制单元，另一部分是运算单元。

控制单元负责管理指令的执行，运算单元负责计算和记录数据。

二、主存储器：
主存储器是计算机内部最重要的一部分，它把程序和数据存储在一个可以轻易访问的位置。

主存储器中存储的数据和指令会被CPU提取，然后被执行。

三、输入设备：
输入设备是将外部信息传入到计算机系统中的设备，它可以帮助用户将文字、图片、声音、视频等信息输入到计算机系统中。

常见的输入设备有鼠标、键盘、扫描仪、摄像头等。

四、输出设备：
输出设备是将计算机中处理后的结果传送到外部的设备，它可以帮助用户将文字、图片、声音、视频等信息输出到外部。

常见的输出设备有显示器、打印机、喇叭等。

五、存储设备：
存储设备是一个用于存储数据或信息的设备，它能够在计算机系统和外部之间进行数据的传输，以便保存和备份数据。

常见的存储设备有U盘、硬盘、闪存盘等。

六、网络设备：
网络设备是一种连接计算机网络的电子设备，它可以帮助构建和维护网络。

由于网络设备可以提高网络的可靠性和安全性，所以它也被称为“神奇的桥梁”。

常见的网络设备有路由器、交换机、集线器等。

计算机体系结构是一种复杂而完备的系统架构，它具有功能完善、稳定可靠、计算能力强等特点。

以上就是计算机体系结构的主要组成部分。

说明计算机系统的层次结构
计算机系统的层次结构是指计算机硬件和软件组成的层次化结构。

计算机系统的层次结构从低到高分为五层：物理层、数字逻辑层、微程序层、指令集体系结构层和操作系统层。

物理层是计算机系统的最底层，它包括了计算机硬件的各种组件，如CPU、内存、硬盘、显示器等。

数字逻辑层是物理层之上的一层，它包括了计算机中的各种数字逻辑电路，如门电路、寄存器、计数器等。

数字逻辑层的主要任务是对物理层的硬件进行控制和管理，以实现计算机指令的执行。

微程序层是数字逻辑层之上的一层，它是计算机指令执行的关键。

在微程序层中，指令被翻译成微指令，然后在控制单元中执行。

微程序层对于指令执行的速度和灵活性起着至关重要的作用。

指令集体系结构层是微程序层之上的一层，它是计算机指令集的抽象层次。

在这一层中，计算机指令的操作码、寄存器等被规定。

指令集体系结构层决定了计算机的指令集和寻址方式等重要特性。

操作系统层是计算机系统的最高层，它是计算机系统的管理者。

操作系统层包括了各种系统软件，如操作系统、驱动程序、应用软件等。

操作系统层负责管理计算机的各种资源，如内存、CPU、输入输出设备等，为用户提供方便的计算环境。

总之，计算机系统的层次结构是一个由低到高、层层递进的结构，每一层都承担着不同的任务和职责。

只有各个层次之间的紧密协作和相互配合，才能使计算机系统正常运行。

第一章1、计算机系统多级层次结构从高到低：（6级）应用程序计算机、高级语言、汇编语言、操作系统、机器语言、微机程序控制、（0级）硬联逻辑计算机。

第0级由硬件实现，第1级由微程序（固件）实现，2—6级机器由软件实现。

2、透明性现象：一种本来存在的有差异的事物或属性，从某种角度来看似乎不再存在。

3、计算机组成是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。

4、计算机系统结构是计算机系统的软、硬件的界面；系统结构、组成和实现所包含的具体内容第随不同机器而变化的，且三者之间的界限越来越模糊。

5、系统结构分类①按“流”分：SISD单指令流单数据流，SIMD单指令流多数据流，MISD多指令流单数据流，MIMD多指令流多数据流。

Flynn分类法：按指令流（机器执行的指令序列）和数据流（指令流调用的数据序列，include输入数据和中间结果）的多倍性（指在系统最受限制的原件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数）概念进行分类。

缺点：对于标量及向量流水计算机应属于哪一类系统，不是很明确。

②按“并行级”和“流水线”分类：程序控制部件PCU的个数是K，算术逻辑部件ALU/处理部件PE的个数是d，每个ALU包含基本逻辑线路ELC 的套数是w。

T系统型号=（k，d，w）。

③按“并行度”分类：WSBS字串位串，WPBS字并位串，WSBP字串位并，WPBP字并位并。

6、*Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高取决于这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例。

实际上定义了加快某部分功能处理后，整个系统所获得的性能改进或执行时间的加速比的大小。

加速比与两个因素有关：一是计算机执行某个人物的总时间中可被改进部分的时间所占的百分比，Fe=可改进部分占用的时间/改进前整个任务的执行时间，它总小于1；二是改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施前性能提高倍数，Se=改进前改进部分的执行时间/改进后改进部分的执行时间，它总大于1。