第一章计算机系统结构概论

1计算机系统的的层次结构以现代通⽤计算机系统可以分成哪⼏级它们的相对位置各机器级的实现是⽤的翻译技术还是解释技术z⽬前情况来看MO ⽤硬件实现⼤的数2软件层⾼级语⾔通过软件MI ⽤微程序固件实现实现2汇编语⾔M 2M 5⽤软件实现ii 传统机器语⾔䎚鱲2瀶固件就是具备软件功能的⼀种硬件硬件实现作业控制语⾔微程序以什么是翻译技术什么是解释技术翻译技术⽤转换程序将⾼⼀级机器级上的程序整个地址转换为低⼀级机器级上的等效程序之后在低⼀级机器级上实现的技术解释技术在低级机器级上⽤⼀串语句或指令来仿真⾼级机器级上的⼀条语句或指令的功能是通过对⾼级机器级上的每条语句或指令逐条解释的技2.1计算机系统结构组成和实现的定义和研究⽅⾯1从计算机的层次结构⻆度来看系统结构system Architecture 是对计算机系统中各级界⾯的定义及其上下的功能分配iiiiii2计算机系统结构也称计算机系统的体系结构computer Architecture 它只是系统结构中的⼀部分指的传统机器语⾔机器级州的系统结构因此它是软件和硬件1固件的交接⾯是机器语算结论计算机系统结构研究的是软硬件之间的功能分配以及对传统机器级界⾯的确定为机器语⾔汇编语⾔程序设计者或编译程序⽣成系统设计或⽣成的程序能在机器结嘔趣魂䃴䏈臨嚹櫉出㒧瀃暶软礮 嚻㗸磡璐璐额嚻嚻 㓸年就⽬前的通⽤机和总其计算机系统结构的属性包括以D 硬件能够直接识别和处理的数据类型及格式等的数据表示系最⼩可寻址单位寻址种类地址计算等的寻址⽅式统通⽤寄存器的设置涨数量使⽤约定等的寄存器组织以⼆进制或汇编指令的操作类型格式排序⽅式控制机构等的指全系统构外主存的最⼩编址单位编址⽅式容量最⼤可编址空间等的存储系统组织以中断的处理与分级中断处理程序的功能与⼊⼝地址等的中断机构系统机器级的管态与⽤户态的定义与切换8输⼊1输出设备的连接使⽤⽅式流量操作结束出错指示等的机器级⼯10结构以系统各部分的信息保护⽅式和保护机构等属性_Énn 囎的讞囄 龖嚻欏㺦䵴 邈悦的縅 辄算樾设计䯁ì点2专⽤部件的设置是否设置乘除法浮点运算字符处理地址运算等专⽤部件设置的数量与机器要达到的速度价格以及专⽤部件的使⽤频率有关机烈各种操作对部件的共享程度分时共享使⽤程度⾼虽然限制了速度但价格便宜设置部件的降低共享程度因操作系统并⾏度提⾼可提⾼速度但价格也会提⾼4功能部件的并⾏度是⽤顺序串⾏还是⽤重叠流⽔或分布式控制和处理iii 䨊i ǐiiiiiiii iiiiiiiiin 控制机构的组成⽅式⽤硬件还是微程序控制是单机处理还是的机或功能分布处理成7预估预判技术⽤什么原则为优化性能预测未来⾏为6计算机的实现computer Implementation指的是计算机组成的物理实现包括处理机珔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7计算机实现的设计着眼于器件技术和微组装技术器件技术起着主导作⽤8指令系统的确定属于计算机系统结构指令的实现如取指令指令操作码译码计算操作数地址取数运算送结果等的操作的安排三和排序属于汢籃噍感实现这些指令功能的具体计电路器件的说⽜的装⾣䃢⼰技术属于计算机实现ftpmsn琺迹歛辔緪appointingpinetnn感乘法器加法⼀位移器的物理实现中的类型叔美成度数量价格以及微组装技术的确定和选择属于计算机实现-0ns中央处理机任存算外⼀箱溜畦侧的概念性结构图䃴嚻蜘理雄和醚-嚻制品外诞级槬以瑡⼼纙斌䴍出硬件⽅⾯2通道机实设备控制器i10机器1汇编指令系统数据表示是否采⽤通道⽅式输⼊1输出的确定属于计算机系统结构指令采⽤重叠流⽔还是其他⽅式解释数据通路宽度的确定通道采⽤结合型还是独⽴型属于计算机组成2.2系统结构组成和实现的相互关系和影响1相同结构如指令系统相同的计算机可以因速度不同⽽采⽤不同的组成⼀种组成也可以有多种不同的实现⽅法2组成也会影响结构了组成设计向上决定结构向下受限于实现技术4由于计算机组成和计算机实现关系密切有⼈将它们合称计算机实现即计算机系统的逻辑实现和物理实现ǜjiiiiii iiiiiiii能分配和确定程序设计者所看到的机器级界⾯的计算机系统结构称结论计算机系统结构设计的任务是进⾏软硬件的功能分配确定传统机器级的软硬件界⾯但作为计算机系统结构这⻔学科来讲实为程序设计者看到的计算机系统结构把着眼于如何更好更合理地实现分配给硬件的功能的计算机组成称为计算机设计者看到的计算机系统结构3计算机系统的软硬件取舍与设计思路引软硬件实现的优缺点1从原理上来讲软件的功能可以由硬件或固件来完成硬件的功能也可以由软件来模拟完成只是它们在性能价格实现的难易程度是不同的2软件实现的速度慢编制复杂编程⼯作量⼤程序所占存储空间量较的i 但是所花硬件少硬件的实现上也就相对简单容易硬件的成本低解题的灵活性和适性就好了具有相同功能的计算机系统其软硬件功能分配⽐例可以在很宽的范围内变化如下图⼀般来说提⾼硬件功能的⽐例可提⾼解题速度减少程序所需的时间但会增加硬件成本降低硬件利⽤率和计算机系统的灵活性及适应性提⾼软件功i ǘjf ǘǜǜ是⾼系统的灵活性适应性但是解题速度会下降软件设计费⽤和所需的存储器⽤量增加了原则D 应考虑在现有的硬器件主要是逻辑器件和存储器件的条件下系统要有⾼的性价⽐以实现费⽤速度和其他性能⽅⾯考虑2要考虑到准备采⽤和可能采⽤的组成技术使之尽可能不要过的或不合理地限制各种组成实现技术的采⽤了不能仅从硬的⻆度考虑如何便于应⽤组成技术的成果和便于发挥器件技术的发展还应从软的⻆度把如何为编译和操作系统的实现以及1⾼级语⾔程序的设计提供更的更好的硬件⽀持放在⾸位软硬件取舍的最终⽬标提⾼性能降低消耗评判性能的标准使⽤者响应时间完成任务的时间服务者吞吐量单位时间内的⼯作总量2软硬件取舍成本计算13软件开发费⽤C 软件重复设计的次数品硬件开发费⽤R 软件复制和存储的次数的更件实现的费⽤i Dn Nt Mn Ms 软件重复⽣产的费⽤例如批量部署1软件实现的费⽤Ds x clvtM tn Mn 硬件重复⽣产的费⽤⽣产计算机系统台数3.3计算机系统的定量设计原理真实程序的运⾏时间是衡量计算机性能的唯⼀可靠的①⼤概率事件优先原则喧⾛曼n 铡压n 缩原理oir提⾼经常性事件的处理速度经常性事件例如程序中的循环体②阿姆达尔Amdahl 定律定义系统性能的加速⽐确定对性能限制最⼤的部分计算改进某些部件所获得的性能提⾼③程序的局部性 效旦 璧和空间㞗盥改进效果好的⾼性能系统应是个各部分性能功能平衡得到提⾼的系统时间局部性现在正在使⽤的信息将来还要使⽤如程序中存在循环空间局部性将来要使⽤的信息与现在正在使⽤的信息在程序位置上是相邻的因为指令通常是顺序存放的数据也通常是以向量阵列树表等形式簇数据时间局部性空间局部性And 定律系统性能改进前⼆总执⾏时间部件加速⽐指令循环语句总加速⽐⼆系统性能改进后总执⾏时间瞿善⼆1-可改进⽐例可改进⽐例变量数据顺序语句字符串常量数据4计算机系统的设计⽅法①计算机系统⼀般有3种设计⽅法D 由上往下⾃顶向底专⽤机设计⽅法先考虑满⾜应⽤要再逐级向下设计串⾏设计⽅法周期⻓成本⾼难以量化2由下往上⾃底向顶通⽤机设计⽅法不考虑应⽤要求先根据已有条件设计硬件软件设计需要被动地适应硬件3⾃中间开始向两边设计它可以克服以上两⽅式中软硬件设计分离和脱节的致命缺点5软件应⽤器件的发展对系统结构的影响-5.1软件发展对系统结构的影响①软件的可移植性Portability 指的是软件不修改或只经少量修改就可由⼀台机器移到另⼀台机器上运⾏同⼀软件可应⽤于不同的环境软件兼容性i 向后兼容第⼀代电⼦管valve 1945-1954IBM 701机器档次当前机器第⼆代i 晶体管Transistor 19551964IBM7030㿚䨻容向后兰道时间第三代集成电路四1965-1974IBM张巧第四代⼤规模集成电路以红19741940IBM 3090Pc 第五代微处理器19902000IntelArm ②实现可移植性的常⽤⽅法D 采⽤系列机由同⼀⼚家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2模拟和仿真使件能够在具有不同系统结构的机器之间相互移植3i 实理软件移植的⼀种理想的⽅法例如Java 语⾔程序能在不同架构平台上运⾏模拟姚妣啊䲉犌⻰台 瞅⼀雅 额殆机⼀⼀刷啪镶处理器件发展历史通常⽤〇解释的⽅法去实现运⾏速度慢性能较差只适⽤于移植运⾏时间短使⽤次数少且在时间短上没有约束和受限制的软件仿真emulation ⽤⼀台现有的机器缩主机上的微程序〇去解释另⼀台机器⽬标机的指令集运⾏速度⽐模拟⽅法的快仿真只能在系统结构差距不⼤的机器之间使⽤区别模拟和仿真的区别在解释使⽤的语⾔模拟是⽤机器语⾔程序解释解释程序存储于主存中仿真使⽤微程序解释解释程序存储于控制存储器中③模拟与仿真的选择离频繁使⽤易于仿真的机器指令宜⽤仿真以提⾼速度较少使⽤的难以仿真的指令以及北操作宜⽤模拟即使两种机器系统差别不⼤往往也需要⽤模拟来完成机器间的映像11④3种⽅法的优缺点统⼀⾼级语⾔可以解决结构相同或完全不相同的机器间移植是未来发展⽅向但是⽬前难以解决只能做到相对统⼀系列机是当前遍采⽤的⽅法但只能实现同⼀系列内的软件兼容虽然允许发展变化但兼容的约束反过来会阻碍系统结构取得突破性的进展模灵活可实现不同系统结构间的软件移植但结构差别过⼤时效率速度会急剧下降伤真在速度上损失⼩但不灵活只能差别不⼤的系统之间使⽤否则效率也会过低且难以仿真需要与模拟结合才⾏此外发展异种机联⽹也是实现软件移植的⼀种途径5.2应⽤的发展对系统结构的影响不同的应⽤对计算机系统结构的设计提出了不同的要求应⽤需求是促使机算机系统结构发展的最根本的动⼒在不同的领域需要⾼性能的系统结构多媒体引了游戏⾼清影⾳⽹络应⽤⾼性能路由防⽕墙科学计算天⽓预报⽯油勘探班⽤户⻘尵 器件⼚家⽣产时固定的器件的⽤户即机器设计者只能使⽤不能改变器件内部功能现场为⽤户根据需要可改变器件内部功能⽤户为专⻔按⽤户要求⽣产的⾼度集成的以红器件完全按照⽤户要求设计的⽤户⽚称为全⽤户⽚⼀般同⼀系列内各档机器可分别⽤通⽤⽚现场⽚和⽤户为实现6系统结构的并⾏性开发及计算机轰统的分类6.1并⾏性概念与开发6.1.1并⾏性的含义与级别①并⾏性包含同时性和并发性两重含义⾃然性simultaneity 指两个或约个事件在同⼀时刻发⽣并发性concurrency 指两个或㑜事件在同⼀⽇②䲜䉪厵并⾏鍳靠 礜为了能并⾏处理以提⾼计算机解题的效率CnnD 计算机系统执⾏程序⻆度由低到⾼等级齽产操作之间的并⾏执⾏2指令之间放条指令的并⾏执⾏14作业或程序之间c______12计算机系统中处理数据⻆度由低到⾼等级冯⽒分类法1972冯泽云1位串字串同时只对⼀个字 齹⼯整处理通常指串⾏单处理机⽆并⾏性2位并字串并⾏单处理机3i 位为串字并不⼀⼀对许的字的同⼀位称位⽚进⾏处理3并⾏性贯穿于计算机信息加⼯的各个步骤和阶段的i 存储器操作并⾏2处理器操作并骤并⾏了处理器并⾏tiiiiii inin4指令任务作业并⾏皊之⼆及以上的并⾏是所处之理机同0时对然⾦撧或相关的的组娄-対居进⾏处理操作上避流的数据流计算机6.1.2并发性开发的途径时间重叠i鼝相互错不轮流重叠使⽤同⼀套硬件设备的各个部分加快硬件周转来赢得速度②资源重复邈邈䟐群Replication重复设置硬件资源来提⾼可靠性或性能③资源共享逛䬒aresharing⽤软件⽅法让的个⽤户按⼀定时间顺序轮流使⽤同⼀套资源来提⾼资源利⽤率相应地6.1.3多机系统的耦合度耦合度⽤于反映的机系统中各机器之间物理连接的紧密度和交叉作⽤能⼒的强弱1各种脱机处理系统是最低耦合系统lease coupled system 2多台计算机通过通道或通信线路实现互连以较低频带在⽂件或数据集⼀级相互作⽤这种系统被称为松散耦合系统loosely a system或间接耦合系统Indirectly Coupled system3多台计算机通过总线或⾼速开关琏共享主存有较⾼的信息传输速率可实现数据集⼀级任务级作业级并⾏则称该系统为紧密耦合系统Tighcoupled system 或直接耦合系统Directly c oupled system 6.1.4计算机系统的分类弗林分类瀓按照指令流和数据流的的倍性进⾏分类共分为4类数据流由执令流调⽤的数据序列圝鬬管⾔ 䨻⽇搻䲜时处于同⼀执⾏阶段的指令或数据的最⼤数⽬单指令流单数据流GED Single Instruction stream Single Data stream 单指令流的数据流Gen single Instruction stream Multiple Data Stream 阵列处理机和相联处理机多指令流多数据流㟗⽆实现对应的应⽤传统的单处理计算机多指令流单数据流MIS D -。

第一章计算机系统概论习题答案1、答：计算机系统由硬件和软件两大部分组成。

硬件即指计算机的实体部分，它由看得见摸的着的各种电子元器件，各类光电、机设备的实物组成，如主机、外设等。

软件时看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成，用来充分发挥硬件功能，提高机器工作效率，便于人们使用机器，指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合。

软件和硬件都很重要。

2、答：从计算机系统的层次结构来看，它通常可有五个以上的不同级组成，每一个上都能进行程序设计。

由下至上可排序为：第一级微程序机器级，微指令由硬件直接执行；第二级传统机器级，用微程序解释机器指令；第三级操作系统级，一般用机器语言程序解释作业控制语句；第四级汇编语言机器级，这一级由汇编程序支持和执行；第五级高级语言机器级，采用高级语言，由各种高级语言编译程序支持和执行，还可以有第六级应用语言机器级，采用各种面向问题的应用语言。

3、答：机器语言由0、1代码组成，是机器能识别的一种语言。

汇编语言是面向机器的语言，它由一些特殊的符号表示指令，高级语言是面向用户的语言，它是一种接近于数学的语言，直观，通用，与具体机器无关。

4、答：计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。

计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性，通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等等，大都属于抽象的属性。

5、答：特点是：(1) 计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成(2) 指令和数据以同等的地位存放于存储器内，并可以按地址寻访(3) 指令和数据均可以用二进制代码表示(4) 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数所在存储器中的位置(5) 指令在存储器内按顺序存放。

通常，指令是顺序执行的，在特定情况下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序(6) 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器。

第一章计算机系统结构概论1目录计算机系统的多级层次结构计算机系统结构、组成与实现计算机系统的软硬取舍、性能评测及定量设计原理软件、应用、器件对系统结构的影响系统结构中的并行性发展和计算机系统的分类2什么是计算机？计算机是一种不需要人的直观干预而能自动完成各种算术和逻辑运算的工具。

说明：随着技术的发展，概念有所变化。

PDA、机顶盒、商务通、MP3，智能手机等计算机是工具。

Tools 3计算机的功能科学计算数据处理（信息处理）过程控制人工智能4计算机的主要特性快速性通用性：任务-〉算术逻辑操作-〉指令准确性：数字化逻辑性5§1 计算机系统的多级层次结构机器：能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的执行体。

计算机语言：是用以描述控制流程的、有一定规则的字符集合。

语言不是专属软件范畴，可以分属于计算机系统的各个层次，具有不同作用。

6 计算机的层次观点——结构观点计算机系统外围设备计算机通信线路中央处理器主存储器I/O 系统互连控制器顺序逻辑控制器的寄存器和译码器计算机系统的层次计算机系统的层次控制存储器特性是研究计算机特性是研究计算机体系结构的基础体系结构的基础算逻单元寄存器控制器7从观察者看到的虚拟计算机广义语言虚拟计算机观察者控制信息编译作用对象解释器状态信息8计算机系统的多级层次结构多级层次结构：是从使用语言的角度，基于程序员与计算机系统对话中所采用的语言结构和语义划分。

机器----语言现代计算机系统的层次结构分为六级。

9 第0级微程序机器M0 微指令由硬件直接执行实际机器具有L0机器语言（微指令系统）10 第1级传统机器M1 具有L1机器语言（机器指令系统）由微指令程序解释机器指令实际机器第0级微程序机器M0 微指令由硬件直接执行实际机器具有L0机器语言（微指令系统）11 第2级操作系统机器M2 一般用机器语言程序解释具有L2机器语言（作业控制语言等）作业控制语句虚拟机器第1级传统机器M1 具有L1机器语言（机器指令系统）由微指令程序解释机器指令实际机器第0级微程序机器M0 微指令由硬件直接执行实际机器具有L0机器语言（微指令系统）12 第3级汇编语言机器M3 汇编语言程序经汇编程序具有L3机器语言（汇编语言）翻译成机器语言程序虚拟机器第2级操作系统机器M2 一般用机器语言程序解释具有L2机器语言（作业控制语言等）作业控制语句虚拟机器第1级传统机器M1 具有L1机器语言（机器指令系统）由微指令程序解释机器指令实际机器第0级微程序机器M0 微指令由硬件直接执行实际机器具有L0机器语言（微指令系统）13 第4级高级语言程序经编译程序翻译高级语言机器M4 成汇编语言（或是某种中间语虚拟机器具有L4机器语言（高级语言）言程序，或是机器语言程序）第3级汇编语言机器M3 汇编语言程序经汇编程序具有L3机器语言（汇编语言）翻译成机器语言程序虚拟机器第2级操作系统机器M2 一般用机器语言程序解释具有L2机器语言（作业控制语言等）作业控制语句虚拟机器第1级传统机器M1 具有L1机器语言（机器指令系统）由微指令程序解释机器指令实际机器第0级微程序机器M0 微指令由硬件直接执行实际机器具有L0机器语言（微指令系统）14 第5级应用语言机器M0 应用语言程序经应用程序虚拟机器具有L5机器语言（应用语言）包翻译成高级语言程序第4级高级语言程序经编译程序翻译高级语言机器M4 成汇编语言（或是某种中间语虚拟机器具有L4机器语言（高级语言）言程序，或是机器语言程序）第3级汇编语言机器M3 汇编语言程序经汇编程序具有L3机器语言（汇编语言）翻译成机器语言程序虚拟机器第2级操作系统机器M2 一般用机器语言程序解释具有L2机器语言（作业控制语言等）作业控制语句虚拟机器第1级传统机器M1 具有L1机器语言（机器指令系统）由微指令程序解释机器指令实际机器第0级微程序机器M0 微指令由硬件直接执行实际机器具有L0机器语言（微指令系统）15多级层次结构（机器---语言）M5：应用语言机器--------应用语言M4：高级语言机器--------高级语言M3：汇编语言机器--------汇编语言M2：操作系统机器-------作业控制语言M1：传统机器-------------机器指令系统M0：微程序机器----------微指令系统16人与多级层次结构的比较这种联系很不科学，只是让大家轻松一下计算机系统人应用语言级为人民服务级高级语言级读书、学习级汇编语言级语言、思维级操作系统极生理功能级传统机器级人体器官级微程序机器级细胞组织级电子线路级分子级17从设计人员看到的层次18 应用软件应用语言级L5虚拟机翻译（应用程序包）高级语言级L4虚拟机虚拟翻译（编译程序）机系统汇编语言级L3虚拟机器软件翻译（汇编程序）操作系统级L2虚拟机部分解释软硬件交界面硬件传统机器级物理机器实解释际固件微程序机器级机器硬件直接执行电子线路19编译与解释编译：全部N1级指令--N级指令翻译compile 解释：一条N1级指令--一串N级指令translation 编译为整体行为，可以优化，效率高，与平台有关。