浙江工商大学计算机体系结构第1章 计算机体系结构概述

第 1 章系统结构的基本概念1.1计算机系统的多级层次结构1.从使用语言的角度，可以将系统看成是按功能划分的多个机器级组成的层次结构，由高到低分别为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级和微程序机器级。

2.各机器级的实现方法：翻译（变换成低一级等效程序）或解释（仿真高级机器级语句或指令）3.通过多层次结构的观点可以得出，软件的功能可以由硬件实现，硬件的功能也可用软件模拟实现。

1.2计算机系统结构、组成与实现1. 透明：客观存在的事物或属性从某个角度看不到的。

2. 计算机系统结构指的是传统机器级的系统结构；它是软、硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定，提供机器语言、汇编语言程序设计者或编译程序生成系统为使其设计或生成的程序能在机器上正确运行应看到和遵循的计算机属性。

数据表示、寻址方式、寄存器组织、指令系统、存储系统组织、中断系统、管态目态定义与转换、IO结构、保护方式和机构。

2.计算机组成：是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成及逻辑设计等。

它着眼于机器级内的各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能及各部件间的联系。

近40年里，计算机组成设计主要围绕提高速度，着重从提高操作的并行度、重叠度、以及功能的分散和设置专用功能部件来设计的。

(1)数据通路宽度；(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。

3.计算机实现：指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，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。

4. 计算机系统结构、组成、实现三者互不相同，但又相互影响。

第1章计算机系统结构的基本概念多级层次结构：第一级：微程序机器级；机器语言（传统机器级）；操作系统虚拟机；汇编语言虚拟机；高级语言虚拟机；应用语言虚拟机计算机系统结构：程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。

经典计算机系统结构的实质：计算机系统中软、硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。

硬件和软件在功能实现上是等效的，即一种功能可以由软件实现，也可以由硬件实现。

在实现性能上是不等效的。

软件实现的优点是设计容易、改进简单；硬件实现的优点是速度快语言实现的两种基本技术：翻译，解释翻译和解释是语言实现的两种基本技术。

它们都是以执行一串Ｎ级指令来实现N+1级指令，但二者存在着差别：翻译技术是先把N+1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，在执行过程中N+1级程序不再被访问。

而解释技术是每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行。

在这个过程中不产生翻译出来的程序，因此解释过程是边变换边执行的过程。

软件兼容同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各档机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。

软件兼容分为向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。

其中向后兼容是软件兼容的根本特征。

向上(下)兼容：按某档计算机编制的程序，不加修改的就能运行于比它高（低）档的计算机。

向前(后)兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之前（后）投入市场的机器。

兼容机：不同厂家生产的具有相同系统结构的计算机。

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。

它的出现较好地解决了软件要求环境稳定和硬件、器件技术迅速发展之间的矛盾。

透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好象不存在。

响应时间从事件开始到结束之间的时间，也称为执行时间。

一、计算机系统结构概述1、计算机体系结构的研究对象计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构和功能特性计算机体系结构是研究计算机系统中软、硬件界面的，即研究那些功能由软件完成，那些功能由硬件完成。

2、计算机系统结构的分类及发展，冯氏计算机的特点冯氏计算机的特点（1）机器以运算器位中心（2）采用存储程序原理（3）存储器是按地址访问的、线性编址的空间（4）控制流由指令流产生（5）指令由操作码和地址码组成（6）数据以二进制编码表示，采用二进制方式运算改进（1）分布的输入输出处理能力。

中断，使CPU和外部设备一定成熟上并行工作。

DMA（2）保护的存储器空间。

在执行过程中不准修改程序（3）存储器组织结构的发展。

高速缓冲存储器Cache（4）并行处理能力。

改进CPU的组成，在体系结构上实现并行运算，多级并行处理（5）指令集的发展。

RISC的技术思想已经成为当代计算机设计的基础技术之一。

3、计算机性能评价，Amdahl‘s law设计定量原则：①发挥并行处理的优势②局部性原理（时间，当前被访问的单元；空间，附近的单元）③大概率时间优先原则④Amdahl’s law加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性⑤处理器性能公式总CPU时间=CPI×IC/时钟频率4、latency&bandwidth摩尔定律对带宽的提高更大距离限制了延时带宽更有卖点延时有助于提升带宽，反过来不成立带宽对延时有负面作用操作系统对延时的损害更大二、计算机指令系统软、硬件功能分配最主要的界面1、计算机指令集结构分类5个因素考虑分类1) CPU中操作数的存储方法（最重要）2) 指令中显示表示的操作数个数3) 操作数的寻址方式4) 指令集所提供的操作类型5) 操作数的类型和大小根据CPU内部存储单元类型对指令集结构进行分类，一般可以分为堆栈型、累加器型和通用寄存器型指令集结构。

易于生成高效的目标代码，但是指令比较长2、微程序，作用及其局限性3、Little’s Law系统中的平均任务数=到达率×平均响应时间适用于所有稳定系统4、CISC，RISC，VLIW指令系统及其关键技术CISC和RISC重要区别之一就在于其指令的功能强弱上。