第1章 基础知识new

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1、一、课程目标1.计算机系统结构的研究掌握计算机系统结构基本概念、组成及设计原理；掌握计算机系统结构各组成部分的分析及设计方法；了解计算机系统设计的基本方法。2.计算机并行处理技术的研究流水线技术分析及设计；并行处理机技术研究；多处理机技术研究；了解非VonNeumann机结构。ComputerSystemArchitecture二、课程主线在掌握系统结构组成基础上，研究各组成部分软、硬件功能分配，及逻辑实现分配给硬件的功能。研究并行处理技术在Pentium系列微型机中的应用，进一步掌握并行处理机和多处理机采用技术。三、学习方法根

2、据系统结构的组成，注意各部分的分析、设计方法，同时注意多种方案的比较与选择。侧重从设计者的角度看问题。学习并行处理基本原理，并考虑这些技术如何应用在系统结构设计中。第1章基础知识1.1计算机系统层次结构1.2计算机系统结构1.3计算机组成1.4计算机实现1.5计算机性能1.6计算机系统的分类1.7计算机系统结构发展BackGround习题11.1计算机系统层次结构（Hierarchy）1.1.1按功能划分的多级层次结构现代计算机是通过执行指令来解决问题的，它由软件(Software)和硬件(Hardware)两大部分组成。描述一

3、个任务如何实现的指令序列称为程序(Program)，所有程序在执行前都必须转换成计算机能识别以及直接执行的机器指令。这些机器指令与机器硬件直接对应，并能被其直接识别和执行，然而使用机器语言编程既不方便，也无法适应解题需要和计算机应用范围的扩大。这个问题可从两方面去解决，前提是都需要设计一个比机器指令更方便使用或编程的指令集合，由它构成新的语言，例如汇编语言（AssembleLanguage）。汇编语言是一种符号语言，给程序员编程提供了方便，尽管每个语句仍基本上与机器指令对应，却并不能被机器直接识别和执行；用汇编语言开发的程序需要

4、某种转换才能在实际机器上执行。一种方式是翻译(Translation)，在执行汇编语言源程序之前生成一个等价的机器语言指令序列来替换它，生成的程序全部由机器指令组成，计算机执行等效的机器语言源程序来代替原来的汇编语言源程序。即把源程序先转换成目标程序，而后再在机器上执行目标程序以获得结果。另一种方式是解释(Interpretation)，用机器指令写一个程序，将汇编语言源程序作为输入数据，按顺序检查它的每条指令，然后直接执行等效的机器指令序列来解决问题。图1.1虚拟机器和实际机器层次结构举例汇编语言源程序可以在机器上运行并获得结

5、果，是因为有汇编程序（编译系统）的支持。在汇编语言程序设计者看来，就好像有了一台用汇编语言作为机器语言的机器。这里的机器（Machine）是指能存储和执行程序的算法和数据结构的集合体。我们把以软件为主实现的机器，称之为虚拟机器(Virtualmachine)，而把由硬件和固件(Firmware)实现的机器称为实际机器(Realmachine)。显然，虚拟机器的实现是构筑在实际机器之上的。图1.1给出了虚拟机器与实际机器之间构成的一个简单的层次结构。语言与虚拟机之间存在着重要的对应关系，每种机器都有由它能执行的指令组成的机器语言。

6、同时，语言也定义了机器，即机器要能执行这种语言所写的程序。有n层不同的语言，就对应有n层不同的虚拟机。在图1.2中我们给出了典型的现代计算机的多级层次结构。例如，汇编语言(L3)是面向机器的一种符号语言，其语法、语义结构仍然和二进制机器语言的基本相同，但与解题所需的差别较大，于是进一步出现了面向题目和过程的高级语言(L4)；在高级语言的基础上还出现了面向应用的应用语言(L5)，因此我们可以得到多个层次的虚拟机器；而对于实际机器级若采用微程序(L0)控制，它又可分解成传统机器级M1和微程序级M0；虽然目前很多机器上的操作系统(L2

7、)已不再用汇编语言编写，而是用面向系统软件的高级语言，如C语言，但从实质上看，操作系统是传统机器的引伸，它要提供传统机器所没有但为汇编语言和高级语言的使用和实现所需的某些基本操作和数据结构，如文件管理、进程管理、中断管理、作业控制、存储管理和输入输出等等，它们在许多机器上是经机器语言程序解释实现的。因此，操作系统级放在传统机器级之上，汇编语言级之下。图1.2计算机系统的多级层次结构每一层对应一种“机器”，为该层的操作者所使用。操作者通过该层的语言与“机器”对话，或者交互信息，而不必关心其内层的结构和工作过程。这体现的是一种称之为

8、透明性的特性。微程序（Microprogram，简称μp）CISC结构下，一些功能复杂的指令执行时被分解为一系列相对简单的指令来执行，这样一系列的简单指令就叫做微程序。微程序主要用于实现一些机器指令。对应于某一特定的计算机操作的一种基本指令序列，保存在专用的存储