计算机系统结构 第1章 计算机系统结构的基本概念

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1、第1章计算机系统结构的基本概念1.1计算机系统的多级层次结构1.2计算机系统结构、组成与实现1.3软硬取舍与计算机系统的设计思路1.4软件、应用、器件对系统结构的影响1.5系统结构中的并行性发展及计算机系统的分类1.1计算机系统的多级层次结构图1.1计算机系统的多级层次结构图1.2计算机系统的软、硬件功能分配1.2计算机系统结构、组成与实现1.2.1结构、组成与实现我们这里所称的计算机系统结构或计算机体系结构(ComputerArchitecture)只是系统结构中的一部分。它指的是层次结构中传统机器级的系统结构，其界面之上的功能包括操作系统级

2、、汇编语言级、高级语言级和应用语言级中所有软件的功能。界面之下的功能包括所有硬件和固件的功能。就目前的通用机来说，计算机系统结构的属性应包括：硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等的数据表示；最小可寻址单位、寻址种类、地址计算等的寻址方式；通用/专用寄存器的设置、数量、字长、使用约定等的寄存器组织；二进制或汇编级指令的操作类型、格式、排序方式、控制机构等的指令系统；内存的最小编址单位、编址方式、容量、最大可编址空间等的存贮系统组织；中断的分类与分级、中断处理程序功能及入口地址等的中断机构；系统机器级的管态和用户态的定义和切换；输入输

3、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I/O结构；系统各部分的信息保护方式和保护机构；计算机组成(ComputerOrganization)指的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以及逻辑设计等。它着眼于机器级内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。计算机组成设计要解决的问题是在所希望达到的性能和价格下，怎样最佳、最合理地把各种设备和部件组织成计算机，以实现所确定的系统结构。近40年里，计算机组成设计主要是围绕提高速度，着重从提高操作的并行度、重叠度，以及分散功能和设置专用功能

4、部件来进行的。计算机组成设计要确定的方面一般应包括：数据通路宽度(在数据总线上一次并行传送的信息位数多少)；专用部件的设置(设置哪些专用部件，如乘除法专用部件、浮点运算部件、字符处理部件、地址运算部件等，每种专用部件设置的数量，这些都与机器所需达到的速度、专用部件的使用频度高低及允许的价格等有关)；各种操作对部件的共享程度(共享程度高，即使操作在逻辑上不相关也只能分时使用，限制了速度，但价格便宜。可以设置多个部件降低共享程度，提高操作并行度来提高速度，但价格也将提高)；功能部件的并行度(功能部件的控制和处理方式是采用顺序串行，还是采用重叠、

5、流水或分布处理)；控制机构的组成方式(事件、操作的排序机构是采用硬联控制还是用微程序控制，是采用单机处理还是用多机处理或功能分布处理)；缓冲和排队技术(在不同部件之间怎样设置及设置多大容量的缓冲器来弥补它们的速度差异；是采用随机方式，还是先进先出、先进后出、优先级或循环方式来安排等待处理事件的先后顺序)；预估、预判技术(为优化性能和优化处理，采用什么原则来预测未来的行为)；可靠性技术(采用什么样的冗余技术和容错技术来提高可靠性)；……图1.3IBM370系列机的概念性结构图1.4IBM370系列机字长、数的表示和数据通路宽度1.2.2计算

6、机系统结构、组成和实现三者的相互影响采用不同的系统结构会使可以采用的组成技术产生差异。例如，为实现A∶=B+CD∶=E*F如果采用面向寄存器的系统结构，其程序可以是LOADR1,BADDR1，CSTORER1,ALOADR2,EMPYR2,FSTORER2,D而对面向主存的具有三地址寻址方式的系统结构，其程序可以是ADDB,C,A#;MPYE,F,D1.3软硬取舍与计算机系统的设计思路1.3.1软硬取舍的基本原则无论是硬件实现，还是软件实现，实现费用都应包括研制费用和重复生产费用。尽管目前软件的设计效率低，但用硬件实现的设计费用

7、还是明显地大于用软件实现和用固件实现的设计费用，尤其是大规模、超大规模专用集成电路片子的设计费用是比较高的。设某功能的软、硬件实现的每次设计费用分别为Ds和Dh，则Dh≈100Ds是完全可能的。至于重复生产费用，硬件实现的也比软件实现的贵得多，后者只是软件的复制费用加上存放该软件的存贮介质(如盘片)的价格。设该功能软、硬件实现的每次重复生产费用分别为Ms和Mh,则Mh≈100Ms也是可能的。用硬件实现一个功能(如子程序调用的全部操作)，往往只需设计一次；而用软件实现时，每用到该功能往往要重新设计。设C为该功能在软件实现时需重新设计的次数，则该

8、功能用软件实现的设计费用就为C×Ds(由于重新设计时可利用原设计进行修改或简单搬用，使设计费用Ds要低得多)。同一功能的软件在存贮介质上有可能多次出现