计算机系统结构导论

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1、第一章计算机系统结构导论本章介绍计算机系统结构的基本概念、相关术语、主要特性、冯·诺依曼型计算机的发展，讨论影响计算机系统结构发展的主要因素、计算机系统并行性发展的技术途径与分类，阐述计算机系统结构设计的技术方法与定量分析，分析新型的计算机系统结构。第一节计算机系统结构的基本概念第二节计算机系统结构的发展及其影响因素第三节计算机系统结构中的并行性及其发展第四节计算机系统结构的设计第五节计算机系统结构的定量分析第六节数据流计算机一、提高计算机系统性能的硬件因素1.器件的换代是计算机系统换代的突出标志

2、以器件的发展为标志，计算机系统经历了四代。器件技术为计算机的发展提供了必不可少的物质基础，是推动计算机发展的基本因素。2.计算机系统结构的不断改进是现代计算机系统发展的关键因素从计算机系统结构来看，计算机系统已经历了五次更新换代。计算机系统结构是计算机换代的又一个标志。研究如何最合理地组织器件，如何最大限度地发挥器件的作用，如何构成综合性能最佳的系统，是提高计算机性能的重要途径。恩斯洛（P·H·Enslow）曾经比较了1965年至1975年间，器件的更新使器件延迟时间降低至原来的十分之一，但计算机

3、指令执行时间却降低至原来的百分之一。可见，计算机性能提高的幅度比器件性能提高的幅度大得多。第一节计算机系统结构的基本概念二、计算机系统中的有关术语1.什么是计算机系统（computersystem）计算机系统这个术语的含义一般有三种指向。一是指狭义的计算机系统。认为计算机系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五个部件组成。其中运算器和控制器合称为中央处理器（CPU），存储器又分为内存（又称主存memory）和外存（又称辅存storage）两种，所以这种说法又可简化为I/O—CPU—M/

4、S模式。二是指本义的计算机系统。认为计算机系统是由硬件（hardware）和软件（software）两部分组成。由于技术飞速进步，软件和硬件在逻辑功能上是等效的，某些操作既可以用软件实现，也可以用硬件实现。软件和硬件之间没有固定不变的界面，主要受实际的需要和性能价格比所支配。具有相同功能计算机系统的软件与硬件之间的组合分配可能相差很大。这就是当今软硬结合的现实，这种说法可以认为是S—H模式。三是指广义的计算机系统。认为计算机系统是由人员（pcopte）、数据（data）、设备（equipment）

5、、程序（program）、规程（procedure）等五部分组成，只有把它们有机地结合在一起才能完成各种任务，这种说法又称为广义模式。2.广义的计算机语言计算机系统的的根本功能在于对信息进行处理，而一个信息的处理过程是指令序列（程序）的执行过程，指令序列可用控制流程的概念来描述。指令序列中的指令仍然是一个信息的处理过程，即任何一个信息的处理过程都是对某一层面而言。因此，把描述控制流程的、有一定规则的字符集合称之为计算机语言。而控制流程的实现有三种方法：（1）全硬件的方法，即用硬件组合逻辑线路实现。

6、（2）硬件和软件相结合的方法，即部份流程由微程序实现，而另一部份由硬件逻辑实现。（3）全软件的方法，即按流程算法编制程序实现。可见，计算机语言并不专属软件范畴，它可以分属于计算机系统的各个层面，而且有不同的作用，这也就是计算机语言的广义性。3.虚拟计算机计算机语言描述的信息处理过程都必须编译或解释成具体的操作控制信号才能实现流程控制，所以编译或解释程序是计算机系统不可分割的一部分。从这一角度来讲，计算机只对某一层次的观察者而存在，通过该层次的广义语言来体现它的功能，并为广义语言提供翻译手段，作用于

7、信息处理和控制对象上，并从对象上获得必观察者状态信息控制信息图1.1虚拟计算机的组成广义语言编译或解释器作用对象要的状态信息，这就是虚拟计算机。简言之，由软件实现的机器即为虚拟计算机。显然，它是基于广义的计算机语言的观点而形成的一个概念，其组成如图1.1所示。4.透明性(Trans-parency)虚拟计算机仅对这一层次的观察者而存在的。从某一层次的观察者来看，只是通过该层次的语言来了解和使用机器，不必关心其内层的那些机器是如何工作和如何实现各自功能的。这一概念称为透明性(Trans-parenc

8、y).即所谓透明性是指在计算机技术中，一种本来存在的事物或原性，但从某种角度看似乎不存在。它是基于虚拟计算机的观点而形成的一个概念。三、计算机系统结构与组成及实现1.计算机系统结构（1）什么是计算机系统结构。“计算机系统结构”这个词来源于英文Computeranchitecture,也可翻译为“计算机体系统结构”。Architecture这个字原来用于建筑领域，其意义是“建筑学”，“建筑物的设计或式样”，是指一个系统的外貌。计算机系统结构这个词是G.M.Amdahl等人在1964年