计算机系统结构1-2

1.2计算机系统结构、组成与实现主要内容：计算机系统结构、组成与实现的定义和内涵计算机系统结构、组成和实现的相互关系计算机系统结构的定义SYSTEMARCHITECTURE是对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下的功能进行分配。1964年，IBM/360系列机的总设计工程师G.M.Amdahl、G.A.Blaauw、F.P.Brooks等人提出。也称体系结构。是从程序员的角度所看到的系统的属性，是概念上的结构和功能上的行为它不同于数据流程和控制的组织，不同于逻辑设计以及物理实现方法。定义的理解从两个角度理解：从应用程序设计者------外在特性从计算机系统设计者---内在特性计算机系统结构作为一门学科，主要研究软件、硬件功能的分配和对软件、硬件界面的确定。计算机系统结构的外在特性是计算机系统的概念性结构和功能特性一般应包括以下几个方面指令系统、数据表示、操作数的寻址方式寄存器的构成定义、中断机构和例外条件存储体系和管理、I/O结构机器工作状态定义和切换、信息保护在所有系统结构的特性中，指令系统是最关键的外在特性计算机系统结构的内在特性计算机系统的设计人员看到的基本属性，是外在特性的逻辑实现。包含内容：数据通路宽度、专用部件设计、各种部件的共享程度功能部件并行度、控制机构组成方式、排队与缓冲技术预估与预判技术、可靠性技术等。内在特性研究目标：内在特性主要是如何合理地实现分配给硬件的功能。计算机组成COMPUTERORGANIZATION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实现。着眼于机器级内部事件的排序方式与控制结构、各部件的功能及各部件间的联系。研究：在所期望达到的性价比下，怎样最佳、最合理的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。包括内容：数据通路宽度专用部件的设置各种操作对部件的共享程度功能部件的并行度控制机构的组织方式缓冲和排队技术预估、预判技术可靠性技术计算机实现COMPUTERIMPLEMENTATION计算机组成的物理实现研究实际器件技术和微组装技术。包括：处理机、主存等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例1-2-1制造飞机：第一步：要确定载客人数、速度、高度等技术指标，-----系统结构第二步：根据技术指标研究、设计座舱怎么安排才可以满足载客数量，飞机外形怎么设计才符合空气动力学，供油、发动机、控制系统等等怎样设计、组成，从而形成设计图纸上的飞机------组成第三步：经过论证确定设计没有问题，把图纸交付工厂，由工人开始生产------实现例1-2-2指令系统指令系统的确定----系统结构指令的实现----------组成具体电路、器件设计及装配技术---实现乘法指令是否设乘法指令---系统结构用高速乘法器还是加法器移位器实现---组成器件的类型、数量及组装技术的确定---实现例1-2-3主存系统主存容量与编址方式的确定----系统结构主存速度的确定、逻辑结构的模式---组成器件的选定、电路的设计、组装技术---实现什么样的系列机属系统结构，系列内的不同型号计算机的组织属组成透明概念：在计算机中，客观存在的事物或属性从某个角度看不到，称这些事物或属性对它是透明的。计算机中的“透明”与社会生活中的“透明”，含义正好相反。社会生活中所说的“透明”，是指公开的，让大家看得到的意思；而计算机中所讲的“透明”，则是指看不到的意思。透明就会简化某一级的设计，但同时由于看不到，就会无法控制，带来不利。所以，要正确的进行透明性分析和取舍。透明性问题说明本来存在的事务或属性，从某个角度上看不到。反之，不透明。例外：C语言的register类别变量。在一个计算机系统中，低层机器的属性往往对高层机器的程序员是透明的计算机组成设计的内容，对传统机器程序员来讲一般是透明的。例1-2-4在多级层次结构的计算机系统中，传统机器级的概念性结构和功能特性，对高级语言的程序员来说是透明的，而对汇编语言的程序员来说不是透明的。这说明高级语言的程序员不必知道机器的指令系统、中断机构等，这些本来存在的属性，对高级语言的程序员来说好象不存在一样，所以说是透明的。对计算机系统结构来说，存储器采用交叉存取还是并行存取、CPU内部的数据通路的宽度是8位还是16位，这些都是透明的，而对计算机组成来说这些不是透明的。例1-2-5乘法指令采用专用乘法器实现。对系统结构来说是透明的，而对计算机组成来说不是透明的。存储器采用哪种芯片，对计算机系统结构和组成来说是透明的，而对计算机实现来说不是透明的。系统结构、组成和实现三者的相互关系具有相同系统结构的计算机可以采用不同的组成，一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现；采用不同的系统结构会使可以采用的组成技术产生差异，计算机组成也会影响系统结构；一种计算机系统结构，可以采用不同的组成一种计算机系统结构可以采用不同的组成性能与价格考虑因素1.设计指令系统1.指令间顺序执行速度慢、价格低性能价格比2.指令间重叠执行速度快、价格高2.乘法指令1.用加法器、移位器速度慢、价格低性能价格比、乘法指令使用频度2.用专门乘法器速度快、价格高不同系统结构的影响（举例）A:=B+CD:=E*F面向寄存器：LOADR1,BADDR1,CSTOREA,R1LOADR2,EMPYR2,FSTORED,R2面向三地址寻址：ADDB,C,AMPYE,F,D系统结构、组成和实现三者的相互关系计算机组成的设计，其上决定于计算机系统结构，其下又受限于所用的实现技术，它的发展促进了实现技术的发展，也促进了结构的发展；计算机实现，特别是器件技术的发展是计算机系统结构和组成的基础，促进了组成与结构的发展；随着技术的发展，三者关系融合于一体，难以分开，在相互促进中发展。