计算机系统结构串讲讲解

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，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.多层次结构的观点得出，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: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。(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。它着眼于器件技术和微组装技术，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。①相同结构(如指令系统相同)的计算机，可以因速度不同而采用不同的组成；相同组成可有多种不同的实现方法。②系统结构不同会使可能采用的组成技术不同。反过来，组成也会影响结构。③组成设计上面决定于结构，下面受限于实现技术，它们是可以与实现折衷权衡的。组成和实现的权衡取决于器件的来源、厂家的技术特长和性价比能否优化。1.3计算机系统设计思路：解题速度、程序存储空间、硬件成本、硬件利用率、计算机系统的灵活性和适应性。2.软、硬件取舍的基本原则：1）在现有硬、器件条件下，系统要有高的性价比，主要从实现费用、速度和其他性能要求来综合考虑。2）尽可能的不要过多或不合理的限制各种组成、实现技术的采用。3）“硬”件便于应用组成技术的成果和便于发挥器件技术的进展，“软”件为编译和操作系统的实现以及为高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持。3.计算机系统的设计思路:由上往下,由下往上,由中间开始＠由上往下：从考虑如何满足应用要求，定好面对使用者那级机器应有什么基本功能和特性，逐级往下设计，每级都考虑怎样优化上一级实现，这样设计的计算机系统对于设计时面向的应用必然是很好的。缺点①是应用的改变会带来系统效率的急剧下降；②适用于专用机设计，不适用于通用机的设计。＠由下往上：不管应用的要求，只根据已有器件和硬件的状况，先设计微程序机器级，先设计出微程序机器级（如果采用微程序控制）及传统机器级，然后再为不同应用配多种操作系统和编译软件，使应用人员可根据所提供的语言种类、数据形式，采用合适的算法来满足相应的应用。这是常用的通用机设计思路。缺点是①造成软硬件脱节，软件设计复杂；＠由中间开始：从层次结构中的软硬交界面，目前多数是传统及其级与操作系统机器级之间。既考虑能拿到的硬、器件，又要考虑硬件对操作系统、编译系统的实现提供什么支持，然后由中间点分别往上、往下进行软件和硬件的设计。优点在于：针对上述两种方法的缺陷，软件和硬件并行设计，可缩短系统设计周期，设计过程中可交流协调，是一种交互式的、较好的设计方法。1.4软件的可移植性：指的是软件不修改或只经少量修改就可由一台机器移到另一台机器上运行，同一软件可应用于不同的环境。优点：软件能长期使用，减少了编制软件的工作量，让新系统立即发挥效能。2、实现软件移植的几个基本技术：统一高级语言、采用系列机、模拟和仿真。1）统一高级语言：设计出一种完全通用的高级语言，结构相同以至完全不同的机器之间都能实现高级语言程序的软件移植。问题是:A不同的用途要求语言的语法、语义结构不同。B人们对语言的基本结构看法不一。C即使同一种高级语言不同厂家的机器上也不能完全通用。D受习惯势力阻挠。对策：统一高级语言可以解决结构相同或完全不同的机器间的软件移植，但目前难以解决，只能作相对统一。2）.采用系列机：在结构相同或相似的机器之间实现软件移植。从中间向两边设计相呼应。在软、硬件界面上设定好一种系统结构，其后，软件设计者按此设计软件，硬件设计者根据机器速度、性能、价格的不同，选择不同器件、硬件和组成、实现技术，研制并提供不同档次的机器。优点：①解决了软件环境要求稳定，软件可不断积累、丰富、提高。②能不断采用新的器件和硬件技术，使之性能不断提高。缺点：因要保持向后兼容性，器件越来越复杂，最终系统结构受到发展限制。系列机软件兼容最基本要求和特征是系列机软件必须保证向后兼容，力争向上兼容。对策：系列机是普遍采用的好办法，但只能实现同一系列内软件兼容，同时软件兼容又会阻碍系统结构突破性的发展；适当的时候推出新的系列结构。3）模拟和仿真模拟：用机器语言程序解释实现软件移植的方法。缺点运行速度显著降低，实时性差，模拟程序编制复杂和费时。仿真:用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法。缺点：微程序机器结构深依赖于传统机器级的结构，当两种机器结构差别大时就很难仿真。两者区别：模拟和仿真是不同系统结构的机器之间的机器语言软件移植方法。在于解释用的语言。仿真是用微程序解释，其解释程序存在控制存储器中；模拟是用机器语言解释，其解释程序存在主存中。对策：模拟灵活，可实现不同系统间的软件移植，但结构差异较大时，效率、速度会急剧下降；仿真速度较快，但不灵活，只能在差别不大的系统之间使用。因此，在不同系列机器间的软件移植时，将模拟和仿真两种技术结合起来使用。1.5处理性价格比关系两种趋势：维持价格提高性能；维持性能降低价格。从系统结构的观点看：①低档(型)机上引用甚至照搬高档(型)机的结构和组成。②巨、大型机一般采取维持价格、提高性能或提高价格、提高性能来研究和采用新的结构及组成。③为保持小、微型机的便宜价格，从结构和组成上采用为不同用途提供相应选购件或扩展部件的做法是可取的。2.器件的发展历程：从电子管、晶体管、小规模集成电路、大规模集成电路迅速发展到超大规模集成电路，并使用或开始使用砷化镓器件、高密度组装技术和光电子集成技术。已从非用户片发展到现场片与用户片。同一系列内各档机器可分别用通用片、现场片或用户片实现。等机器成熟取得用户信任后，再改用半用户片或全用户片实现。高速机器一般一开始就用门阵列片或用户片，才能发挥出单元电路的高速性。①器件的发展改变了计算机系统设计的传统方法。过去逻辑设计主要是以节省功耗、降低成本、提高速度为目的，而对VLSI来说，如何能缩短设计周期、提高系统效能及能用上批量生产的通用的VLIS片子为目的。②器件的发展推动结构和组成的发展。加速了结构的“下移”；促进了算法、语言和软件的发展。1.61.并行性：指有同时进行运算或操作的特性。开发并行性的目的是为了能并行处理，以提高计算机解题的效率。并行性包括同时性（二个或多个事件在同一时刻发生）和并发性（两个或多个事件在同一时间间隔内发生）2）并行性等级＠执行程序的等级划分：（由低到高）指令内部、指令之间、任务或进程之间、作业或程序之间＠处理数据的等级划分：（由低到高）位串字串、位并字串、位片串字并、全并行＠信息加工的等级划分：（由低到高）存储器操作并行、处理器操作并行、指令、任务、作业并行。3）并行性开发的途径：时间重叠，资源重复，资源共享＠时间重叠:引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。＠资源重复：引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能。＠资源共享：用软件的方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源来提高其利用率，也就提高了系统的性能。并行处理计算机的结构：流水线计算机——时间重叠，阵列处理机——资源重复，多处理机——资源共享。4）计算机系统的并行性发展1960年以前，算术运算的位并行及运算与输入/输出操作的并行。1960～1970年，多道程序分时系统、多功能部件、流水线单处理机等。1970～1980年，VLSI的普遍应用，出现了大型和巨型的向量机、阵列机、相联处理等多种并行处理系统结构。1980～1990年，有精简指令系统计算机(RISC)，指令级并行的超标量处理机、超流水线处理机、超长指令字(VLIW)计算机，多微处理机系统，数据流计算机和智能计算机。1990年以来，计算机发展进入新的多计算机和智能计算机时代。多处理机包括多向量机及机群系统、多计算机系统将是今后并行处理计算机发展的主流。3T性能目标：要求计算机系统能有1TFLOPS计算能力、1TB主存容量、1TB/sI/O带宽。2、并行处理机按其基本结构特性分为四种：流水线计算机、阵列处理机、多处理机（分布处理、机群系统和MPP）和数据流计算机。2）多机系统包含多处理机系统和多计算机系统。多处理机系统：是由多台处理机组成的单一系统。多计算机系统：则是由多台独立的计算机组成的系统。耦合度：反映多机系统中各机器之间物理连接的紧密度和交叉作用能力的强弱。多机系统的耦合度有最低耦合、松散耦合、紧密耦合之分。3.计算机系统的分类（弗林分类法）:按指令流和数据流的多倍性对计算机分类。四大类：SISD（单处理器的计算机、流水线单处理机）、SIMD（阵列处理机、相联处理机）、MISD（脉动阵列流水机）、MIMD（多处理机和多计算机系统）第2章数据表示、寻址方式与指令系统2.1数据表示：是能由机器硬件直接识别和引用（处理）的数据类型；数据表示是硬件设计的基础，数据结构：各种数据元素之间的结构关系，是软硬功能分配中软的方面。数据结构是通过软件映象变换成机器所具有的各种数据表示实现，数据表示是数据结构的组成元素。2.高级数据表示1)自定义数据表示：标志符和数据描述符2）带标志符的数据表示：将数据类型和数据本身联系在一起，机器语言中的操作码和高级语言的运算符能够通用于各种数据类型的操作。优点：简化了指令系统和程序设计；简化了编译程序；便于实现一致性校验；能由硬件自动完成数据类型的变换；支持了数据库系统的实现与数据类型无关的要求；为软件调试和应用软件开发提供了支持。标志符应由编译程序建立，对高级语言程序透明，以减轻应用程序员的负担。缺点：每个数据字因增设标志符，会使程序所占用的主存空间增加；采用标志符会降低指令的执行速度。3）数据描述符：主要用于描述向量、数组、记录等成块数据。数据描述符和标志符的差别：标志符是和每个数据相连的，合存在一个存贮单元中，描述单个数据的类型特征；描述符是和数据分开存放的，专门用来描述所要访问的整块数据特征。优点：描述相同类型的数据块时，占用空间比标志符少，比标志符的效率要高；为向量、数组实现提供了支持，有利于简化高级语言编译中的代码生成可以比变址法更快形成元素地址。缺点：由于没有相应的向量、数组运算类指令的高速运算硬件，数据描述符并不能支持向量、数组的高效实现。4）向量数据表示:为向量、数组数据结构的实现和快速运算提供更好的硬件支持的方法是增设向量、数组数据表示，组成向量机，如STAR-100和CRAY-1等。有向量数据表示的处理机就是向量处理机，如向量流水机、阵列机、相联处理机等。引入向量、数组数据表示优点：1)快速形成元素的地址，2）便于实现把向量各元素成块预取到中央处理机，并用一条向量、数组指令流水或同时对整个向量、数组高速处理，用硬件判断下标是否越界，3）让越界判断和元素运算并行。高速巨型机都设置有向量数据表示；现在向量、数据表示已下移到了通用机和系列机上。5）堆栈数据表示特点：①有高速寄存器组成的硬件堆栈，并与主存中的堆栈区在逻辑上构成整体，使堆栈的访问速度是寄存器的，容量是主存的。②有丰富的堆栈操作指令且功能很强，直接可对堆栈中的数据进行各种运算和处理。③有力地支持了高级语言程序的编译。④有力