计算机系统结构串讲.doc

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）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。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。 计算机组成：(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：(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。“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缺点是应用的改变会带来系统效率的急剧下降；　　＠由下往上：微程序机器级缺点是造成软硬件脱节，软件设计复杂；＠由中间开始：层次结构中的软硬交界面。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，在结构相同或相似的机器之间实现软件移植优点：解决了软件环境要求稳定，软件可不断积累、丰富、提高。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缺点运行速度显著降低，实时性差，模拟程序编制复杂。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：在于解释用的语言。非用户片现场片与用户片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。：指有同时进行运算或操作的特性。并行性同时性（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）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。并行性开发的途径 时间重叠资源重复资源共享＠时间重叠:＠资源重复：＠资源共享： 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四大类：SISD、SIMD、MISD、MIMD数据表示数据结构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。标志符数据描述符占用空间比标志符少引入数据表示的原则其通用性和利用率是否高。’ 可表示尾数的个数