计算机系统空间结构、组成与实现.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * §2 计算机系统结构、组成与实现 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 Art and Architecture What’s the difference between Art and Architecture? Lyonel Feininger, Marktkirche in Halle Art and Architecture What’s the difference between Art and Architecture? 第戎圣母院 哥特式建筑特点 是尖塔高耸、尖形拱门、大窗户及绘有圣经故事的花窗玻璃。 在设计中利用尖肋拱顶、飞扶壁、修长的束柱，营造出轻盈修长的飞天感。 新的框架结构以增加支撑顶部的力量，使整个建筑以直升线条、雄伟的外观和教堂内空阔空间，常结合镶着彩色玻璃的长窗，使教堂内产生一种浓厚的宗教气氛。 科隆大教堂是哥特式建筑的经典之作 法国斯特拉斯堡大教堂的玫瑰窗 What’s Computer Architecture? The attributes of a [computing] system as seen by the programmer, i.e., the conceptual structure and functional behavior, as distinct from the organization of the data flows and controls the logic design, and the physical implementation. Amdahl, Blaaw, and Brooks, 1964 SOFTWARE 计算机系统结构的定义System Architecture 是一个系统在其所处环境中最高层次的概念；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。 指的是计算机系统设计的观念与架构，描述计算机在实做的设计原则。 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 程序员：系统程序员（包括：汇编语言、机器语言、编译程序、操作系统） 看到的：编写出能在机器上正确运行的程序所必须了解到的 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。 概念性结构 IBM360系列计算机的概念性结构 IA-32的概念性结构 功能特性指令系统及其执行模式 数据表示：硬件直接认别和处理的数据类型 寻址技术：编址方式、寻址方式和定位方式 寄存器定义：寄存器的定义、数量和使用规则 指令系统：指令的操作类型、格式、排序等 存储系统：要求速度高、容量大、价格便宜 中断系统：中断类型、中断级别和响应方式 输入输出系统：数据交换方式、交换过程控制 机器工作状态：定义和切换方式，如内核态、执行态、管理态和用户态 计算机系统结构 研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定 计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功能上是同等的 同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现 不同的组成只是性能和价格不同，他们的系统结构是相同的 系列计算机概念：相同系统结构，不同组成和实现的一系列计算机系统 定义的理解 从两个角度理解： 从应用程序设计者------外特性 从计算机系统设计者---内特性 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，指令系统的外特性是最关键的 计算机系统结构的内特性 计算机系统的设计人员看到的基本属性，是外特性的逻辑实现。 包含内容： 数据通路宽度、专用部件设计、各种OS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。 内特性研究目标：内特性主要是如何合理地实现分配给硬件的功能。 学习的重要性 2000年IEEE-CS教学计划和数据结构一起作为主干课。 有助于理解不同时期出现的新概念和新技术 如：Cache、相联、CISC、RISC、Cluster、SMP、MPP、网格计算、云计算、多核技术、众核技术等。 与之有关的课程： 计算机组成、操作