计算机系统结构第一章-概论

计算机系统的层次结构

• 使用语言角度，一台由软、硬件组成的通用计算机系统可以被看成是按功能划分的多层机器级组成的层次结构。
• 层次结构由高到低分为应用语言机器级、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、微程序机器级。
  
• “机器”被定义为能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体，实际上，只有二进制机器指令，即传统所讲的机器语言与机器硬件直接对应，方可直接被硬件识别和执行。
• 各机器级的实现采用翻译技术或解释技术，或者是这两种技术的结合。
  翻译技术：先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成低一级机器级上等效的程序，然后在低一级机器级上实现的技术。
  解释技术：在低级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能，是通过对高级机器级语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。
• 固件：是一种具有软件功能的硬件。以软件为主实现的机器称为虚拟机器，以区别于有硬件或固件实现的实际机器。虚拟机器不一定全由软件实现，有些操作也可以用固件或硬件实现。

计算机系统结构、计算机组成和计算机实现

• 计算机系统结构也称计算机系统的体系结构，它只是系统结构中的一部分，指的是传统机器语言机器级的系统结构。界面之上：操作系统级、汇编语言级、高级语言级、应用语言级中所有软件的功能；界面之下：所有硬件和固件的功能。因此，它是软件和硬件/固件的交界面，是机器语言、汇编语言程序设计者或编译者程序设计者看到的机器物理系统的抽象。
• 计算机系统结构研究的是软、硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定。为机器语言、汇编语言程序设计者或编译程序生成系统设计或生成的程序能在机器上正确运行提供应看到和遵循的计算机属性。
• 目前的通用机来说，计算机系统结构的属性包括：
  1. 硬件能直接识别和处理的数据类型及格式等的数据表示。
  2. 最小可寻址单位、寻址种类、地址计算等的寻址方式。
  3. 通用/专用寄存器的设置、数量、字长、使用约定等的寄存器组织。
  4. 二进制或汇编指令的操作类型、格式、排序方式、控制机构等的指令系统。
  5. 主存的最小编址单位、编址方式、容量、最大可编址空间等的存储系统组织。
  6. 中断的分类与分级、中断处理程序功能及入口地址等的中断机构。
  7. 系统机器级的管态和用户态的定义与切换。
  8. 输入/输出设备的连接、使用方式、流量、操作结束、出错提示等机器级I/O结构。
  9. 系统各部分的信息保护方式和保护机构等属性等。
• 计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
• 计算机组成设计主要是围绕提高速度，着重提高操作的并行度、重叠度，以及功能的分散和设置专用功能部件来进行的。
• 计算机组成设计要确定的方面一般包括：
  1. 数据通路宽度(数据总线一次并行传送的信息位数)。
  2. 专用部件的设置(是否设置乘除法、浮点云算、字符处理、地址运算等专用部件，设置的数量与机器要达到的速度、价格及专用部件的使用频率等有关)。
  3. 各种操作对部件的共享程度(分时共享使用程度高，虽然限制了速度，但价格更便宜。设置部件多降低共享程度，因操作并行度提高，可提高速度，但价格也会提高)。
  4. 功能部件的并行度(是用顺序串行，还是用重叠、流水或分布式控制和处理)。
  5. 控制机构的组成方式(用硬件还是微程序控制，是单机处理还是多机或功能分布处理)。
  6. 缓冲和排队技术(部件间如何设置及设置多大容量的缓冲器来协调他们的速度差。是用随机、先进先出、先进后出、优先级，还是用循环方式来安排事件处理的顺序)。
  7. 预估、预判技术(用什么原则为优化性能预测未来行为)。
  8. 可靠性技术(用何种冗余和容错技术来提高可靠性)。
• 计算机实现：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，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，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
• 指令系统的确定属于计算机系统结构。指令的实现，如取指令、指令操作码译码、计算操作数地址、取数、运算、送结果等的操作安排和排序属于计算机组成。实现这些指令功能的具体电路、器件的设计及装配技术属于计算机实现。
• 机器/汇编指令系统、数据表示、是否采用通道方式输入/输出的确定属于计算机系统结构；指令采用顺序、重叠、流水还是其他方式解释，数据通路宽度的确定，通道采用结合型还是独立型，则属于计算机组成。