第一章计算机系统结构概论

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；
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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 一种计算机系统 可以采用不同的 结构 组成 1。设计指令系 1。指令间顺序执 速度慢、价格 性能价格 统 行 低 比

在所有系统结构的特性中，指令系统的 外特性是最关键的
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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。
操作系统机器M2 具有L2机器语言（作业控制语言等）
一般用机器语言程序解释 作业控制语句
传统机器M1 具有L1机器语言（机器指令系统）
由微指令程序解释机器指令
微程序机器M0 具有L0机器语言（微指令系统）
微指令由硬件直接执行
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第3级
虚拟机器
第2级 虚拟机器 第1级 实际机器 第0级 实际机器
汇编语言机器M3 具有L3机器语言（汇编语言）
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§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

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计算机系统结构的定义

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。


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。


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
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透明性



本来存在的事务或属性，从某个角度上 看不到。反之，不透明。 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。


编译+解释

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几点说明

M0用硬件，M1用固件，其它用软件。

固件（Firmware）：指存储在计算机ROM 和其它集成电路中的系统软件，固件不能随 意改变。

计算机系统作为一个整体，包括软、硬 件，之间无固定界面。
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几点说明（续）

低层语言功能简单，而高层语言功能复杂。 虚拟机器（Virtual Machine）：用软件为主 实现的机器。
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举例1


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
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举例2

主存系统
第一章 计算机系统结构概论
1
目录



计算机系统的多级层次结构 计算机系统结构、组成与实现 计算机系统的软硬取舍、性能评测及定 量设计原理 软件、应用、器件对系统结构的影响 系统结构中的并行性发展和计算机系统 的分类
2
什么是计算机？


计算机是一种不需要人的直观干预而能 自动完成各种算术和逻辑运算的工具。 说明：
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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。
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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

随着技术的发展，概念有所变化。

PDA、机顶盒、商务通、MP3，智能手机等

计算机是工具。Tools
3
计算机的功能

科学计算 数据处理（信息处理） 过程控制 人工智能
4
计算机的主要特性



快速性 通用性：任务-〉算术逻辑操作-〉指令 准确性：数字化 逻辑性
5
§1 计算机系统的多级层次结构
微程序机器M0 具有L0机器语言（微指令系统）
微指令由硬件直接执行
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多级层次结构（机器---语言）


M5：应用语言机器--------应用语言 M4：高级语言机器--------高级语言 M3：汇编语言机器--------汇编语言 M2：操作系统机器-------作业控制语言 M1：传统机器-------------机器指令系统 M0：微程序机器----------微指令系统

例如：Java虚拟机。 M0~M1：计算机组织与结构 M2~M3：系统软件 M4： 应用程序 M5： 系统总体分析
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分层的学科

分层的优点



有利于人们正确理解计算机系统的工作， 明确软硬件和固件在计算机系统的地位和 作用 理解各种语言的实质及其实现 有利于探索虚拟机器新的实现途径，便于 设计新的系统 有助于理解计算机体系结构的含义，从而 合理地进行计算机系统的开发和设计。
算逻单元 寄存器 控制器
7
从观察者看到的虚拟计算机
广义语言
虚拟计算机
控制信息
观察者
作用对象
编译 解释器
状态信息
8
计算机系统的多级层次结构

多级层次结构：是从使用语言的角度， 基于程序员与计算机系统对话中所采用 的语言结构和语义划分。


机器----语言 现代计算机系统的层次结构分为六级。
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第0级 实际机器
微程序机器M0 具有L0机器语言（微指令系统）
微指令由硬件直接执行
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第1级 实际机器 第0级 实际机器
传统机器M1 具有L1机器语言（机器指令系统）
由微指令程序解释机器指令
微程序机器M0 具有L0机器语言（微指令系统）
微指令由硬件直接执行
11
第2级 虚拟机器 第1级 实际机器 第0级 实际机器
高级语言程序经编译程序翻译 成汇编语言（或是某种中间语 言程序，或是机器语言程序） 汇编语言程序经汇编程序 翻译成机器语言程序
虚拟机器
第2级 虚拟机器 第1级 实际机器 第0级 实际机器
汇编语言机器M3 具有L3机器语言（汇编语言）
操作系统机器M2 具有L2机器语言（作业控制语言等）
一般用机器语言程序解释 作业控制语句
Байду номын сангаас

机器：能存储和执行相应语言程序的算 法和数据结构的执行体。 计算机语言：是用以描述控制流程的、 有一定规则的字符集合。

语言不是专属软件范畴，可以分属于计算机 系统的各个层次，具有不同作用。
6
计算机的层次观点——结构观点
计算机系统 外围设备 中央处理器 控制器 顺序逻辑 控制器的寄存器和译码器 控制存储器 计算机系统的层 次特性是研究计 算机体系结构的 基础 主存储器 计算机 I/O 通信线路 系统互连
汇编语言程序经汇编程序 翻译成机器语言程序
操作系统机器M2 具有L2机器语言（作业控制语言等）
一般用机器语言程序解释 作业控制语句
传统机器M1 具有L1机器语言（机器指令系统）
由微指令程序解释机器指令
微程序机器M0 具有L0机器语言（微指令系统）
微指令由硬件直接执行
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第4级
虚拟机器 第3级
高级语言机器M4 具有L4机器语言（高级语言）
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举例1


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。
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计算机组成设计的几个方面



数据通路宽度 各种操作功能部件的共享程度 专用部件的设置 功能部件的并行性 缓冲和排队技术 控制机构的组成方式 预测技术 可靠性技术
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计算机实现


计算机组成的物理实现 研究各部件的物理结构、机器的制造技 术和工艺等，是计算机组成的物理实现。 它着眼于器件技术和微组装技术。 主存的物理实现，如存储器采用什么样 器件，逻辑电路设计和微组装技术均属 计算机实现
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§3 计算机系统的软硬取舍、性能评 测及定量设计原理
第4级
虚拟机器 第3级
高级语言机器M4 具有L4机器语言（高级语言）
汇编语言机器M3 具有L3机器语言（汇编语言） 操作系统机器M2 具有L2机器语言（作业控制语言等） 传统机器M1 具有L1机器语言（机器指令系统）