计算机系统结构：透明性、设计思路与软硬件取舍

"计算机系统结构期末总结" 计算机系统结构是计算机科学中的核心领域，它探讨了计算机硬件和软件之间的接口以及它们如何协同工作。本总结涵盖了计算机系统设计的关键概念，包括透明性、设计思路、软硬件取舍、系列机与兼容机的区别、软件移植、主存命中率的影响因素以及中断系统的软硬件实现。 1. **透明性**： 透明性是指在特定层次上的用户无法感知到某些技术细节。例如，对于高级语言程序员来说，浮点数表示和乘法指令是透明的，他们无需了解这些操作的底层实现。然而，对于汇编和机器语言程序员，这些细节则是透明的，因为他们直接与硬件交互。同样，数据总线宽度和微程序对硬件设计者和维修人员是透明的，而对编程在较低级别的开发者则不是。 2. **计算机系统设计思路**： - 由上至下的设计是从应用出发，软件定义硬件，适合专用机，但可能导致通用机的灵活性和适应性不足。 - 由下至上的设计是硬件决定软件，可能会限制软件设计，造成软硬件脱节。 - 由中间到两边的设计，先定义软硬件接口，再分别设计软件和硬件，兼顾两者，有利于并行设计和优化。 3. **软硬件取舍**： 软硬件取舍的决策基于性能、成本和技术可行性。当某个功能使用频繁且产量大时，考虑硬件实现；在选择硬件时要考虑其组成和实现技术；而在软件方面，应考虑如何简化编译和操作系统实现，减少高级语言与机器语言的差异。 4. **系列机与兼容机**： 系列机是同一制造商生产的不同型号，具有相同的系统结构但不同的实现。兼容机则是不同厂商生产的系统结构相同的机器。系列机如Intel的80X86系列及其兼容机，提供相同的用户接口，但性能可能因型号而异。 5. **软件移植**： 软件移植分为模拟和仿真。模拟是用宿主机解释虚拟机指令，适用于结构差异大的系统，但速度较慢；仿真则通过微程序解释目标机指令系统，速度更快，适用于结构相近的系统。 6. **影响主存命中率的因素**： 主存命中率受页面大小、主存容量和页面调度策略的影响。更大的页面大小可能提高命中率，但可能导致更大的内存浪费；主存容量直接影响缓存数据的数量；而合理的页面调度策略能有效提高命中率。 7. **中断系统中的软硬件实现**： 中断处理通常涉及软件保存现场、执行服务程序和恢复中断点，以及硬件接收请求、保存断点、清除请求和转向服务程序。中断向量表、硬件排队器和比较器也是硬件实现的关键部分。软硬件结合的方式可以灵活应对不同的中断处理需求。 总结以上，计算机系统结构是一个复杂而深奥的领域，涉及多层面的设计决策和优化，理解和掌握这些知识点对于理解和改进计算机系统的性能至关重要。