计算机系统结构-笔记（02325）自考_02325计算机系统结构

02325

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第一章概论

第一节计算机系统的层次结构

一、计算机系统的层次结构

1、计算机系统 = 硬件 + 软件

硬件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。

软件：系统软件、应用软件。

2、从使用语言的角度，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。

3、从计算机语言的角度，把计算机系统按功能分成 6 级

4、”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。

二、虚拟机、翻译、解释

1、虚拟机：由软件实现的机器

2、语言实现的两种基本技术

1）翻译：先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地转变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。

2）解释：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。

解释执行比编译后再执行所花的时间多，但占用的存储空间较少。

第二节计算机系统结构、计算机组成与计算机实现

一、计算机系统结构的定义和内涵

1、从计算机的层次结构角度来看，系统结构是对计算机系统中各级界面的定义及其上下的功能分配。

2、透明性：如果客观存在的事物或属性从某个角度看不到，则称对它是透明的。

3、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。

4、计算机系统结构的属性：

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、出错指示等的机器级 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。

二、计算机组成与计算机实现的定义和内涵

1、计算机组成指的是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。

2、计算机组成着眼于机器级内部各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能及各部件间的联系。

3、计算机组成设计要确定的方面一般应包括：

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。

4、计算机实现指的是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。

5、计算机实现的设计着眼于器件技术和微组装技术，其中，器件技术起着主导作用。

6、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；指令采用的

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。

三、计算机系统结构、组成和实现的相互关系和影响。

1、计算机系统结构、组成和实现的相互关系和影响

1）相同结构的计算机，可以因速度不同而采用不同的组成。

2）一种组成可有多种不同的实现方法。

3）结构不同会使可能采用的组成技术不同。

4）组成也会影响结构。

2、计算机系统结构设计的任务是进行软件、硬件的功能分配，确定传统机器级的软、硬件界面，但作为”

计算机系统结构”这门学科来讲，是包括了系统结构和组成两个方面的内容。

第三节计算机系统的软硬件取舍与定量设计原理

一、软、硬件取舍的基本原则

1、软件的功能可以用硬件或固件完成，硬件的功能也可以用软件模拟完成，只是它们在性能、价格、实现

的难易程度上是不同的。

2、软/硬件的功能分配是计算机系统结构的主要任务，而软件和硬件在逻辑功能上又是等效的

3、软/硬件实现的优缺点：一般来说，提高硬件功能的比例可提高解题速度，减少程序所需要的存储空间，

但会增加硬件成本，降低硬件利用率和计算机系统的灵活性及适应性；而提高软件功能的比例可降低硬件

成本，提高系统的灵活性、适应性，但解题速度会下降，软件设计费用和所需的存储器用量增加。

4、计算机系统软硬件费用评估

1）无论是硬件还是软件，费用都应包括研制费用和重复生产费用。

① 研制费用：设某功能的软、硬件实现的每次设计费用分别为 D

和 D

，则 D

≈ 100D

是完全可能的。

② 生产费用：设该功能软、硬件实现的每次重复生产费用分别 M

和 M

，则 M

≈ 100M

也是可能的。

2）设 C 为该功能在软件实现时需重新设计的次数，则该功能用软件实现的设计费用就为 C * D

设该功能在存贮介质上出现了 R 次，软件实现此功能的重复生产费用就为 R * M

3）假定该计算机系统共生产了 V 台，每台计算机若用硬件实现该功能的费用就为 D

/V + M

；改用软件实

现则为 C * D

/ V + R * M

；

只有 D

/ V + M

< C * D

/ V + R * M

用硬件实现适宜。

将上述 D

与 D

、M

与 M

的比值代入，得 100D

/ V + 100M

< C * D

/ V + R * M

，假设 D

≈ 10

* M

得

到 10

/ V + 100 < 10

* C / V + R。因为 C 值一般总比 100 小，所以 V 值越大，这个不等式就越能成立。换句

话说，只有对产量大的计算机系统，增大硬件实现的比例才是适宜的。如果用硬件实现不能给用户带来明

显的好处，其产量仍较低，则系统是不会有生命力的。

5、计算机系统软硬件取舍的基本原则

1）应考虑在现有硬、器件(主要是逻辑器件和存储器件)条件下，系统要有高的性能价格比，主要从实

现费用、速度和其他性能要求来综合考虑。

2）要考虑到准备采用和可能采用的组成技术，使之尽可能不要过多或不合理地限制各种组成、实现技

术的采用。

3）不能仅从"硬"的角度去考虑如何便于应用组成技术的成果和便于发挥器件技术的进展，还应从"软"

的角度把如何为编译和操作系统的实现以及高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持放在首位。

二、计算机系统的定量设计原理

1、计算机系统性能的唯一可靠指标

1）真实程序的运行时间是计算机性能的唯一可靠的测度！

2）衡量性能最可靠的标准：真实程序的执行时间。

2、定量设计原理

1）哈夫曼压缩原理

尽可能加快处理高概率的事件远比加速处理概率很低的事件对性能的提高要显著。

2）Amdahl（阿姆达尔）定律

改进效果好的高性能系统应是一个各部分性能均能平衡得到提高的系统，不能只是其中某个功能部件

性能的提高。

用于确定对系统中性能瓶颈部件采取措施提高速度后，系统性能改进的程度，即系统的加速比 S

。也

可以表示为：S

old

new

（即系统未改进时的程序执行时间与改进后的程序执行时间的比值）

① 性能改进比 f

new

是系统性能可改进部分占用的时间与未改进时系统总执行时间的比值，显然，

0<=f

new

<=1。

② 部件加速比 r

new

是系统性能可改进部分在改进后性能提高的比值，显然 r

new

>1。

这样，系统加速比为：S

old

new

=1/((1-f

new

)+f

new

)

其中(1-f

new

)为不能改进性能这部分的比例。因此当系统性能可改进比 f

new

为 0 时，S

=1；而当部件

加速比 r

new

趋于无穷大时，f

new

new+

趋于 0，这时有：S

=1/(1-f

new

)。因此性能提高的幅度受限于性能

改进部分所占的比例大小，而性能改善的极限又受性能可改进比 f

new

的约束。

3）例题：将计算机系统中某一部件的处理速度提高到原来的 10 倍，但该功能的处理时间仅占整个系

统运行时间的 40%，采用此提高性能的方法后，整个系统的性能加速比为：S

=1/((1-0.4)+0.4/10)=1/0.64≈

1.56 倍。

3）程序访问的局部性原理

程序访问的局部性包括空间局部性、时间局部性；

时间局部性指的是现在正使用的信息可能不久还要使用。

空间局部性指的是最近的将来要用到的信息很可能与现在正在使用的信息在程序位置上是相邻的。

三、计算机系统设计的主要任务和方法

1、计算机系统设计的主要任务包括系统结构、组成和实现的设计。

它涉及软硬件功能分配、计算机指令系统设计、功能组织、逻辑设计、集成电路设计、封装、电源、

冷却等许多方面。

计算机系统设计首先要根据市场和应用情况，确定用户对计算机系统的功能、性能和价格的要求。其

中，应用软件对功能的确定起主要作用。

2、计算机系统设计的主要任务

1）要弄清其应用领域是专用的还是通用的。

2）要弄清软件兼容是放在哪级层次。

3）要弄清对操作系统有何种要求。

4）要如何保证有高的标准化程度。

3、计算机系统的设计方法

1）“由上往下”设计，也称“由顶向底”设计：首先考虑如何满足应用。

2）“由下往上”设计，也称“由底向顶”设计：首先根据目前能用的底层器件来设计，很少采用。

3）”从中间开始”向两边设计。：通用机一般采用的方法，在传统机器语言机器级和操作系统机器级之

间进行合理的软硬优缺点功能分配。

第四节

软件、应用、器件的发展对系统结构的影响

一、软件的发展对系统结构的影响

1、软件的可移植性：软件不修改或只经少量的修改就可以由一台机器移植到另一台机器上运行，同一软件

可应用于不同的环境。

2、实现可移植性的常用方法

1）统一高级语言

适用于在结构相同以至完全不同的机器之间实现高级语言应用软件的移植。

2）采用系列机

适用于结构相同或相近的机器之间实现汇编语言应用软件和部分系统软件移植。

软件兼容必须保证向后兼容，力争向前兼容。

3）模拟与仿真

适用于结构不同的机器之间实现机器语言程序的移植。

3、模拟与仿真

1）模拟：用机器语言程序解释实现软件移植的方法称为模拟。其解释程序存储于主存中。

通常用解释的方法来实现。运行速度慢，性能较差。只适合于移植运行时间短、使用次数少，而且在

时间关系上没有约束和受限制的软件。

2）仿真：用微程序直接解释另一台机器指令系统的方法称为仿真。其解释程序存储于控制存储器中。

运行速度比模拟方法的块。仿真只能在系统结构差距不大的机器之间使用。

4、系列机思想对计算机发展的意义。

采用系列机可以较好地解决软件设计环境要求相对稳定和硬件、器件、组成等技术在飞速发展的矛盾。

软件可以丰富积累，器件、硬件和组成又能不断更新，使之短期内就能提供出性能更好、价格更便宜的新

机器，有力地促进计算机的发展。

二、应用的发展对系统结构的影响

1、应用需求是促使计算机系统结构发展的最根本的动力。

2、计算机应用可归约为向上升级的 4 类，它们是数据处理、信息处理、知识处理和智能处理。

三、器件的发展对系统结果的影响

1、器件集成度的提高，使器件的速度迅速提高，机器主频和速度也有数量级的提高。

2、器件可靠性有数量级的提高，保证流水技术的实现。

3、高速、廉价的半导体存储器的出现，使解题速度得以迅速提高的高速缓冲存储器和虚拟存储器的概念真

正实现。

4、现场型 PEOM 器件，使微程序技术得以实现。

5、高速相联存储器的实现，促进相联处理机这种结构的发展，推动向量机、数组机、数据库机的发展。

结论：软件、应用、器件对计算机系统结构的发展有着很大的影响，反过来，计算机系统结构的发展又会

对软件、应用、器件提出新的发展要求。

结构设计不仅要了解结构、组成、实现，还要充分了解软件、应用、器件的发展，这样才能对计算机

系统结构进行有效的设计、研究和探索。

第五节

系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类

一、并行性的概念与开发

1、并行性：解题中具有可以同时进行运算或操作的特性称为并行性。

1）同时性：两个或多个事件在同一时刻发生。

2）并发性：两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

2、并行性的等级分类

1）从计算机系统执行程度的角度来看，并行性等级由低到高分为四级，

① 指令内部：一条指令内部各个微操作之间的并行执行。

② 指令之间：多条指令的并行执行。

③ 任务或进程之间：多个任务或程序段的并行执行。

④ 作业或程序之间：多个作业或多道程序的并行执行。

2）从处理数据的角度来看

① 位串字串：同时只对一个字的一位进行处理。

② 位并字串：同时对一个字的全部位进行处理。

③ 位片串字并：同时对许多字的同一位(称为位片)进行处理。

④ 全并行：同时对许多字的全部位或部分位进行处理。

3）并行性是贯穿于计算机信息加工的各个步骤和阶段的，从这个角度来看

① 存储器操作并行。

② 处理器操作步骤并行。

③ 处理器操作并行。

④ 指令、任务、作业并行。

3、提高并行性的技术途径

1）时间重叠：引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的

各个部分，加快硬件周转而赢得速度。流水线

2）资源重复：引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高计算机系统的性能。多核、多 CPU、集群

3）资源共享：这是一种软件方法，让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源来提高资源利用率。

分时调度

4、一般用耦合度反应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，有最低耦合、松散

耦合和紧密耦合之分。

二、计算机系统的分类

1、按照指令流和数据流的多倍性进行分类。

指令流：机器执行的指令序列。

数据流：由指令流调用的数据序列。

多倍性：系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。

2、Flynn（弗林）分类法把计算机系统的结构分为 4 类：

单指令流单数据流（SISD）

单指令流多数据流（SIMD）

多指令流单数据流（MISD）（无实际对应）

多指令流多数据流（MIMD）

4、(库克)用指令流和执行流及多倍性来描述

1）单指令流单执行流(SISE)----单处理机系统

2）单指令流多执行流(SIME)----带多操作部件的处理机

3）多指令流单执行流(MISE)----带指令级多道程序的单处理机

4）多指令流多执行流(MIME)----典型的多处理机系统。

3、从处理数据的角度来看（冯氏分类法）

字串位串（WSBS）

字串位并（WSBP）

字并位串（WPBS）

字并位并（WPBP）

第二章

数据表示、寻址方式与指令系统

第一节

数据表示

一、数据表示与数据结构

1、数据表示：是能由计算机硬件能够识别和引用的数据类型。表现在它有对这种类型的数据进行操作的指

令和运算部件。

2、数据结构：由软件进行处理和实现的各种数据类型。

3、数据结构是要通过软件映像，变换成计算机中所具有的数据表示来实现的。

4、数据表示类型：定点数据表示、逻辑数据表示、浮点数据表示。

5、计算机的运算类指令和运算器结构主要是按计算机有什么样的数据表示来确定的。

二、高级数据表示

1、自定义数据表示

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