计算机系统设计基础

系统软件
软 件 软硬件交界面 硬 固 件 件
汇编语言机器
操作系统机器
L3虚拟机
翻译（汇编程序） L2虚拟机 部分解释（操作系统）
传统机器级 微程序/Байду номын сангаас联 直接由硬件执行
物理机器 解释
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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（L5） M4: 高级语言机器------高级语言（L4） M3: 汇编语言机器------汇编语言（L3） M2: 操作系统机器------作业控制语言（L2） M1: 传统机器------------机器语言（L1） M0: 微程序机器---------微程序语言（L0）
控制流程的三种实现方法
• 全硬件、软硬件结合、全软件
– 逻辑上等价，物理意义上不等价 – 硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占 用内存少 – 软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、 占用内存多
• 发展趋势
– 硬件实现的比例越来越高 – 硬件所占的成本越来越低
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计算机系统的软硬件成本变化
从使用语言的角度上，将计算机系统 看成按功能划分的多级层次结构
机器、汇编、高级、应用语言 低级 高级
后者比前者功能更强、使用更方便； 而前者是后者发展的基础，在单条指令的 执行速度相比较，前者更快。
计算机系统的多级层次结构图
应用软件 应用语言级 高级语言机器 L5虚拟机 翻译（应用程序包） L4虚拟机 翻译（编译程序）
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1.1 计算机系统的基本概念
• 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，可以介属于计算机 系统的各个层次，具有不同作用
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1.1.1计算机系统的多级层次结构
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从设计人员看到的层次
• • • • • • • 应用程序级 高级语言级 汇编语言级 操作系统级 机器语言级 微程序控制级 硬联逻辑级 用户 高级语言程序员 汇编语言程序员 操作员 机器语言程序员 逻辑程序员 硬件设计员
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翻译 (Translation) ： 先用转换程序将 高一级机器级上的程序整个地变换成低 一级机器级上可运行的等效程序（中间 程序），然后再在低一级机器级上去实 现的技术。 例：英语翻译 计算机系统中的翻译功能常由应用程序 包、编译程序、汇编程序等软件完成。
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本章学习要求
• 了解计算机系统的多级层次结构 • 掌握系统结构、组成和实现的定义及属 性，会透明性分析 • 掌握计算机系统的设计原理、性能计算 • 掌握计算机系统的分类，特别是Flynn分 类 • 了解软件对计算机系统结构发展的影响
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什么是计算机？
•第1章 •第2章 •第3章 •第4章 •第5章 •第6章 •第7章
计算机系统设计基础 数据表示与指令系统性能分析 通道处理机 流水技术和向量处理 阵列计算机 多处理机系统 其它计算机结构
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第1章 计算机系统设计基础
• • • • 1.1 1.2 1.3 1.4 计算机系统的基本概念 计算机系统的设计技术 计算机系统的性能评价 计算机系统结构的发展
成本 软件
硬件
70年代
年代
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从概念和功能上将计算机系统看成多级层次结构 的优点： 1. 理解软件、硬件、固件的地位和作用
2. 理解各种语言的实质和实现途径 3. 探索虚拟机新的实现方法和新的系统设计 由硬件固件实现——高级语言机器 多处理机系统——由真正微处理机实现
4. 理解计算机体系结构的定义 5. 在一台真正的宿主机上通过模拟或仿真另一台不 同的假想机器——自虚拟技术
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定义的理解
• 从两个角度理解
一是计算机系统结构既然是“从程序员的角度所看到 的系统的属性”，那么每一级“机器”都有一个系统结 构，而且它们相互不同 二是将计算机的系统结构定义在传统机器界面（M1） 程序员所看到的计算机的基本属性
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计算机系统结构的基本属性
• 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
解释（ Interpretation ）： 在低一级机 器级上用它的一串语句或指令来仿真高 一级机器上的一条语句或指令的功能， 通过对高一级机器语言程序中的每条语 句或指令逐条解释来实现的技术 解释过程中不生成中间程序（节省了存 储空间） 或者：一条N+1级指令--〉一串N级指令 例：解释一件事
翻译和解释是语言实现的两种基本技术。 •解释比翻译费时，但节省存储空间 •翻译为整体行为，可以优化，效率高， 与平台有关 •解释为局部行为，不优化，效率低， 与平台无关 翻译+解释：Java
1.1.2 系统结构、组成与实现
• 定义与理解 • 三者的相互关系
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计算机系统结构的定义 System Architecture
• 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. Blauw、F.P. Brooks等人提出。 也称体系结构。 – 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
• 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 • 随着计算机科学技术的发展和应用范围的扩大， 计算机已由单一的数值计算，扩展到信息处理、 知识推理等非计算领域 • 说明：
– 随着技术的发展，概念有所变化 – 计算机是工具
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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 ……