533第一章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論

第一章 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論目錄n計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu) n計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn) n計算機系統(tǒng)的軟硬取舍、性能評測及定量設(shè)計原理 n軟件、應(yīng)用、器件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響 n系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的并行性發(fā)展和計算機系統(tǒng)的分類 什么是計算機？n計算機是一種不需要人的直觀干預(yù)而能自動完成各種算術(shù)和邏輯運算的工具。 n說明：n隨著技術(shù)的發(fā)展，概念有所變化。nPDA、機頂盒、商務(wù)通、MP3，智能手機等n計算機是工具。Tools計算機的功能n科學(xué)計算n數(shù)據(jù)處理（信息處理）n過程控制n人工智能計算機的主要特性n快速性n通用性：任務(wù)-算術(shù)邏輯操作-指令n準(zhǔn)確性：數(shù)字化n邏輯性1 計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu) n機器：能存儲和執(zhí)行相應(yīng)語言程序的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行體。n計算機語言：是用以描述控制流程的、有一定規(guī)則的字符集合。n語言不是專屬軟件范疇，可以分屬于計算機系統(tǒng)的各個層次，具有不同作用。計算機的層次觀點結(jié)構(gòu)觀點計算機系統(tǒng)外圍設(shè)備計算機通信線路中央處理器主存儲器I/O系統(tǒng)互連控制器算邏單元寄存器控制器順序邏輯控制器的寄存器和譯碼器控制存儲器計算機系統(tǒng)的層次特性是研究計算機體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)從觀察者看到的虛擬計算機廣義語言編譯解釋器作用對象虛擬計算機控制信息狀態(tài)信息觀察者計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)n多級層次結(jié)構(gòu)：是從使用語言的角度，基于程序員與計算機系統(tǒng)對話中所采用的語言結(jié)構(gòu)和語義劃分。n機器-語言n現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)分為六級。微程序機器M0具有L0機器語言（微指令系統(tǒng)）第0級實際機器微指令由硬件直接執(zhí)行微程序機器M0具有L0機器語言（微指令系統(tǒng)）第0級實際機器傳統(tǒng)機器M1具有L1機器語言（機器指令系統(tǒng)）第1級實際機器微指令由硬件直接執(zhí)行由微指令程序解釋機器指令微程序機器M0具有L0機器語言（微指令系統(tǒng)）第0級實際機器傳統(tǒng)機器M1具有L1機器語言（機器指令系統(tǒng)）操作系統(tǒng)機器M2具有L2機器語言（作業(yè)控制語言等）第1級實際機器第2級虛擬機器微指令由硬件直接執(zhí)行由微指令程序解釋機器指令一般用機器語言程序解釋作業(yè)控制語句微程序機器M0具有L0機器語言（微指令系統(tǒng)）第0級實際機器傳統(tǒng)機器M1具有L1機器語言（機器指令系統(tǒng)）操作系統(tǒng)機器M2具有L2機器語言（作業(yè)控制語言等）匯編語言機器M3具有L3機器語言（匯編語言）第1級實際機器第2級虛擬機器第3級虛擬機器微指令由硬件直接執(zhí)行由微指令程序解釋機器指令一般用機器語言程序解釋作業(yè)控制語句匯編語言程序經(jīng)匯編程序翻譯成機器語言程序微程序機器M0具有L0機器語言（微指令系統(tǒng)）第0級實際機器傳統(tǒng)機器M1具有L1機器語言（機器指令系統(tǒng)）操作系統(tǒng)機器M2具有L2機器語言（作業(yè)控制語言等）匯編語言機器M3具有L3機器語言（匯編語言）高級語言機器M4具有L4機器語言（高級語言）第1級實際機器第2級虛擬機器第3級虛擬機器第4級虛擬機器微指令由硬件直接執(zhí)行由微指令程序解釋機器指令一般用機器語言程序解釋作業(yè)控制語句匯編語言程序經(jīng)匯編程序翻譯成機器語言程序高級語言程序經(jīng)編譯程序翻譯成匯編語言（或是某種中間語言程序，或是機器語言程序）微程序機器M0具有L0機器語言（微指令系統(tǒng)）第0級實際機器傳統(tǒng)機器M1具有L1機器語言（機器指令系統(tǒng)）操作系統(tǒng)機器M2具有L2機器語言（作業(yè)控制語言等）匯編語言機器M3具有L3機器語言（匯編語言）高級語言機器M4具有L4機器語言（高級語言）應(yīng)用語言機器M0具有L5機器語言（應(yīng)用語言）第1級實際機器第2級虛擬機器第3級虛擬機器第4級虛擬機器第5級虛擬機器微指令由硬件直接執(zhí)行由微指令程序解釋機器指令一般用機器語言程序解釋作業(yè)控制語句匯編語言程序經(jīng)匯編程序翻譯成機器語言程序高級語言程序經(jīng)編譯程序翻譯成匯編語言（或是某種中間語言程序，或是機器語言程序）應(yīng)用語言程序經(jīng)應(yīng)用程序包翻譯成高級語言程序多級層次結(jié)構(gòu)（機器-語言）n M5：應(yīng)用語言機器-應(yīng)用語言n M4：高級語言機器-高級語言n M3：匯編語言機器-匯編語言n M2：操作系統(tǒng)機器-作業(yè)控制語言n M1：傳統(tǒng)機器-機器指令系統(tǒng)n M0：微程序機器-微指令系統(tǒng)人與多級層次結(jié)構(gòu)的比較這種聯(lián)系很不科學(xué)，只是讓大家輕松一下計算機系統(tǒng)人應(yīng)用語言級為人民服務(wù)級高級語言級讀書、學(xué)習(xí)級匯編語言級語言、思維級操作系統(tǒng)極生理功能級傳統(tǒng)機器級人體器官級微程序機器級細(xì)胞組織級電子線路級分子級從設(shè)計人員看到的層次應(yīng)用語言級應(yīng)用語言級高級語言級高級語言級匯編語言級匯編語言級操作系統(tǒng)級操作系統(tǒng)級傳統(tǒng)機器級傳統(tǒng)機器級微程序機器級微程序機器級電子線路電子線路L5虛擬機虛擬機L4虛擬機虛擬機L3虛擬機虛擬機L2虛擬機虛擬機翻譯（應(yīng)用程序包）翻譯（應(yīng)用程序包）翻譯（編譯程序）翻譯（編譯程序）翻譯（匯編程序）翻譯（匯編程序）軟硬件交界面軟硬件交界面物理機器物理機器解釋解釋硬件直接執(zhí)行硬件直接執(zhí)行硬件硬件固件固件系統(tǒng)系統(tǒng)軟件軟件虛擬機器虛擬機器實際機器實際機器應(yīng)用應(yīng)用軟件軟件部分解釋部分解釋編譯與解釋n編譯：全部N+1級指令-N級指令n翻譯, compilen解釋：一條N+1級指令-一串N級指令ntranslationn編譯為整體行為，可以優(yōu)化，效率高，與平臺有關(guān)。n如C、C+、Fortran等n解釋為局部行為，不優(yōu)化，效率低，與平臺無關(guān)。n如：Basic、Shell、Perl等n編譯+解釋n如：Java，編譯 Bytecode 解釋執(zhí)行幾點說明nM0用硬件，M1用固件，其它用軟件。n固件（Firmware）：指存儲在計算機ROM和其它集成電路中的系統(tǒng)軟件，固件不能隨意改變。n計算機系統(tǒng)作為一個整體，包括軟、硬件，之間無固定界面。 幾點說明（續(xù)）n低層語言功能簡單，而高層語言功能復(fù)雜。 n虛擬機器（Virtual Machine）：用軟件為主實現(xiàn)的機器。n例如：Java虛擬機。n分層的學(xué)科nM0M1：計算機組織與結(jié)構(gòu)nM2M3：系統(tǒng)軟件nM4： 應(yīng)用程序nM5： 系統(tǒng)總體分析分層的優(yōu)點n有利于人們正確理解計算機系統(tǒng)的工作，明確軟硬件和固件在計算機系統(tǒng)的地位和作用n理解各種語言的實質(zhì)及其實現(xiàn)n有利于探索虛擬機器新的實現(xiàn)途徑，便于設(shè)計新的系統(tǒng)n有助于理解計算機體系結(jié)構(gòu)的含義，從而合理地進行計算機系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計。