系统结构考点之首

本文详细介绍了计算机系统的层次结构,从机器级到应用语言级,阐述了各层的实现方式,包括翻译与解释。固件Firmware是介于硬件和软件之间的一种中间形态。系统结构、组成和实现的关系以及它们各自的角色被清晰地定义。讨论了软硬件功能分配的原则,并提及了计算机设计的主要任务和方法。此外,文章还探讨了软件、应用和器件发展对系统结构的影响,以及并行性开发的不同途径和计算机系统分类。

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第一章,考的无论是选择还是填空,都会出题,并且越往后越发现理解好第一章,往后的内容就是展开而矣,思想都是在第一章里介绍的。所以无论如何,都要再看一遍第一章的内容。

计算机系统的层次结构

这个层次划分是从使用语言的角度,按功能划分的多层机器级组成的层次结构。语言本身就是抽象的,所以这个“系统”也是较抽象的。

什么是机器?机器级?

能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体。
机器级,是从程序员角度来说的,只要遵守该级语言使用规定,就可以拥有此级上的机器。

各机器级的实现:翻译与解释

翻译: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等效的程序,然后在低一级机器级上实现的技术(可以看作是自上而下)
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。(可以看作是自下而上)

各机器级如何运用的,具体实现

应用语言L5 --> (应用程序包翻译) --> 高级语言程序L4
高级语言程序L4 --> (编译程序包翻译) --> 汇编语言L3
L:表示的language语言
汇编以下都是解释了。

固件Firmware是什么

一种具有软件功能的硬件。如BIOS就是将引导程序固化在集成电路上。是一种实际的机器。
相反,以软件为主实现的机器称为虚拟机器。

计算机系统结构、计算机组成和计算机实现

每级都有自己的系统结构。

什么是计算机系统结构

也称为计算机系统的体系结构,只是系统结构中的一部分(看似前后矛盾一句话,实则后面有解释,特指M1级结构)。指的是传统机器语言级M1的系统结构。其界面之上,包括操作系统级M2、汇编语言级M3、高级语言级M4和应用语言级中的所有软件功能。其界面之下,包括所有硬件和固件的功能。

系统结构对谁是可见的呢?

机器语言、汇编语言程序设计者或编译程序设计者看到的机器物理系统的抽象。

系统结构属性

  1. 硬釿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、出错指票等的机器级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。

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

什么是计算机组成呢?

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。
要解决的问题是:在希望达到的性能和价格的情况下,如何更好、更合理地把各种设备和部件组织成计算机,实现所确定的系统结构。

计算机组成要确定的方面

  1. 数据通路宽度
  2. 专用部件的设置(是否设置乘除法、浮点运算、字符处理等)
  3. 各种操作对部件的共享程序
  4. 功能部件的并行度(重叠、流水或分布式控制和处理)。
  5. 控制结构的组成方式
  6. 缓冲和排队技术
  7. 预估、预判技术
  8. 可行性技术 。

指令采用顺序、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。

什么是计算机实现

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。
计算机实现,器件技术起着主导作用。

结构、组成、实现关系

从学科角度:系统结构实际上包括了系统结构和组成两个方面的内容。研究的是软硬件的功能分配以及如何更好、更合理地实现分配给硬件的功能。

如何合理分配软硬件功能(软硬件取舍的基本原则)

应考虑在现有硬、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。

计算机系统的定量设计原理

哈夫曼压缩原理

尽可能加速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。

amdahl定律

确定对系统中性能瓶颈部件采取措施提高 速度后系统性能的改进程序。
系统加速比s=未改进时执行时间/改进后的执行时间
结论:
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。

程序访问的局部性定律

程序访问的局部性包括了时间上和空间上两个局部性。
时间局部性指:现在正使用的信息可能不久还要使用,这是因为程序存在着循环。
空间上的局部性: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邻近的,这是因为指令通常顺序存放、顺序执行,数据也通常是以向量、阵列、树、表等形式簇聚在存放在一起的。

计算机系统设计的主要任务和方法

主要任务:系统结构、组成和实现的设计。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。优化设计时,还要熟悉编译系统和操作系统的设计技术。

设计方法:自上而下:先考虑如何满足应用要求,再逐渐向下设计。对面向应用必然是高效的。串行的设计方法,设计周期比较长。
自下而上,先不管应用要求,只根据目前能用的器件、参照、吸收已有的各种机器的特点,将程序机器级和传统机器级研制出来。然后再适用不同应用领域的多种操作系统和编译系统软件。已经很少采用
从中间向两边设计,这是通用机一般采用的方法。是选择从层次结构的主要软、硬件界面开始设计,即在传统机器语言机器级与操作系统机器语言级之间进行合理的软、硬界面而开始设计。再分别向上、向下同时进行软硬件的设计。

软件、应用、器件发展对系统结构的影响

软件发展对系统结构的影响

软件的可移植性指的是软件不修改或只经少量修改就可由一台机器移到另一台机器上运行,同一软件可应用于不同的环境。
主要技术:

  • 统一高级语言:能满足和种应用需要的通用高级语言。
  • 采用系列机:
    与从中间向两边 设计相呼应,在软、硬件界面上设定好一种系统结构(系列机中称系列结构),其后,软件设计者按此设计软件。硬件选择不同的器件、硬件和组成、实现技术,研制并提供不同档次的机器。
    软件兼容是通过采用相同的系统结构来实现的。软件兼容是一个硬件概念,指的是系列机从程序设计者角度看,都具有相同的机器属性,因此按此属笥编制的机器语言程序及编译程序都能不加修改地通用于各档机器。各档机器就称为系统兼容。
    向上兼容:指的是按某档机器编制的软件,不加修改就能运行于比它高档的机器上。
    向后兼容:按某个时期投入市场的该型号机器上编制的软件,不加修改就能运行于在它之后投入市场的机器上。
    系列机必须保证向后兼容,力争向前兼容
  • 模拟和仿真
    模拟:两种不同的系统结构间机器语言移植,如用A的机器语言解释B机指令实现软件移植的方法。A称为宿主机,B称为虚拟机。
    仿真:更进一步,直接用宿主机上的微程序解释另一种机器上指令系统的方法就是仿真。被仿真的机器叫目标机。
    模拟和仿真的区别:
    仿真用的是微程序解释,其解释程序存储于控制存储器中,而模拟用机器语言解释,其解释程序存储于主存中。

应用发展对结构影响

计算机应用可归纳为上升级4类:数据处理、信息处理、知识处理和智能处理。

器件发展对结构影响

非用户片:通用片,其功能是由器件厂家固定,只能使用不能改变器件内部功能。
现场片:用户根据需要可改变器件内部功能,如可编程只读存储器。
用户片,专门按用户要求生产的。

并行性开发及计算机系统分类

概念

并行性包含同时性和并发性二重含义。
同时性指两个或多个事件在同一时刻发生
并发性指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

计算机系统执行程序的角度看,由低到高可分为:

指令内部 – 一条指令内部各个微操作之间的并行执行
指令之间 – 多条指令的并行执行
任务之间 – 多个任务的并行执行
作业之间 – 多个作业的并行执行

处理数据角度看,由低到高

位串字串,同时只对一个字的一位进行处理。
位并字串,同时对一个字的全部位进行处理,开始出现并行性
位片串字并,同时对许多字的同一位进行处理,开始进入并行处理领域
全并行,同时对许多字的全部或部分位组进行处理。

信息加工的条个步骤和阶段看

存储器并行,可用单体字、多体单字或多体多字方式在一个存储周期内访问多个字。
处理器操作步骤并行,指令的取指、分析、执行等,执行步骤在时间上重叠流水地进行。
处理器操作并行,通过重复设置大量处理单元,让它们在同一控制器控制下按同一指令要求对向量、数据中各元素同时操作。如阵列处理机。
指令、任务、作业并行。

并行性开发途径

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来赢得速度

资源重复

引入空间因素,通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能。

资源共享

用软件方法,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,相应地也就提高了系统的性能。

多机系统

包含多处理机系统和多计算机系统。

多处理机系统

由多台处理机组成的单一系统,各处理机都有自己的控制部件,可带本地存储器,能执行各自的程序,但都受逻辑上统一的操作系统控制。处理机之间以文件,单一数据或向量,数组等形式交互作用,全面实现作业、任务、指令、数据各级的并行。

多计算机系统

由多台独立的计算机组成的系统。各计算机分别在逻辑上独立的操作系统控制下运行。机间,经通道或通信线路以文件或数据集形式进行,实现多个作业间的并行。

偶合度,反映多机系统中各机器之间物理连接的紧密程序和交叉作用能力的强弱

最低耦合:除通过存储介质外,各计算机之间无物理连接,也无共享的联机硬件资源。

松散耦合系统:如多台计算机通过通道或通信线路实现互连,共享某些如磁带、磁盘等外围设备,以较低频带在文件或数据集一级相互作用。有两种形式:
一种是以多台功能专用的计算机通过通道和共享的外围设备相连,各计算机以文件或数据集形式将结果送到共享的外设,供其他计算机继续处理,使系统获得较高效率。另一种是各计算机经通信线路互连成计算机网,各尽所长,求得更大范围内的资源共享。

紧密耦合系统:如果多台计算机经总线或高速开关互连,共享主存,有较高的信息传输速率,可实现数据集一级,任务级、作业级并行。

计算机系统分类

按指令流和数据流的多倍性对计算机系统分类。
指令流是指机器执行的指令序列。
数据流是指由指令流调用的数据序列。
多倍性是指在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。
下面的分类图,可以帮助理解:

弗林分类法反映出大多数计算机并行工作方式和结构特点。

基于指令流和执行流 库克

  1. 单指令流单执行流,典型的单片理机系统。
  2. 单指令流多执行流,带多操作部件的处理机
  3. 多指令流单执行流,带指令级多道程序的单处理机
  4. 多指令流多执行流,典型的多处理机系统。

基于数据处理的并行度 冯泽云

  1. 字串位串,位串处理方式,每次只处理一个字中的一位。
  2. 字串位并,字片处理方式,每次处理一个字中的n位
  3. 字并位串,位片处理方式,一次处理m个字中的1位
  4. 字并位并,全并行处理方式,一次处理m个字,每个字为n位。

需要体会其他分类

基于硬件结构所含可并行处理单元数和可流水处理的级数。
控制驱动的控制流方式,数据驱动的数据流方式
按需求驱动的归约方式
按模式驱动的匹配方式。

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