5、计算模型与系统设计中的早期阶段

计算模型与系统设计中的早期阶段

1. 死锁问题与非冯·诺伊曼计算模型

在系统设计中，死锁是一个棘手的问题。死锁的产生需要满足四个条件：互斥、资源不可抢占、持有资源并等待更多资源以及线程间的循环依赖。在某些情况下，这四个条件可能同时满足，从而导致死锁。操作系统理论并没有通用的方法来解决这个问题。对于个人电脑来说，罕见的死锁可能是可以接受的，但对于安全关键系统而言，死锁显然是不可接受的。

为了避免死锁问题，我们希望设计系统时无需过多关注可能出现的死锁情况。因此，研究非冯·诺伊曼计算模型（MoCs）是有意义的，因为这些模型可以避免死锁问题。

2. 计算模型的定义

计算模型（MoCs）描述了执行计算的机制。一般来说，我们需要考虑由组件组成的系统。现在的常见做法是严格区分组件内的计算和组件间的通信，这种区分有助于在不同上下文中复用组件，并实现系统组件的即插即用。

计算模型的定义如下：
- 组件及组件内的计算组织 ：可能的组件包括程序、进程、函数和有限状态机等。
- 通信协议 ：描述组件间通信的方法，例如异步消息传递和基于会合的通信。

组件之间的关系可以用图来表示，在这些图中，计算也被称为进程或任务，它们之间的关系由任务图和进程网络来捕捉。图中的节点代表执行计算的组件，计算将输入数据流映射到输出数据流，有时用高级编程语言实现，通常包含（可能非终止的）迭代。在每次迭代中，它们从输入接收数据，处理接收到的数据，并在输出流上生成数据。边表示组件之间的关系。

2.1 依赖图

计算之间最明显的关系是因