淺析計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

淺析計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

世界上第一個計算機網(wǎng)絡(luò)與計算機相連。本書出版于1946年。在本書出版近70年后，計算機經(jīng)歷了電子管計算機時代、管道計算機時代、小型計算機時代、大型和大型計算機時代以及巨大的計算機時代。計算機交換的重要指標是計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。1計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1機器語言的生成現(xiàn)代計算機系統(tǒng)是由硬件和軟件組合而成的一個有機整體,如果繼續(xù)細分可以分成7層。L0:硬聯(lián)邏輯電路;L1:微程序機器級;L2:機器語言級;L3:操作系統(tǒng)級;L4:匯編語言級;L5:高級語言級;L6:應(yīng)用語言級。其中L0級由硬件實現(xiàn);L1級的機器語言是微指令級,用固件來實現(xiàn);L2級的機器語言是機器指令集,用L1級的微程序進行解釋執(zhí)行;L3級的機器語言由傳統(tǒng)機器指令集和操作系統(tǒng)級指令組成,除了操作系統(tǒng)級指令由操作系統(tǒng)解釋執(zhí)行外,其余用這一級語言編寫的程序由L2和L3共同執(zhí)行;L4級的機器語言是匯編語言,該級語言編寫的程序首先被翻譯成L2或L3級語言,然后再由相應(yīng)的機器執(zhí)行;L5級的機器語言是高級語言,用該級語言編寫的程序一般被翻譯到L3或L4上,個別的高級語言用解釋的方法實現(xiàn);L6級的機器語言適應(yīng)用語言,一般被翻譯到L5級上。1.2系統(tǒng)的屬性界定計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為經(jīng)典的定義是Amdahl等人在1964年提出的:由程序設(shè)計者所看到的一個計算機系統(tǒng)的屬性,即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。由于計算機具有不同的層次結(jié)構(gòu),所以處在不同層次的程序設(shè)計者所看到的計算機的屬性顯然不同。2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展2.1計算機歷史上的重要能當Amadahl在1964年提出計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義時,也提出了采用系列機的思想,它的出現(xiàn)被譽為計算機發(fā)展史上的一個重要里程碑。當人們普遍采用系列機思想后,較好的把硬件技術(shù)飛速發(fā)展與軟件環(huán)境要求相對穩(wěn)定的矛盾解決了,這就要求系列機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要在相當長的時間內(nèi)保持基本不變。其中,最重要的是保持它的數(shù)據(jù)表示、指令系統(tǒng)以及其他概念性的結(jié)構(gòu)保持不變。2.2運算機監(jiān)控系統(tǒng)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)(也稱普林斯頓結(jié)構(gòu))是美國數(shù)學(xué)家馮·諾依曼在1946年提出的,他將計算機分為五大部件:運算器;控制器;存儲器;輸入設(shè)備;輸出設(shè)備。其基本思想是存儲程序,主要特點是:(1)單處理機結(jié)構(gòu),機器以運算器為中心;(2)采用程序存儲思想;(3)指令和數(shù)據(jù)一樣可以參與運算;(4)數(shù)據(jù)以二進制表示;(5)將軟件和硬件完全分離;(6)指令由操作碼和操作數(shù)組成;(7)指令順序執(zhí)行。2.3改進方法及改進為了更好的優(yōu)化計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu),人們不斷對馮·諾依曼結(jié)構(gòu)進行改進,總的來說,共采用兩種方法。一種是在馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行“改良”;另一種是采用“革命”的方法,即脫離馮·諾依曼結(jié)構(gòu),和其工作方式完全不同,統(tǒng)成為非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。2.4程序存儲方面哈佛結(jié)構(gòu)的計算機分為三大部件:(1)CPU;(2)程序存儲器;(3)數(shù)據(jù)存儲器。它的特點是將程序指令和數(shù)據(jù)分開存儲,由于數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器采用不同的總線,因而較大的提高了存儲器的帶寬,使之數(shù)字信號處理性能更加優(yōu)越。2.5非鍵式非岸計算機馮·諾依曼結(jié)構(gòu)開啟了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的先河,但是因為其集中、順序的的控制而成為性能提高的瓶頸,因此各國科學(xué)家仍然在探索各種非馮·諾依曼結(jié)構(gòu),比如,數(shù)據(jù)流計算機,函數(shù)式編程語言計算機等都是較為著名的非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。3種常用的分類方法研究計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類方法可以幫助我們加深對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成特點的認識以及對系統(tǒng)工作原理和性能的理解。下面簡單介紹2種比較常用的分類方法:Flynn分類法;馮氏分類法。3.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)M.J.Flynn在1966年提出了按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性概念進行分類的方法,并給出了如下的定義:(1)指令流:機器執(zhí)行的指令序列;(2)數(shù)據(jù)流:由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列,包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果;(3)多倍性:在系統(tǒng)最受限制的元件上同時處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個數(shù)。與此同時,他按照不同組織方式的指令流和數(shù)據(jù)流,將計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為4類,分別是:1)單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD);2)單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD);3)多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD);4)多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)。3.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析馮澤云教授在1972年提出了用最大并行度(Pm)對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)予以分類的分類方法。最大并行度Pm的定義是:計算機系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能夠處理的最大的二進制位數(shù)。假如在一個時鐘周期Δti內(nèi)可以處理的二進制位數(shù)為Pi,那么經(jīng)歷T個時鐘周期的平均并行度為,由此得出系統(tǒng)在T個周期內(nèi)的平均利用率為。運用馮氏分類法可將計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為4類,分別是:(1)字串位串(WSBS);(2)字并位串(WPBS);(3)字串位并(WSBP);(4)字并位并(WPBP)。4系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計由于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由多級層次構(gòu)成,因此在設(shè)計計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時就可以有三種方法:(1)“從下往上”設(shè)計;(2)“從上往下”設(shè)計;(3)“從中間開始”設(shè)計。4.1虛擬機器級的設(shè)計首先根據(jù)能夠得到的硬件,參照已經(jīng)生產(chǎn)出來的各種機器的特點,開發(fā)出將微程序機器級和傳統(tǒng)機器級設(shè)計出來,然后依次往上設(shè)計,最后將面向機器的虛擬機器級設(shè)計出來。在硬件技術(shù)高速發(fā)展而軟件技術(shù)發(fā)展相對較慢的今天,如果繼續(xù)采用這種設(shè)計方法,會導(dǎo)致軟件和硬件的脫離,因此已經(jīng)很少使用這種方法。4.2框架的設(shè)計首先根據(jù)應(yīng)用的需求,確定好整個系統(tǒng)的框架,然后逐層向下進行設(shè)計,同時可以兼顧到上層的優(yōu)化,最后設(shè)計出微程序機器級和傳統(tǒng)機器級。這種設(shè)計方法較好。4.3設(shè)計時的設(shè)計工況大多數(shù)將“中間”取在傳統(tǒng)機器級和微操作級之間。在設(shè)計時,綜合考慮軟硬