本科系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件 chapter1-2

§2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)的定義和內(nèi)涵

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)的相互關(guān)系

ArtandArchitectureWhat’sthedifferencebetweenArtandArchitecture?LyonelFeininger,MarktkircheinHalleArtandArchitectureWhat’sthedifferencebetweenArtandArchitecture?第戎圣母院What’sComputerArchitecture?Theattributesofa[computing]systemasseenbytheprogrammer,i.e.,theconceptualstructureandfunctionalbehavior,asdistinctfromtheorganizationofthedataflowsandcontrolsthelogicdesign,andthephysicalimplementation.Amdahl,Blaaw,andBrooks,1964SOFTWARE計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義

SystemArchitecture是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各機(jī)器級(jí)之間界面的劃分和定義，以及對(duì)各級(jí)界面上、下的功能進(jìn)行分配。

1964年，IBM/360系列機(jī)的總設(shè)計(jì)工程師G.M.Amdahl、G.A.Blaauw、F.P.Brooks等人提出。也稱(chēng)體系結(jié)構(gòu)。是從程序員的角度所看到的系統(tǒng)的屬性，是概念上的結(jié)構(gòu)和功能上的行為它不同于數(shù)據(jù)流程和控制的組織，不同于邏輯設(shè)計(jì)以及物理實(shí)現(xiàn)方法。

定義的理解從兩個(gè)角度理解：從應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者------外特性

從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者---內(nèi)特性

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為一門(mén)學(xué)科，主要研究軟件、硬件功能的分配和對(duì)軟件、硬件界面的確定。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外特性是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性一般應(yīng)包括以下幾個(gè)方面指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、操作數(shù)的尋址方式寄存器的構(gòu)成定義、中斷機(jī)構(gòu)和例外條件存儲(chǔ)體系和管理、I/O結(jié)構(gòu)機(jī)器工作狀態(tài)定義和切換、信息保護(hù)在所有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特性中，指令系統(tǒng)的外特性是最關(guān)鍵的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)特性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員看到的基本屬性，是外特性的邏輯實(shí)現(xiàn)。包含內(nèi)容：數(shù)據(jù)通路寬度、專(zhuān)用部件設(shè)計(jì)、各種OS共享程度功能部件并行度、控制機(jī)構(gòu)組成方式、排隊(duì)與緩沖技術(shù)預(yù)估與預(yù)判技術(shù)、可靠性技術(shù)等。內(nèi)特性研究目標(biāo)：內(nèi)特性主要是如何合理地實(shí)現(xiàn)分配給硬件的功能。學(xué)習(xí)的重要性2000年IEEEE-CS教學(xué)計(jì)劃和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一起作為主干課。

有助于理解不同時(shí)期出現(xiàn)的新概念和新技術(shù)如：Cache、相聯(lián)、CISC、RISC、Cluster、SMP、MPP、網(wǎng)格計(jì)算、多核技術(shù)等。與之有關(guān)的課程：計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、編譯原理、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、微機(jī)原理與接口、嵌入式系統(tǒng)等

計(jì)算機(jī)組成ComputerOrganization研究硬件系統(tǒng)各組成部分的內(nèi)部構(gòu)造和相互聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級(jí)的各種功能和特性。目標(biāo)是最合理地方式將各種設(shè)備和部件連接為計(jì)算機(jī)，以達(dá)到最優(yōu)的性價(jià)比，從而實(shí)現(xiàn)所確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包括機(jī)器級(jí)內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。

計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面數(shù)據(jù)通路寬度各種操作功能部件的共享程度專(zhuān)用部件的設(shè)置功能部件的并行性緩沖和排隊(duì)技術(shù)控制機(jī)構(gòu)的組成方式預(yù)測(cè)技術(shù)可靠性技術(shù)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

ComputerImplementation計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)研究各部件的物理結(jié)構(gòu)、機(jī)器的制造技術(shù)和工藝等，是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。它著眼于器件技術(shù)和微組裝技術(shù)。主存的物理實(shí)現(xiàn)，如存儲(chǔ)器采用什么樣器件，邏輯電路設(shè)計(jì)和微組裝技術(shù)均屬計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)舉例1指令系統(tǒng)

指令系統(tǒng)的確定----系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指令的實(shí)現(xiàn)----------組成具體電路、器件設(shè)計(jì)及裝配技術(shù)---實(shí)現(xiàn)乘法指令是否設(shè)乘法指令---系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用高速乘法器還是加法器移位器實(shí)現(xiàn)---組成器件的類(lèi)型、數(shù)量及組裝技術(shù)的確定---實(shí)現(xiàn)舉例2主存系統(tǒng)

主存容量與編址方式的確定----系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主存速度的確定、邏輯結(jié)構(gòu)的模式---組成器件的選定、電路的設(shè)計(jì)、組裝技術(shù)---實(shí)現(xiàn)什么樣的系列機(jī)屬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系列內(nèi)的不同型號(hào)計(jì)算機(jī)的組織屬組成透明性

本來(lái)存在的事務(wù)或?qū)傩?，從某個(gè)角度上看不到。反之，不透明。例外：C語(yǔ)言的register類(lèi)別變量。在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，低層機(jī)器的屬性往往對(duì)高層機(jī)器的程序員是透明的計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)的內(nèi)容，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)器程序員來(lái)講一般是透明的。

舉例1在多級(jí)層次結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，對(duì)高級(jí)語(yǔ)言的程序員來(lái)說(shuō)是透明的，而對(duì)匯編語(yǔ)言的程序員來(lái)說(shuō)不是透明的。這說(shuō)明高級(jí)語(yǔ)言的程序員不必知道機(jī)器的指令系統(tǒng)、中斷機(jī)構(gòu)等，這些本來(lái)存在的屬性，對(duì)高級(jí)語(yǔ)言的程序員來(lái)說(shuō)好象不存在一樣，所以說(shuō)是透明的。對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)器采用交叉存取還是并行存取、CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)通路的寬度是8位還是16位，這些都是透明的，而對(duì)計(jì)算機(jī)組成來(lái)說(shuō)這些不是透明的。舉例2指令執(zhí)行采用串行、重疊還是流水控制方式，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是透明的，但對(duì)計(jì)算機(jī)組成來(lái)說(shuō)不是透明的。乘法指令采用專(zhuān)用乘法器實(shí)現(xiàn)。對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是透明的，而對(duì)計(jì)算機(jī)組成來(lái)說(shuō)不是透明的。存儲(chǔ)器采用哪種芯片，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成來(lái)說(shuō)是透明的，而對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)不是透明的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和實(shí)現(xiàn)三者的相互關(guān)系

具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)可以采用不同的組成，一種計(jì)算機(jī)組成可以采用多種不同的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)；采用不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)使可以采用的組成技術(shù)產(chǎn)生差異，計(jì)算機(jī)組成也會(huì)影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以采用不同的組成一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以采用不同的組成性能與價(jià)格考慮因素1。設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)1。指令間順序執(zhí)行速度慢、價(jià)格低性能價(jià)格比2。指令間重疊執(zhí)行速度快、價(jià)格高2。乘法指令1。用加法器、移位器速度慢、價(jià)格低性能價(jià)格比、乘法指令使用頻度2。用專(zhuān)門(mén)乘法器速度快、價(jià)格高不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響（舉例）A:=B+CD:=E*F面向寄存器：

LOADR1,BADDR1,CSTORER1,ALOADR2,EMPYR2,FSTORER2,D面向三地址尋址：

ADDB,C,AMPYE,F,D

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)