簡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法

簡述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法。答：基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，其計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可以有以下的三種：方法1：由上向下（Top-Down）設(shè)計(jì)過程：面向應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型f面向應(yīng)用的高級(jí)語言f面向這種應(yīng)用的操作系統(tǒng)f面向操作系統(tǒng)和高級(jí)語言的機(jī)器語言f面向機(jī)器語言的微指令系統(tǒng)和硬件實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用場合：專用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)（早期計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)）。特點(diǎn)：對(duì)于所面向的應(yīng)用領(lǐng)域，性能（性能價(jià)格比）很高。隨著通用計(jì)算機(jī)價(jià)格降低，目前已經(jīng)很少采用。方法2：由下向上（Bottom-Up）（通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方法）設(shè)計(jì)過程：根據(jù)當(dāng)時(shí)的器件水平，設(shè)計(jì)微程序機(jī)器級(jí)和傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)。根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)多種操作系統(tǒng)、匯編語言、高級(jí)語言編譯器等。最后設(shè)計(jì)面向應(yīng)用的虛擬機(jī)器級(jí)。應(yīng)用場合：在計(jì)算機(jī)早期設(shè)計(jì)中（60?70年代）廣為采用。特點(diǎn)：容易使軟件和硬件脫節(jié)，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率降低。方法3：中間開始（Middle-Out）設(shè)計(jì)過程：首先定義軟硬件的分界面。然后各個(gè)層次分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)用場合：用于系列機(jī)的設(shè)計(jì)。特點(diǎn)：軟硬件的分界面在上升，硬件比例在增加。硬件價(jià)格下降，軟件價(jià)格上升。軟硬件人員結(jié)合共同設(shè)計(jì)。簡述馮.諾依曼計(jì)算機(jī)的特征。答：計(jì)算機(jī)的工作過程就是執(zhí)行程序的過程。怎樣組織程序，涉及到計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)問題。現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)都是基于“程序存儲(chǔ)”概念設(shè)計(jì)制造出來的。⑴馮.諾依曼（VonNeumann）的“程序存儲(chǔ)”設(shè)計(jì)思想馮.諾依曼是美籍匈牙利數(shù)學(xué)家，他在1946年提出了關(guān)于計(jì)算機(jī)組成和工作方式的基本設(shè)想。到現(xiàn)在為止，盡管計(jì)算機(jī)制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了極大的變化，但是就其體系結(jié)構(gòu)而言，仍然是根據(jù)他的設(shè)計(jì)思想制造的，這樣的計(jì)算機(jī)稱為馮?諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)。馮?諾依曼設(shè)計(jì)思想可以簡要地概括為以下三點(diǎn)：計(jì)算機(jī)應(yīng)包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入和輸出設(shè)備五大基本部件。計(jì)算機(jī)內(nèi)部應(yīng)采用二進(jìn)制來表示指令和數(shù)據(jù)。每條指令一般具有一個(gè)操作碼和一個(gè)地址碼。其中操作碼表示運(yùn)算性質(zhì)，地址碼指出操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的地址。將編好的程序送人內(nèi)存儲(chǔ)器中，然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作，計(jì)算機(jī)勿需操作人員干預(yù)，能自動(dòng)逐條取出指令和執(zhí)行指令。從以上三條可以看出，以前所有的討論都是針對(duì)馮?諾依曼設(shè)計(jì)思想論述的，不過沒有明確指出其人罷了。馮?諾依曼設(shè)計(jì)思想最重要之處在于明確地提出了“程序存儲(chǔ)”的概念，他的全部設(shè)計(jì)思想實(shí)際上是對(duì)對(duì)程序存儲(chǔ)”概念的具體化。(2)計(jì)算機(jī)的工作過程了解了“程序存儲(chǔ)”，再去理解計(jì)算機(jī)工作過程變得十分容易。如果想叫計(jì)算機(jī)工作，就得先把程序編出來，然后通過輸人設(shè)備送到存儲(chǔ)器中保存起雜，即程序存儲(chǔ)。接下來就是執(zhí)行程序的問題了。根據(jù)馮.諾依曼的設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)應(yīng)能自動(dòng)執(zhí)行程序，而執(zhí)行程序文歸結(jié)為逐條執(zhí)行指令。取出指令：從存儲(chǔ)器某個(gè)地址中取出要執(zhí)行的指令送到CPU內(nèi)部的指令寄存器暫存；分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令寄存器，譯出該指令對(duì)應(yīng)的微操作；執(zhí)行指令：根據(jù)招令譯碼器向各個(gè)部件發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)，完成指令規(guī)定的操作；為執(zhí)行下一條指令做好準(zhǔn)備，即形成下一條指令地址。如有一個(gè)經(jīng)解釋實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)，可以按功能劃分成4級(jí)。每一級(jí)為了執(zhí)行一條指令需要下一級(jí)的N條指令解釋。若執(zhí)行第一級(jí)的一條指令需K(ns)時(shí)間，那么執(zhí)行第2、3、4級(jí)的一條指令各需要用多少時(shí)間(ns)?答：因?yàn)榈诙?jí)的一條指令需第1級(jí)的N條指令解釋，所以第二級(jí)的一條指令執(zhí)行時(shí)間為NKns；第三級(jí)的一條指令執(zhí)行時(shí)間為N2Kns；第四級(jí)的一條指令執(zhí)行時(shí)間為N3Kns。假設(shè)將某系統(tǒng)的某一部件的處理速度加快到10倍，但該部件的原處理時(shí)間僅為整個(gè)運(yùn)行時(shí)間