第1章计算机系统结构概论.ppt

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1、第第1章章 计算机系统结构概论计算机系统结构概论1.1 1.1 计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构1.2 1.2 计算机系统结构、组成与实现计算机系统结构、组成与实现1.3 1.3 软硬件取舍、性能测评及定量设计原理软硬件取舍、性能测评及定量设计原理1.4 1.4 软件、应用、器件对系统结构的影响软件、应用、器件对系统结构的影响1.5 1.5 系统结构中的并行性发展和计算机系统系统结构中的并行性发展和计算机系统的分类的分类1.1 计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构1.六个层次结构六个层次结构 现代通用的计算机系统是由紧密相关的用硬现代通用的计算机系统是由紧密相关的用

2、硬件和软件组成的。从使用语言的角度，可以将系件和软件组成的。从使用语言的角度，可以将系统看成是按功能划分的多个机器级组成的以下六统看成是按功能划分的多个机器级组成的以下六个层次结构：个层次结构：VM5 VM5 应用语言机器应用语言机器M5M5 VM4 VM4 高级语言机器高级语言机器M4M4 VM3 VM3 汇编语言机器汇编语言机器M3M3 VM2 VM2 操作系统机器操作系统机器M2M2 RM1 RM1 传统机器传统机器M1M1 RM0 RM0 微程序机器微程序机器M0M0 图图1.1 计算机系统的多级层次计算机系统的多级层次结构结构机器：机器：并非是指真正的一台有鼠标、键盘、显并非是指真正

3、的一台有鼠标、键盘、显示器等的机器实体，而是指能够存贮和执行相应示器等的机器实体，而是指能够存贮和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体，是同时存语言程序的算法和数据结构的集合体，是同时存在于计算机内的。在于计算机内的。这样，对于会使用某一级高级语言编程的程序员这样，对于会使用某一级高级语言编程的程序员来说，只要他熟悉和遵守该级语言的规定，所编写来说，只要他熟悉和遵守该级语言的规定，所编写的程序总能在这一机器上运行，得到结果，而不用的程序总能在这一机器上运行，得到结果，而不用管这个机器级是如何实现的。就好像该程序员有了管这个机器级是如何实现的。就好像该程序员有了可以直接使用这种语言作为机器语

4、言的机器一样。可以直接使用这种语言作为机器语言的机器一样。实际上，只有二进制机器指令即传统所说的机器实际上，只有二进制机器指令即传统所说的机器语言才与硬件直接对应，方可以被硬件直接识别和语言才与硬件直接对应，方可以被硬件直接识别和执行。执行。解释：解释：是在低一级机器级上用它的一串语句或指令来仿是在低一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过真高一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过高一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释高一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。来实现的技术。翻译：翻译：是先用转换程序将高一级机器级上的程序整个是先用

5、转换程序将高一级机器级上的程序整个地变成低一级机器级上可运行的等效程序，然后再地变成低一级机器级上可运行的等效程序，然后再在低一级机器级上去实现的技术。在低一级机器级上去实现的技术。各机器级的实现主要靠翻译或解释，或两者的结合。各机器级的实现主要靠翻译或解释，或两者的结合。VM5 VM5 应用语言机器应用语言机器M5M5 VM4 VM4 高级语言机器高级语言机器M4M4 VM3 VM3 汇编语言机器汇编语言机器M3M3 VM2 VM2 操作系统机器操作系统机器M2M2 RM1 RM1 传统机器传统机器M1M1 RM0 RM0 微程序机器微程序机器M0M0 图图1.1 计算机系统的多级层次计算机

6、系统的多级层次结构结构 应用语言虚拟机器应用语言虚拟机器VM5VM5是为是为了满足管理、人工智能、图了满足管理、人工智能、图像处理、辅助设计等专门的像处理、辅助设计等专门的应用来设计的。应用来设计的。使用面向某一种应用环境使用面向某一种应用环境的的应用语的的应用语L5L5编写的程序一编写的程序一般是经过应用程序包翻译成般是经过应用程序包翻译成高级语言高级语言L4L4程序后，再逐级程序后，再逐级向下实现的。向下实现的。高级语言机器级高级语言机器级M4M4上的程上的程序可以先用编译程序整个的序可以先用编译程序整个的翻译成汇编语言翻译成汇编语言L3L3程序或机程序或机器语言器语言L1L1程序，再逐级

7、或越程序，再逐级或越级向下实现，也可以用汇编级向下实现，也可以用汇编语言语言L3L3程序、机器语言程序、机器语言L1L1程程序，甚至是微指令语言序，甚至是微指令语言L0L0程序解释实现。程序解释实现。VM5 VM5 应用语言机器应用语言机器M5M5 VM4 VM4 高级语言机器高级语言机器M4M4 VM3 VM3 汇编语言机器汇编语言机器M3M3 VM2 VM2 操作系统机器操作系统机器M2M2 RM1 RM1 传统机器传统机器M1M1 RM0 RM0 微程序机器微程序机器M0M0 图图1.1 计算机系统的多级层次计算机系统的多级层次结构结构 对汇编语言对汇编语言L3L3源程序则源程序则先用汇

8、编程序整个将其变先用汇编程序整个将其变换成等效的二进制机器语换成等效的二进制机器语言言L1L1目标程序，再在传统目标程序，再在传统机器级机器级M1M1上实现。上实现。VM5 VM5 应用语言机器应用语言机器M5M5 VM4 VM4 高级语言机器高级语言机器M4M4 VM3 VM3 汇编语言机器汇编语言机器M3M3 VM2 VM2 操作系统机器操作系统机器M2M2 RM1 RM1 传统机器传统机器M1M1 RM0 RM0 微程序机器微程序机器M0M0 图图1.1 计算机系统的多级层次计算机系统的多级层次结构结构操作系统程序虽然已发展成操作系统程序虽然已发展成用高级语言编写，但最终还用高级语言编写

9、，但最终还要用机器语言程序或微指令要用机器语言程序或微指令程序来解释。程序来解释。VM5 VM5 应用语言机器应用语言机器M5M5 VM4 VM4 高级语言机器高级语言机器M4M4 VM3 VM3 汇编语言机器汇编语言机器M3M3 VM2 VM2 操作系统机器操作系统机器M2M2 RM1 RM1 传统机器传统机器M1M1 RM0 RM0 微程序机器微程序机器M0M0 图图1.1 计算机系统的多级层次计算机系统的多级层次结构结构VM5 VM5 应用语言机器应用语言机器M5M5 VM4 VM4 高级语言机器高级语言机器M4M4 VM3 VM3 汇编语言机器汇编语言机器M3M3 VM2 VM2 操作

10、系统机器操作系统机器M2M2 RM1 RM1 传统机器传统机器M1M1 RM0 RM0 微程序机器微程序机器M0M0 图图1.1 计算机系统的多级层次计算机系统的多级层次结构结构操作系统提供了传统机器级操作系统提供了传统机器级M1M1所没有，但为汇编语言和所没有，但为汇编语言和高级语言使用和实现所用的高级语言使用和实现所用的基本操作、命令和数据结构。基本操作、命令和数据结构。如文件管理、存贮管理、进如文件管理、存贮管理、进程管理、多道程序共行、多程管理、多道程序共行、多重处理等。因此，操作系统重处理等。因此，操作系统机器级机器级M2M2放在传统机器机放在传统机器机M1M1和汇编语言机器级和汇编

11、语言机器级M3M3之间是之间是适宜的。适宜的。VM5 VM5 应用语言机器应用语言机器M5M5 VM4 VM4 高级语言机器高级语言机器M4M4 VM3 VM3 汇编语言机器汇编语言机器M3M3 VM2 VM2 操作系统机器操作系统机器M2M2 RM1 RM1 传统机器传统机器M1M1 RM0 RM0 微程序机器微程序机器M0M0 图图1.1 计算机系统的多级层次计算机系统的多级层次结构结构 传统机器级传统机器级M1M1采用组合逻采用组合逻辑电路控制，其指令可以直辑电路控制，其指令可以直接用硬件来实现，也可以采接用硬件来实现，也可以采用微程序控制，用微指令用微程序控制，用微指令L0L0程序来解

12、释实现。微指令直程序来解释实现。微指令直接控制硬件电路的动作。接控制硬件电路的动作。VM5 VM5 应用语言机器应用语言机器M5M5 VM4 VM4 高级语言机器高级语言机器M4M4 VM3 VM3 汇编语言机器汇编语言机器M3M3 VM2 VM2 操作系统机器操作系统机器M2M2 RM1 RM1 传统机器传统机器M1M1 RM0 RM0 微程序机器微程序机器M0M0 目前，目前，M0M0用硬件实现；用硬件实现；M1M1用微程序（固件）实现；用微程序（固件）实现；M2M2到到M5M5大多用软件实现。大多用软件实现。2 2实现方式实现方式 称以软件为主实现机器为虚拟机器称以软件为主实现机器为虚拟

13、机器VM,VM,以以区别区别于用硬件实现的实际机器于用硬件实现的实际机器RMRM。虚拟机器不一定全都由软件实现，有些操作可虚拟机器不一定全都由软件实现，有些操作可以用固件或硬件实现。以用固件或硬件实现。具体采用何种实现方式，要从整个计算机系具体采用何种实现方式，要从整个计算机系统的效率、速度、造价、资源状况等方面全面考统的效率、速度、造价、资源状况等方面全面考虑，对软件、硬件、固件取舍进行综合平衡。虑，对软件、硬件、固件取舍进行综合平衡。固件：是一种具有软件功能的硬件，如将软件固固件：是一种具有软件功能的硬件，如将软件固化在只读存储器器件上就是一种固件。化在只读存储器器件上就是一种固件。2 2

14、实现方式实现方式3.分层的意义分层的意义推动了计算机系统结构的发展。推动了计算机系统结构的发展。1.2 计算机系统结构、组成与实现计算机系统结构、组成与实现 1.2.1定义和内涵定义和内涵1.系系统统结结构构：回回到到层层次次结结构构上上，系系统统结结构构是是对对计计算算机机系系统统中中各各级级界界面面的的划划分分、定定义义及其上下的功能分配。及其上下的功能分配。每级都有自己的系统结构。每级都有自己的系统结构。系系统统结结构构的的设设计计就就是是研研究究针针对对某某级级，哪哪些些应当透明，哪些不可以的。应当透明，哪些不可以的。透明性概念：透明性概念：在在计计算算机机中中，客客观观存存在在的的事

15、事物物或或属属性性从从某某个个角角度度看看不不到到，称称这这些些事事物物或或属属性性对对它它是透明的。是透明的。透透明明就就会会简简化化某某一一级级的的设设计计，但但同同时时由由于于看看不不到到，就就会会无无法法控控制制，带带来来不不利利。所所以，要正确的进行透明性分析和取舍。以，要正确的进行透明性分析和取舍。VM5 VM5 应用语言机器应用语言机器M5M5 VM4 VM4 高级语言机器高级语言机器M4M4 VM3 VM3 汇编语言机器汇编语言机器M3M3 VM2 VM2 操作系统机器操作系统机器M2M2 RM1 RM1 传统机器传统机器M1M1 RM0 RM0 微程序机器微程序机器M0M0

16、2.计算机系统结构：计算机系统结构：计算机系统结构指的是层次结构计算机系统结构指的是层次结构中传统机器级的系统结构。中传统机器级的系统结构。其界面之上的功能包括：其界面之上的功能包括：操作系统级，汇编语言级，操作系统级，汇编语言级，高级语言级和应用语言级中所有高级语言级和应用语言级中所有软件的功能；软件的功能；界面之下的功能包括：界面之下的功能包括：所有硬件和固件的功能；所有硬件和固件的功能；因此，这个界面实际是软件与硬因此，这个界面实际是软件与硬件或固件的分界面。件或固件的分界面。计计算算机机系系统统结结构构研研究究：软软、硬硬件件功功能能的的划划分分和和传传统统机机器器级级界界面面的的确确

17、定定，为为机机器器语语言言、汇汇编编语语言言程程序序设设计计者者或或编编译译程程序序生生成成系系统统提提供供保证程序运行的计算机属性。保证程序运行的计算机属性。计算机系统结构属性包括：计算机系统结构属性包括：数据表示数据表示 寻址方式寻址方式 寄存器组织寄存器组织 指令系统指令系统 存贮系统存贮系统 中断机构中断机构及及I/OI/O结构结构 信息保护方式和保护机构信息保护方式和保护机构3.计算机组成：计算机组成：计计算算机机组组成成指指的的是是计计算算机机系系统统结结构构的的逻逻辑辑实实现现，包包括括机机器器级级内内的的数数据据流流和和控控制制流流的的组成以及逻辑设计等。组成以及逻辑设计等。着

18、着眼眼于于机机器器级级内内各各事事件件的的排排序序方方式式与与控控制机构、各部件的功能及各部件间的联系。制机构、各部件的功能及各部件间的联系。研研究究在在所所期期望望达达到到的的性性价价比比下下，怎怎样样最最佳佳、最最合合理理的的把把各各种种设设备备和和部部件件组组织织成成计计算算机，以实现所确定的系统结构。机，以实现所确定的系统结构。计算机组成要确定的方面包括：计算机组成要确定的方面包括：数据通路宽度数据通路宽度 专用部件的设置专用部件的设置 各种操作对部件的共享程度各种操作对部件的共享程度 功能部件的并行度功能部件的并行度 控制机构的组织方式控制机构的组织方式 缓冲和排队技术缓冲和排队技术

19、 预估、预判技术预估、预判技术 可靠性技术可靠性技术4.4.计算机实现：计算机实现：计算机实现指的是计算机组成的物理实现。计算机实现指的是计算机组成的物理实现。研究：实际器件技术和微组装技术。研究：实际器件技术和微组装技术。包括：包括：处理机、主存等的物理结构处理机、主存等的物理结构 器件的集成度和速度器件的集成度和速度 器件、模块、插件、底板的划分与连接器件、模块、插件、底板的划分与连接 专用器件的设计专用器件的设计 微组装技术微组装技术 举例举例1：指令系统的确定指令系统的确定计算机系统结构计算机系统结构指令的实现指令的实现计算机组成计算机组成具体电路、器件设计及装配技术具体电路、器件设计

20、及装配技术计算机计算机实现实现举例举例2：是否设乘法指令是否设乘法指令计算机系统结构计算机系统结构用高速乘法器还是加法移位器实现用高速乘法器还是加法移位器实现计算计算机组成机组成器件的类型、数量及组装技术的确定器件的类型、数量及组装技术的确定计计算机实现算机实现 举例举例3：主存容量与编址方式的确定主存容量与编址方式的确定计算机系统计算机系统结构结构主存速度的确定、逻辑结构的模式主存速度的确定、逻辑结构的模式计算计算机组成机组成器件的选定、电路的设计、组装技术器件的选定、电路的设计、组装技术计计算机实现算机实现举例举例4：设计什么样的系列机属于系统结构、系列内设计什么样的系列机属于系统结构、系

21、列内的不同型号计算机的组织属于组成的不同型号计算机的组织属于组成。应用语言机器应用语言机器M5高级语言机器高级语言机器M4汇编语言机器汇编语言机器M3操作系统机器操作系统机器M2传统机器传统机器M1微程序机器微程序机器M0IBM370不同型号机器不同型号机器从从M4、M3到到M1：概念性结构相同概念性结构相同性价比不同性价比不同组成技术不同组成技术不同实现技术不同实现技术不同具有不同的微程序机器级具有不同的微程序机器级高级语言编译软件和应用软件高级语言编译软件和应用软件可以通用于不同型号机器，可以通用于不同型号机器，只是运行速度不同，只是运行速度不同，机器价格不同机器价格不同IBM370系列机

22、系列机指令系统指令系统IBM370系列机的中央处理机都具有相同的机器指系列机的中央处理机都具有相同的机器指令和汇编指令系统；令和汇编指令系统；只是指令的分析执行，在低档机上采用顺序处理只是指令的分析执行，在低档机上采用顺序处理方式，在高档机上采用重叠、流水或其他并行处方式，在高档机上采用重叠、流水或其他并行处理方式。理方式。相同系统结构，不同组成相同系统结构，不同组成数据表示与数据通路宽度数据表示与数据通路宽度程序设计者编程序时看到的数据形式（即数据表示）程序设计者编程序时看到的数据形式（即数据表示）都是相同的都是相同的32位字长，定点数都是半字长位字长，定点数都是半字长16位或全位或全字长字

23、长32位，浮点数都是单字长位，浮点数都是单字长32位，双字长位，双字长64位或位或四字长四字长128位；位；IBM370系列机系列机数据通路宽度（数据总线线数）由于速度、价格的数据通路宽度（数据总线线数）由于速度、价格的要求不同，在组成和实现时，可以分别采用要求不同，在组成和实现时，可以分别采用8位、位、16位、位、32位或位或64位，这样一个位，这样一个64位的字，分别要传送位的字，分别要传送8次、次、4次、次、2次、次、1次，速度不同，价格不同。次，速度不同，价格不同。数据总线宽度对程序员是透明的。数据总线宽度对程序员是透明的。相同系统结构，不同组成相同系统结构，不同组成IBM370系列机

24、系列机通道方式通道方式IBM370系列机的各档机器都采用通道方式进行系列机的各档机器都采用通道方式进行I/O；相同系统结构，不同组成相同系统结构，不同组成在计算机组成上：在计算机组成上：低档机器低档机器可以采用结合型通道，让通道的功能借用中可以采用结合型通道，让通道的功能借用中央处理机的某些部件来完成。同一套硬件分时执行中央处理机的某些部件来完成。同一套硬件分时执行中央处理机和通道的功能。速度性能低，成本低。央处理机和通道的功能。速度性能低，成本低。高档机高档机上却采用独立型通道，让通道单独设置硬件，上却采用独立型通道，让通道单独设置硬件，与中央处理机并行工作。成本虽高，速度性能高。与中央处理

25、机并行工作。成本虽高，速度性能高。结论:机器/汇编指令系统、数据表式、是否采用通道方式输入/输出的确定属于系统结构研究的范畴；指令采用顺序、重叠、流水还是其它方式解释，数据通路宽度的确定，通道采用结合型还是独立型，均属于计算机组成研究的范畴。1.联系联系：1)具有相同系统结构具有相同系统结构(如指令系统相同如指令系统相同)的计机的计机可因速度等因素的要求不同而采用不同组成。可因速度等因素的要求不同而采用不同组成。例如：对于乘法指令，可以使用专用的乘法例如：对于乘法指令，可以使用专用的乘法器器来来实实现现，也也可可以以使使用用加加法法器器重重复复相相加加、右右移移来实现。来实现。1.2.2结构、

26、组成与实现的相互关系结构、组成与实现的相互关系 三者互不相同又相互影响。三者互不相同又相互影响。1.联系联系：2)相相同同的的计计算算机机组组成成可可以以采采用用多多种种不不同同的的实实现现方法。方法。例例如如：主主存存器器件件既既可可以以选选用用双双极极型型的的，也也可可以以选选用用MOSMOS型型的的；可可以以使使用用单单片片大大规规模模集集成成电电路路，也也可可以以用用多多片片小小规规模模集集成成电电路路进进行行组组搭搭。显显然然，这这取取决决于于所所要要求求的的性性价价比比和和当当时时的的器器件件技术。技术。1.2.2结构、组成与实现的相互关系结构、组成与实现的相互关系 三者互不相同又

27、相互影响。三者互不相同又相互影响。2.影响影响：1.2.2结构、组成与实现的相互关系结构、组成与实现的相互关系 三者互不相同又相互影响。三者互不相同又相互影响。1)不同的系统结构会使组成技术产生差异。不同的系统结构会使组成技术产生差异。比如比如:为实现为实现 A:=B+C D:=E*FA:=B+C D:=E*F采用面向寄存器的系统结构，程序可以是：采用面向寄存器的系统结构，程序可以是：LOAD R1,BLOAD R1,BLOAD R2,ELOAD R2,EADD R1,CADD R1,CMPY R2,FMPY R2,FSTORE R1,ASTORE R1,ASTORE R2,DSTORE R2

28、,D2.影响影响：1.2.2结构、组成与实现的相互关系结构、组成与实现的相互关系 三者互不相同又相互影响。三者互不相同又相互影响。1)1)不同的系统结构会使组成技术产生差异。不同的系统结构会使组成技术产生差异。比如比如:为实现为实现 A:=B+C D:=E*FA:=B+C D:=E*F采用面向主存的具有三地址寻址方式的系统结采用面向主存的具有三地址寻址方式的系统结构，程序可以是：构，程序可以是：ADD B,C,AADD B,C,AMPY E,F,DMPY E,F,D2.影响影响：1.2.2结构、组成与实现的相互关系结构、组成与实现的相互关系 三者互不相同又相互影响。三者互不相同又相互影响。2)

29、2)计算机组成会影响系统结构，计算机组成计算机组成会影响系统结构，计算机组成技术的进步促进了系统结构的发展。技术的进步促进了系统结构的发展。如：如：微程序控制微程序控制控制器控制器存贮技术存贮技术引入引入硬联控制逻辑连接硬联控制逻辑连接微指令代码微指令代码使得使得转变为转变为存储于存储于将将软软件件概概念念和和技技术术引引入入计计算算机机组组成成软硬件界面软硬件界面之下，本应之下，本应全硬件实现全硬件实现实现计算机实现计算机组成的组成的“软化软化”改变控制存改变控制存贮器微程序贮器微程序改变系统改变系统机器指令机器指令改变系改变系统结构统结构动态动态切换切换2.影响影响：1.2.2结构、组成与

30、实现的相互关系结构、组成与实现的相互关系 三者互不相同又相互影响。三者互不相同又相互影响。3)3)计计算算机机实实现现，特特别别是是器器件件技技术术的的进进展展构构成成了了计计算算机机系系统统结结构构和和组组成成的的基基础础，对对系系统统结结构构有有很大影响。很大影响。结结论论：系系统统结结构构设设计计的的任任务务是是进进行行软软硬硬件件功功能能分分配配，作作为为学学科科，实实际际上上包包括括了了系系统统结结构构和和组组成成两两个个方方面面的的内内容容。他他研研究究的的是是软软、硬硬加加功功能能的的分分配配以以及及如如何何更更好好、更更合合理理的的实实现现分分配配给给硬硬件的功能。件的功能。1

31、.3 软硬取舍、性能评测及定量设计原理软硬取舍、性能评测及定量设计原理 软件和硬件在逻辑功能上是等效的。软件和硬件在逻辑功能上是等效的。原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可以用软件模拟完成，只是性能、价格、件的功能也可以用软件模拟完成，只是性能、价格、实现的难易程度不同。实现的难易程度不同。例如：编译子程序例如：编译子程序-硬件固件；乘除法运算；向量数硬件固件；乘除法运算；向量数组运算；十进制运算等。组运算；十进制运算等。1.3.1软件取舍的基本原则软件取舍的基本原则具有相同功能的系统，其软硬件功能分配比例的具有相同功能的系统，其软硬件功

32、能分配比例的变化范围也是很宽的。而且随不同时期及同一时期的变化范围也是很宽的。而且随不同时期及同一时期的不同机器也在动态改变。不同机器也在动态改变。软软 件件硬硬 件件只有最必只有最必需的硬件需的硬件 程序程序不可编不可编目前的计目前的计算机系统算机系统功能分功能分配比例配比例 (%)计算机系统计算机系统的软、硬件的软、硬件功能分配图功能分配图1.3 软硬取舍、性能评测及定量设计原理软硬取舍、性能评测及定量设计原理 1.3.1软件取舍的基本原则软件取舍的基本原则1)1)提高硬件功能的比例，可以提高解题速度，减少程提高硬件功能的比例，可以提高解题速度，减少程序所需的存贮空间；但是，会提高硬件的成

33、本，降低序所需的存贮空间；但是，会提高硬件的成本，降低硬件的利用率和系统的灵活性与适应性。硬件的利用率和系统的灵活性与适应性。软软 件件硬硬 件件只有最必只有最必需的硬件需的硬件 程序程序不可编不可编目前的计目前的计算机系统算机系统功能分功能分配比例配比例 (%)计算机系统计算机系统的软、硬件的软、硬件功能分配图功能分配图1.3 软硬取舍、性能评测及定量设计原理软硬取舍、性能评测及定量设计原理 1.3.1软件取舍的基本原则软件取舍的基本原则2)2)提高软件功能的比例，可以降低硬件的造价，提高提高软件功能的比例，可以降低硬件的造价，提高系统的灵活性和适应性。但解题速度要下降，软件设系统的灵活性和

34、适应性。但解题速度要下降，软件设计费用和所需的存贮空间要增加。计费用和所需的存贮空间要增加。软软 件件硬硬 件件只有最必只有最必需的硬件需的硬件 程序程序不可编不可编目前的计目前的计算机系统算机系统功能分功能分配比例配比例 (%)计算机系统计算机系统的软、硬件的软、硬件功能分配图功能分配图1.3 软硬取舍、性能评测及定量设计原理软硬取舍、性能评测及定量设计原理 1.3.1软件取舍的基本原则软件取舍的基本原则1.3.1软件取舍的基本原则软件取舍的基本原则1.原原则则一一：在在现现有有的的硬硬件件和和器器件件(主主要要是是逻逻辑辑器器件件和存贮器件和存贮器件)的条件下，系统要有高的性价比。的条件下

35、，系统要有高的性价比。仅从实现费用分析。硬件比例高硬件比例高：解题速度快，程序所需存贮空间少，：解题速度快，程序所需存贮空间少，硬件的成本高，硬件利用率低，系统灵活性适应性低硬件的成本高，硬件利用率低，系统灵活性适应性低软件比例高软件比例高：硬件成本低，系统灵活性适应性高，：硬件成本低，系统灵活性适应性高，解题速度低，软件设计费用、所需存贮空间增加。解题速度低，软件设计费用、所需存贮空间增加。性能性能：综合指标，包含很多方面，速度是主要方面。：综合指标，包含很多方面，速度是主要方面。某个功能用软件还是用硬件实现好，主要可从实现费某个功能用软件还是用硬件实现好，主要可从实现费用、速度和其他性能要

36、求来考虑。用、速度和其他性能要求来考虑。1.3.11.3.1软件取舍的基本原则软件取舍的基本原则（原则一：高性价比）（原则一：高性价比）性能：以实现费用为例分析：（性能：以实现费用为例分析：（:软件；软件；:硬件）硬件）软硬件实现费用：软硬件实现费用：研制研制(设计设计)费用费用（用表示）（用表示）重复生产费用重复生产费用（用（用M表示）表示）h100Ds软件设计费用软件设计费用=CDs软件重复生产费用软件重复生产费用=RMs设：计算机系统共生产了设：计算机系统共生产了V台台Mh100Ms硬件实现一个功能只需设计一次硬件实现一个功能只需设计一次软件每次用到该功能要重新设计软件每次用到该功能要重

37、新设计C：软件实现该功能需重新设计次数：软件实现该功能需重新设计次数Ms：每次复制和存贮费用：每次复制和存贮费用R：该功能在存贮介质出现次数：该功能在存贮介质出现次数Mh：硬件每次重复生产费用：硬件每次重复生产费用每台机器用硬件实现该功能费用：每台机器用硬件实现该功能费用：Dh/V+Mh用软件实现费用：用软件实现费用：CDs/V+RMs当当Dh/V+MhCDs/V+RMs时，适宜硬件实现。时，适宜硬件实现。100Ds/V+100MsCDs/V+RMs结论：结论：C和和R较大时，式子才成立，即只有某个功能是较大时，式子才成立，即只有某个功能是经常用到的基本单元功能，才适宜用硬件实现。经常用到的基

38、本单元功能，才适宜用硬件实现。软件设计费用远比重复生产费用高，软件设计费用远比重复生产费用高，Ds104Ms106Ms/V+100MsC104Ms/V+RMs106/V+100C104/V+R一般：一般：C1的机器性能相对就较好，Gm11.3.21.3.2计算机系统的性能评测与定量设计原理计算机系统的性能评测与定量设计原理2 计算机系统的定量设计原理设计计算机时，一般应遵循的定量设计原理：2）Amdahl定律系统加速比为：当fnew=0时，Sp=1；rnew趋于时，fnew/rnew趋于0，则即，性能提高的幅度受限于性能改进部分所占比例，而性能改进的极限受fnew的约束。1.3.21.3.2计

39、算机系统的性能评测与定量设计原理计算机系统的性能评测与定量设计原理2 计算机系统的定量设计原理设计计算机时，一般应遵循的定量设计原理：2）Amdahl定律例：若系统中某部件处理速度提高到10倍，即rnew=10，但该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的40%，则改进后，整个系统的性能提高为1.3.21.3.2计算机系统的性能评测与定量设计原理计算机系统的性能评测与定量设计原理2 计算机系统的定量设计原理设计计算机时，一般应遵循的定量设计原理：3）程序访问的局部性定律a)时间局部性：在最近的未来要用到的信息很可能是现在正在使用的信息，这是由程序循环造成的，即循环中的语句要被重复执行。b)空间局部

40、性：在最近的未来要用到的信息很可能与现在正在使用的信息在程序空间上相邻或相近，这是由于指令通常是顺序存放、顺序执行的。1.3.21.3.2计算机系统的性能评测与定量设计原理计算机系统的性能评测与定量设计原理2 计算机系统的定量设计原理设计计算机时，一般应遵循的定量设计原理：3）程序访问的局部性定律统计表明，程序执行时，90%的时间之访问整个程序的10%。这为设计指令提供了重要依据，即指令硬件的设计应尽量加速高频指令的执行。1.3.21.3.2计算机系统的性能评测与定量设计原理计算机系统的性能评测与定量设计原理2 计算机系统的定量设计原理 总之，现在通用计算机的设计，一般先选择从层次结构的主要软

41、、硬件界面之间进行合理的软硬件功能分配；同时还要考虑硬件对OS、编译系统提供哪些支持，然后由这个中间界面分别向上、向下进行软件和硬件设计。1.3.3计算机系统设计的主要任务计算机系统设计的主要任务和方法和方法任务包括系统结构,组成和实现的设计.功能分配,指令系统,逻辑设计,电路设计,对编译及操作系统的支持.考虑市场和应用的情况,满足应用的需求.(1)要弄清其应用领域是专用的还是通用的.(2)要弄清软件兼容是放在那级层次.(3)要弄清操作系统有何种要求.(4)要如何保证有高的标准化程度.优化,提高性价比.系统结构设计应 适应硬件技术,软件技术,器件技术,应用需求的发展变化.计算机系统的设计方法(

42、1)由上往小(2)由下往上(3)从中间开始1.4软件、应用、器件对系统结构的影响软件、应用、器件对系统结构的影响1.4.1软件对系统结构的影响软件对系统结构的影响定义定义：可移植性是指软件可以不加修改或经少量修改，：可移植性是指软件可以不加修改或经少量修改，就可以由一台机器搬到另一台机器去运行，使得同一就可以由一台机器搬到另一台机器去运行，使得同一套软件可以应用于不同的硬件环境。套软件可以应用于不同的硬件环境。优点优点：可以大量节省重复工作量，使软件设计者可：可以大量节省重复工作量，使软件设计者可以集中精力更好的改进或开发全新的软件。以集中精力更好的改进或开发全新的软件。软件可移植性实现软件可

43、移植的基本技术：实现软件可移植的基本技术：1统一高级语言统一高级语言软件移植软件移植应用软件移植应用软件移植系统软件移植系统软件移植软件编写软件编写高级语言高级语言汇编语言汇编语言机器语言机器语言面向题目和算法面向题目和算法统一出满足各种应用的高级语言统一出满足各种应用的高级语言该高级语言编写程序可移植该高级语言编写程序可移植该语言编写操作系统该语言编写操作系统系统软件可移植系统软件可移植实现软件可移植的基本技术：实现软件可移植的基本技术：1统一高级语言统一高级语言难度很大，原因：难度很大，原因：1）不同的用途往往要求语言有不同的语法结构和）不同的用途往往要求语言有不同的语法结构和语义结构。语

44、义结构。2）人们对语言的基本结构看法不一。）人们对语言的基本结构看法不一。3）即使同一种高级语言在各个不同厂家的机器上）即使同一种高级语言在各个不同厂家的机器上也不能完全通用，因为各种机器字长、也不能完全通用，因为各种机器字长、机器零机器零定定义、义、I/0设备种类和数量、子程序结构、寻址空间、设备种类和数量、子程序结构、寻址空间、操作系统等不尽相同。操作系统等不尽相同。4）习惯势力的影响。）习惯势力的影响。实现软件可移植的基本技术：实现软件可移植的基本技术：2采用系列机思想采用系列机思想系列机思想：系列机思想：在软、硬件界面上确定好一种系统结构之后软件设在软、硬件界面上确定好一种系统结构之后

45、软件设计者按此设计软件计者按此设计软件;硬件设计者根据机器速度、性能、硬件设计者根据机器速度、性能、价格的不同，选择不同的器件，采用不同的硬件技术和价格的不同，选择不同的器件，采用不同的硬件技术和组成、实现技术，研制并提供不同档次的机器。组成、实现技术，研制并提供不同档次的机器。系列机结构相同，通过统一机器语言来达到软件的移植系列机结构相同，通过统一机器语言来达到软件的移植确定系列机结构时要慎重。确定系列机结构时要慎重。实现软件可移植的基本技术：实现软件可移植的基本技术：2采用系列机思想采用系列机思想软件兼容：软件兼容：由于系列内各档机器从程序设计者看都具有相同由于系列内各档机器从程序设计者看

46、都具有相同的机器属性，因此按这个属性编制的机器语言程序的机器属性，因此按这个属性编制的机器语言程序以及编译程序都能不加修改地通用于各档机器，我以及编译程序都能不加修改地通用于各档机器，我们称这种情况下的各档机器是软件兼容的们称这种情况下的各档机器是软件兼容的.实现软件可移植的基本技术：实现软件可移植的基本技术：2采用系列机思想采用系列机思想向上（下）兼容：向上（下）兼容：指按某档机器编制的软件，不加修改就能运行于指按某档机器编制的软件，不加修改就能运行于比它高比它高(低低)档的机器上。档的机器上。同一系列内的软件一般应做到向同一系列内的软件一般应做到向上上兼容兼容向前向前(后后)兼容：兼容：指

47、在按某个时期投人市场的该型号机器上编制指在按某个时期投人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前的软件，不加修改就能运行于在它之前(后后)投入市投入市场的机器上。场的机器上。系列机软件必须保证做到向后兼容系列机软件必须保证做到向后兼容实现软件可移植的基本技术：实现软件可移植的基本技术：3模拟与仿真模拟与仿真实现在具有不同系统结构的机器间软件移植。实现在具有不同系统结构的机器间软件移植。从指令系统看：从指令系统看：在一种机器的系统结构上实现另一种机器的指令系统。在一种机器的系统结构上实现另一种机器的指令系统。实现软件可移植的基本技术：实现软件可移植的基本技术：3模拟与仿真模拟与仿

48、真模拟：模拟：将将B机每条机器指机每条机器指令都用令都用A机的一段机的一段机器语言程序解释机器语言程序解释A：宿主机：宿主机B：虚拟机：虚拟机还需模拟还需模拟B机存贮体系、机存贮体系、I/O系统、控制台操作，系统、控制台操作，形成虚拟形成虚拟OS适合于移植运行时间短适合于移植运行时间短使用次数少，时间关系使用次数少，时间关系没约束限制的软件没约束限制的软件实现软件可移植的基本技术：实现软件可移植的基本技术：3模拟与仿真模拟与仿真仿真：仿真：用用A的微程序直接的微程序直接解释解释B的机器指令的机器指令A：宿主机：宿主机B：目标机：目标机需模拟需模拟B机存贮体系机存贮体系I/O系统、控制台操作，系

49、统、控制台操作，形成虚拟形成虚拟OS实现软件可移植的基本技术：实现软件可移植的基本技术：3模拟与仿真模拟与仿真模拟与仿真的区别：模拟与仿真的区别：仿真用微程序解释仿真用微程序解释模拟用机器语言程序解释模拟用机器语言程序解释仿真解释程序存在控制存贮器中仿真解释程序存在控制存贮器中模拟解释程序存在主存中模拟解释程序存在主存中实现软件可移植的基本技术比较：实现软件可移植的基本技术比较：解决结构相同或不同机器软件移植，重要方向。解决结构相同或不同机器软件移植，重要方向。普遍采用的方法。结构相同机器软件移植，兼容普遍采用的方法。结构相同机器软件移植，兼容会阻碍系统结构进展。会阻碍系统结构进展。不同结构机

50、器软件移植。模拟灵活，结构差别太不同结构机器软件移植。模拟灵活，结构差别太大时，效率速度急剧下降。大时，效率速度急剧下降。仿真速度损失小，灵活性小，目前在结构差别不仿真速度损失小，灵活性小，目前在结构差别不大机器间采用，否则效率显著降低且难仿真，同大机器间采用，否则效率显著降低且难仿真，同时需结合采用模拟方法才能真正实现。时需结合采用模拟方法才能真正实现。统一高级语言统一高级语言设计系列机设计系列机模拟与仿真模拟与仿真1.4.1软件对系统结构的影响软件对系统结构的影响系统结构设计者在设计机器时，一定要考虑满足系统结构设计者在设计机器时，一定要考虑满足软件兼容，并提供实现软件可移植的手段。软件兼