計(jì)算機(jī)科學(xué)第3章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

1、第第3 3章章 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)1. 了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)2. 理解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基本概念3. 掌握馮諾依曼與哈佛體系結(jié)構(gòu)4. 理解指令和指令集，了解CISC和RISC結(jié)構(gòu)原理5. 理解流水線技術(shù)，了解并行處理和多處理器體系結(jié)構(gòu)6. 理解軟件的本質(zhì)與內(nèi)涵，掌握計(jì)算機(jī)軟件的總體層次分類1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu) 2. 體系結(jié)構(gòu)的基本概念3. 馮諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu) 4. 處理器體系結(jié)構(gòu) 5. 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)掌握馮諾依曼機(jī)原理和體系結(jié)構(gòu)掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)處理器體系結(jié)構(gòu) 第一第一節(jié)節(jié) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級層次結(jié)的多級層次結(jié)構(gòu)構(gòu) 計(jì)算機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，是由硬件和軟件結(jié)合而成

2、的有機(jī)整體，如同一切復(fù)雜的自然系統(tǒng)和人為系統(tǒng)一樣，計(jì)算機(jī)內(nèi)部也存在多級的層次結(jié)構(gòu)。這種多層次結(jié)構(gòu)是人們對于計(jì)算機(jī)一種深入的、本質(zhì)的認(rèn)識和應(yīng)用，它是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而逐步建立起來的。虛擬機(jī)(Virtual Machine)： 虛擬機(jī)（VM）是支持多操作系統(tǒng)并行運(yùn)行在單個(gè)物理服務(wù)器上的一種系統(tǒng)，能夠提供更加有效的底層硬件使用。在虛擬機(jī)中，中央處理器芯片從系統(tǒng)其它部分劃分出一段存儲區(qū)域，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序運(yùn)行在“保護(hù)模式”環(huán)境下。如果在某虛擬機(jī)中出現(xiàn)程序凍結(jié)現(xiàn)象，這并不會影響運(yùn)行在虛擬機(jī)外的程序操作和操作系統(tǒng)的正常工作 。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級層次：l機(jī)器語言機(jī)器l中間語言機(jī)器（匯編語言）l高級語言機(jī)器

3、Pascal 語言 C語言 Java語言 BASIC 語言等 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級層次：l機(jī)器語言機(jī)器l操作系統(tǒng)語言機(jī)器l中間語言機(jī)器（匯編語言）l高級語言機(jī)器l用戶程序機(jī)器 計(jì)算機(jī)的多級層次結(jié)構(gòu)示意圖計(jì)算機(jī)的多級層次結(jié)構(gòu)示意圖 翻譯高級語言的主要方法： 1 編譯法：給計(jì)算機(jī)高級語言編制一套用機(jī)器語言編寫的編譯程序，它先把源程序全部翻譯成目的程序，再提供給機(jī)器執(zhí)行。 執(zhí)行過程: 典型語言：Pascal、C編譯程序(機(jī)器語言) 高級語言程序編譯成目的程序生成執(zhí)行程序 翻譯高級語言的主要方法： 2 解釋法：與編譯法不同，它不是先把源程序全部編譯為目的程序后再執(zhí)行，而是把程序的語句逐條翻譯成為目的程序并

4、且立即逐條執(zhí)行。即解釋一條執(zhí)行一條 高級語言程序目的程序(逐條翻譯) 生成執(zhí)行程序執(zhí)行過程執(zhí)行過程: 典型語言：典型語言：BASIC 計(jì)算機(jī)多級層次結(jié)構(gòu)要解決的基本問題: (1) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理解問題； (2) 計(jì)算機(jī)功能擴(kuò)展問題。 第二節(jié)第二節(jié) 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概述計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概述1. 1.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（computer architecture）通常是指程序設(shè)計(jì)人員所見到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，是硬件子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)概念及其功能特性。2. 2. 計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成 計(jì)算機(jī)組成（computer organization）是在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)各部件

5、的具體組成，及它們之間的連接關(guān)系。 3.3. 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)（computer implementation），是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。包括中央處理機(jī)、主存儲器、輸入輸出接口和設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)，所用的器件工藝、性能及模塊的劃分，電源、冷卻、裝配等技術(shù)，生產(chǎn)工藝和系統(tǒng)調(diào)試等各種問題。幾個(gè)基本概念間的關(guān)系幾個(gè)基本概念間的關(guān)系 體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) 診斷計(jì)算機(jī)組成 操作系統(tǒng)指令系統(tǒng)應(yīng)用程序計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 由圖示可見，由圖示可見，體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中占據(jù)核心地位中占據(jù)核心地位1. 1. 系列機(jī)系列機(jī)（family computer）

6、指某一廠商生產(chǎn)的具有相同的體系結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號的機(jī)器。2 2. .軟件兼容軟件兼容 同一個(gè)軟件可以不加修改地運(yùn)行于體系結(jié)構(gòu)相同的各檔機(jī)器上，而且它們所獲得的結(jié)果一樣。 3.3.兼容機(jī)兼容機(jī)(compatible machine) 不同廠家生產(chǎn)的具有相同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)稱為兼容機(jī)。第三節(jié)第三節(jié) 馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu) 馮諾依曼理論的思想：把程序和數(shù)據(jù)一起存儲在存儲器里，讓計(jì)算機(jī)自己負(fù)責(zé)從存儲器里提取指令，執(zhí)行指令，循環(huán)式地執(zhí)行這兩個(gè)動作。計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，就可以完全擺脫外界的影響，以自己可能的速度自動地運(yùn)行。按照這種原理構(gòu)造出來的計(jì)算機(jī)是“

7、存儲程序控制計(jì)算機(jī)”，也被稱做“馮諾依曼計(jì)算機(jī)”。馮馮諾依曼理論的要點(diǎn)：諾依曼理論的要點(diǎn)：l指令像數(shù)據(jù)那樣存放在存儲器中，并可以像數(shù)據(jù)那樣進(jìn)行處理；l指令格式使用二進(jìn)制機(jī)器碼表示；l使用程序存儲控制方式工作。十進(jìn)十進(jìn)制制計(jì)算計(jì)算機(jī)指機(jī)指令令馮馮諾依曼提諾依曼提出二進(jìn)制機(jī)出二進(jìn)制機(jī)器碼表示計(jì)器碼表示計(jì)算機(jī)指令格算機(jī)指令格式式馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)諾依曼結(jié)構(gòu) 普林斯頓體系結(jié)構(gòu)（普林斯頓體系結(jié)構(gòu)（Princetion Architecture)現(xiàn)代現(xiàn)代通用計(jì)算機(jī)使用的最主要結(jié)構(gòu)通用計(jì)算機(jī)使用的最主要結(jié)構(gòu)。l指令與數(shù)據(jù)均是用二進(jìn)制代碼形式表現(xiàn)，電子線路采用二進(jìn)制。 l存儲器中的指令與數(shù)據(jù)形式一致，機(jī)器對它們同

8、等對待，不加區(qū)分。 l指令在存儲器中按執(zhí)行順序存儲，并使用一個(gè)指令計(jì)數(shù)器來控制指令執(zhí)行的方向，實(shí)現(xiàn)順序執(zhí)行或轉(zhuǎn)移。 l存儲器的結(jié)構(gòu)是按地址訪問的順序線性編址的一維結(jié)構(gòu)。 l計(jì)算機(jī)由五大部分組成：運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。l一個(gè)字長的各位同時(shí)進(jìn)行處理，即在運(yùn)算器中是并行的字處理。l運(yùn)算器的基礎(chǔ)是加法器。 馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)：諾依曼結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)：馮馮諾依曼結(jié)構(gòu)的缺陷諾依曼結(jié)構(gòu)的缺陷： 1)由于處理器與存儲器之間的特殊關(guān)系，處理器要頻繁訪問存儲器，而處理器的速度要高出存儲器幾個(gè)數(shù)量級，存在處理器與存儲器之間的瓶頸；同時(shí)，由于其執(zhí)行指令是串行的，由此造成指令串行執(zhí)行效率低，不

9、能充分發(fā)揮處理器功效。 2)在使用計(jì)算機(jī)語言的時(shí)候，人們常常使用高級語言，而高級語言與機(jī)器語言之間的差別是較大的，要用不同的編譯和解釋程序?qū)⒏呒壵Z言的源程序翻譯成機(jī)器可以識別的機(jī)器語言，從而帶來較大的工作量。 3)由于馮諾依曼型計(jì)算機(jī)采用的是按地址訪問的順序存儲空間，對于復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，必須經(jīng)過地址映像存放才能解決問題，因此也帶來了不便。1.將運(yùn)算器與控制器集中于一塊芯片，作為中央處理器（CPU）2. 采用先行控制、流水線等方法，開發(fā)并行性 3. 采用多體交又存儲器，增加存儲帶寬 4. 采用總線結(jié)構(gòu)，將計(jì)算機(jī)各個(gè)部件連接起來，并實(shí)現(xiàn)各部件之間正確的數(shù)據(jù)傳輸 5. 以存儲器為核心，使I/O設(shè)備和

10、處理器可并行工作 總線結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)：l簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造；l大大減少了連線數(shù)目，便于布線，減小體積，提高系統(tǒng)的可靠性；l便于接口設(shè)計(jì)，所有與總線連接的設(shè)備均采用類似的接口；l便于系統(tǒng)的擴(kuò)充、更新與靈活配置，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化；l便于設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)，所有需要控制接口的軟件就是對不同的接口地址進(jìn)行操作；l便于故障診斷和維修，同時(shí)也降低了成本。哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu) Harvard architecture Harvard architecture，縮寫為，縮寫為HARCHARC 程序指令程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)，與與馮馮諾依曼諾依曼結(jié)構(gòu)的本質(zhì)

11、結(jié)構(gòu)的本質(zhì)區(qū)別區(qū)別。哈佛哈佛結(jié)構(gòu)對比馮結(jié)構(gòu)對比馮諾依曼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)諾依曼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn) 哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率。其程序指令和數(shù)據(jù)指令分開組織和存儲，執(zhí)行時(shí)可以預(yù)先讀取下一條指令。哈佛結(jié)構(gòu)采用程序和數(shù)據(jù)空間獨(dú)立的體系結(jié)構(gòu)，可以減輕程序運(yùn)行時(shí)的訪存瓶頸，這是馮諾依曼結(jié)構(gòu)所無法解決的。第四節(jié)第四節(jié) 處理器體系結(jié)構(gòu)處理器體系結(jié)構(gòu) 從本質(zhì)上講，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是一門設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的學(xué)科，包括計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)，以及與系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)和編譯器相關(guān)的一系列技術(shù)。處理器技術(shù)是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的核心。 主要內(nèi)容：1.指令系統(tǒng)2. CISC結(jié)構(gòu)3. RISC結(jié)構(gòu)4. 并行處理與流

12、水線技術(shù) 指令指令是指控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令，也稱為是指控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令，也稱為機(jī)器指令機(jī)器指令。指令的作。指令的作用是協(xié)調(diào)各硬件部件之間的工作關(guān)系，它反映了計(jì)算機(jī)所擁有的基本功能用是協(xié)調(diào)各硬件部件之間的工作關(guān)系，它反映了計(jì)算機(jī)所擁有的基本功能，是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的最小功能單位。一臺計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，稱，是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的最小功能單位。一臺計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，稱為這臺計(jì)算機(jī)的為這臺計(jì)算機(jī)的指令集指令集，或者，或者指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)的特征：1.指令格式 2.指令長度3.指令操作碼在處理器內(nèi)的存儲形式 4.指令周期 5.指令類型6.指令系統(tǒng)的尋址方式 根據(jù)指令系統(tǒng)

13、功能結(jié)構(gòu)的不同，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢呈現(xiàn)兩種截然不同的方向：復(fù)雜指令集計(jì)算技術(shù)（CISC） Complex Instruction Set Computing精簡指令集計(jì)算技術(shù)（RISC） Reduced Instruction Set ComputingCISCRISC1) 1)指令指令愈豐富功能愈強(qiáng)，編譯程序愈好寫，指令效率愈高愈豐富功能愈強(qiáng)，編譯程序愈好寫，指令效率愈高 ；2) 2) 指令系統(tǒng)愈豐富，愈可減輕軟件危機(jī)指令系統(tǒng)愈豐富，愈可減輕軟件危機(jī) ；3)3)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)豐富，尤其是存儲器操作指令的增多，可以改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的豐富，尤其是存儲器操作指令的增多，可以改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；質(zhì)

14、量； 4) 4)以以微程序控制器為核心，指令存儲器與數(shù)據(jù)存儲器共享同一個(gè)物理存微程序控制器為核心，指令存儲器與數(shù)據(jù)存儲器共享同一個(gè)物理存儲空間儲空間 。典型CISC處理器結(jié)構(gòu) 一些典型的一些典型的CISC結(jié)構(gòu)處理器結(jié)構(gòu)處理器l指令使用率不均衡。在CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，各種指令的使用頻率相差懸殊。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有20的指令使用頻率最大，占運(yùn)行時(shí)間的80。也就是說，有80的指令只在20的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)才會用到，即所謂的“二八規(guī)律”。l結(jié)構(gòu)復(fù)雜不利于VLSI實(shí)現(xiàn)。CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不僅增加了研制時(shí)間和成本，而且還容易造成設(shè)計(jì)錯誤。另外，CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜

15、性還給VLSI設(shè)計(jì)帶來了很大負(fù)擔(dān)，大量的復(fù)雜指令必然增加譯碼的難度，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜的操作，不利于提高運(yùn)行速度，且容易導(dǎo)致芯片工作不穩(wěn)定。l不利于采用先進(jìn)結(jié)構(gòu)提高性能。在CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，由于各條指令的功能不均衡，不利于采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水技術(shù)）來提高系統(tǒng)的性能，阻礙了計(jì)算機(jī)整體能力的進(jìn)一步提高。 二八定律，也叫巴萊多定律，是世紀(jì)末世紀(jì)初意大利經(jīng)濟(jì)學(xué)家巴萊多發(fā)明的。他認(rèn)為，在任何一組東西中，最重要的只占其中一小部分，約，其余的盡管是多數(shù)，卻是次要的，因此又稱二八法則。人類的社會實(shí)踐活動證明，二八法則具有廣泛的適用性，不僅適用于經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)、心理學(xué)等社會科學(xué)，在計(jì)

16、算機(jī)領(lǐng)域也普通適用。1. RISC設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)思想l精簡指令系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^對過去大量的機(jī)器語言程序進(jìn)行指令使用頻度的統(tǒng)計(jì)，來選取其中常用的基本指令 ；l減少指令系統(tǒng)可采用的尋址方式種類，一般限制在2或3種 ；l在指令的功能、格式和編碼設(shè)計(jì)上盡可能地簡化和規(guī)整，讓所有指令盡可能等長 ； l單機(jī)器周期指令，即大多數(shù)的指令都可以在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成，并且允許處理器在同一時(shí)間內(nèi)執(zhí)行一系列的指令 。 系統(tǒng)優(yōu)化某部件所獲得的系統(tǒng)性能的改善程度，取決于該部件被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時(shí)間的比例。 系統(tǒng)優(yōu)化某部件所獲得的系統(tǒng)性能的改善程度，取決于該部件被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時(shí)間的比例。處理器執(zhí)行時(shí)間處理器

17、執(zhí)行時(shí)間 = ICCPICC典型RISC處理器結(jié)構(gòu) 一些典型的一些典型的RISC結(jié)構(gòu)處理器結(jié)構(gòu)處理器2. RISC2. RISC結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征l精簡指令系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^對過去大量的機(jī)器語言程序進(jìn)行指令使用頻度的統(tǒng)計(jì)，來選取其中常用的基本指令，并根據(jù)對操作系統(tǒng)、高級語言和應(yīng)用環(huán)境等的支持增設(shè)一些最常用的指令。l減少指令系統(tǒng)可采用的尋址方式種類，一般限制在2或3種。l在指令的功能、格式和編碼設(shè)計(jì)上盡可能地簡化和規(guī)整，讓所有指令盡可能等長。l單機(jī)器周期指令，即大多數(shù)的指令都可以在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成，并且允許處理器在同一時(shí)間內(nèi)執(zhí)行一系列的指令。 1.并行處理并行處理的的概念概念 在同一時(shí)刻或是在同一時(shí)

18、間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不同的工作，它們在時(shí)間上能互相重疊，就稱為并行處理并行處理。 并行處理并行處理有兩個(gè)不同特征： 同時(shí)性同時(shí)性（Simultaneity）：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生。 并發(fā)并發(fā)性性（Concurrency）：兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。并行計(jì)算機(jī)并行計(jì)算機(jī) 并行計(jì)算機(jī)并行計(jì)算機(jī)是由一組處理單元組成的。這組處理單元通過相互之間的通信與協(xié)作，以更快的速度共同完成一項(xiàng)大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)。 并行計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最主要的組成部分是計(jì)算節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間的通信與協(xié)作機(jī)制。并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展主要體現(xiàn)在計(jì)算節(jié)點(diǎn)性能的提高及節(jié)點(diǎn)間通信技術(shù)的改進(jìn)兩方面。2.并行處理并行處理

19、系統(tǒng)系統(tǒng)并行處理計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)通常包括以下三種形式：l流水線計(jì)算機(jī)：主要通過時(shí)間重疊，讓多個(gè)部件在時(shí)間上交錯重疊地并行執(zhí)行運(yùn)算和處理，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的并行。l陣列處理機(jī)：主要通過資源重復(fù)，設(shè)置大量算術(shù)邏輯單元，在同一控制部件作用下同時(shí)運(yùn)算和處理，以實(shí)現(xiàn)空間上的并行。l多處理器系統(tǒng)：主要通過資源共享，讓共享輸入/輸出子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫資源及共享或不共享存儲的一組處理機(jī)在統(tǒng)一的操作系統(tǒng)全盤控制下，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件各級上相互作用，達(dá)到時(shí)間和空間上的異步并行。2.并行處理并行處理系統(tǒng)系統(tǒng) 按照著名的弗林(Flynn) 計(jì)算機(jī)分類模型，根據(jù)計(jì)算機(jī)的指令和數(shù)據(jù)流的并行性，把所有的計(jì)算機(jī)分為四類：（1）SISD (Si

20、ngle Instruction Stream Single Data Stream)單指令流單數(shù)據(jù)流（2）SIMD (Single Instruction Stream Multiple Data Stream)單指令流多數(shù)據(jù)流（3）MISD (Multiple Instruction Stream Single Data Stream)多指令流單數(shù)據(jù)流（4）MIMD (Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream)多指令流多數(shù)據(jù)流2.并行處理并行處理系統(tǒng)系統(tǒng)（1）SISD(Single Instruction Stream Single

21、Data Stream)單指令流單數(shù)據(jù)流單指令流單數(shù)據(jù)流 計(jì)算機(jī)的指令部件每次只對一條指令進(jìn)行譯碼和處理，并只對一個(gè)操作部分分配數(shù)據(jù)，是按照排序的方式進(jìn)行順序處理，也就是說通常由一個(gè)處理器和一個(gè)存貯器組成，它通過執(zhí)行單一的指令流對單一的數(shù)據(jù)流進(jìn)行操作，指令按順序讀取，數(shù)據(jù)在每一時(shí)刻也只能讀取一個(gè)，傳統(tǒng)的馮諾依曼機(jī)均屬此類。弱點(diǎn)是單片處理器處理能力有限，同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)也沒有發(fā)揮數(shù)據(jù)處理中的并行性潛力，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)或高速系統(tǒng)中，很少采用SISD結(jié)構(gòu)。 典型的馮典型的馮諾依曼計(jì)算機(jī)大多采用諾依曼計(jì)算機(jī)大多采用SISD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2.并行處理并行處理系統(tǒng)系統(tǒng)（2）SIMD (Single Instructi

22、on Stream Multiple Data Stream)單指令流多數(shù)據(jù)流單指令流多數(shù)據(jù)流 屬于并行運(yùn)算計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)有多個(gè)處理單元，由單一的指令部件控制，按照同一指令流的要求為他們分配各不相同的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為由一個(gè)控制器、多個(gè)處理器、多個(gè)存貯模塊和一個(gè)互連總線（網(wǎng)絡(luò)）組成。所有”活動的”處理器在同一時(shí)刻執(zhí)行同一條指令，但每個(gè)處理器執(zhí)行這條指令時(shí)所用的數(shù)據(jù)是從它本身的存儲模塊中讀取的。對操作種類多的算法，當(dāng)要求存取全局?jǐn)?shù)據(jù)或?qū)τ诓煌臄?shù)據(jù)要求做不同的處理時(shí)，它是無法獨(dú)立勝任的。早期的多處理器計(jì)算機(jī)多屬于早期的多處理器計(jì)算機(jī)多屬于SIMD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2.并行處理并行處理系統(tǒng)系統(tǒng)（3）

23、MISD (Multiple Instruction Stream Single Data Stream)多指令流單數(shù)據(jù)流 流水線處理計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)具有多個(gè)處理單元，按照多條不同的指令要求同時(shí)對同一數(shù)據(jù)流及其處理輸出的結(jié)果進(jìn)行不同的處理，是把一個(gè)單元的輸出作為另一個(gè)單元的輸入。MISD結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)只出現(xiàn)于早期自動控制系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)只出現(xiàn)于早期自動控制系統(tǒng)中，目前已很少應(yīng)用。目前已很少應(yīng)用。2.并行處理并行處理系統(tǒng)系統(tǒng)（4）MIMD (Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream)多指令流多數(shù)據(jù)流 多處理機(jī)系統(tǒng)：是指能實(shí)現(xiàn)指令、數(shù)據(jù)作業(yè)、任務(wù)

24、等各級全面并行計(jì)算的多機(jī)處理系，統(tǒng)，典型的MIMD系統(tǒng)由多臺處理機(jī)、多個(gè)存儲模塊和一個(gè)互連網(wǎng)絡(luò)組成，每臺處理機(jī)執(zhí)行自己的指令，操作數(shù)也是各取各的。MIMD結(jié)構(gòu)中每個(gè)處理器都可以單獨(dú)編程，因而這種結(jié)構(gòu)的可編程能力是最強(qiáng)的。但由于要用大量的硬件資源解決可編程問題，硬件利用率不高。 目前，目前，MIMD開始作為一種通用多處理器體系結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開始作為一種通用多處理器體系結(jié)構(gòu)出現(xiàn) 。2.并行處理并行處理系統(tǒng)系統(tǒng) 多核多核CPU 科技使得越來越多的電路可以放置在一個(gè)硅片上，以致計(jì)算機(jī)部件之間的物理差別逐漸變小，單獨(dú)的一個(gè)芯片就可以包括一個(gè)CPU和主存儲器，使得在單獨(dú)的設(shè)備中提供一個(gè)完整的系統(tǒng)，并在更高的設(shè)計(jì)

25、層面被用作一個(gè)抽象工具。在今天的技術(shù)程度下，單獨(dú)的芯片可以存放不止一個(gè)完整的CPU。這就是稱為多核CPU設(shè)備的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)：在同一芯片上存在2個(gè)（或4個(gè)、8個(gè)等）CPU以及共用的高速緩沖存儲器。這種設(shè)備簡化了MIMD系統(tǒng)的構(gòu)建，并已迅速應(yīng)用于家用計(jì)算機(jī)。3. 流水線技術(shù)流水線技術(shù) 流水線流水線（pipeline）技術(shù)技術(shù)允許計(jì)算機(jī)在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)的各步驟操作重疊進(jìn)行。特別是，當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，可以讀取下一條指令，也就意味著，在任何一個(gè)時(shí)刻可以有不止一條指令在“流水線”上，每條指令處在不同的執(zhí)行階段。這樣，即便讀取和執(zhí)行每條指令的時(shí)間保持不變，計(jì)算機(jī)的總的吞吐量卻提高了。3. 流水線技術(shù)流水線技

26、術(shù)流水線技術(shù)原理：實(shí)現(xiàn)流水操作的基本思想是：流水線技術(shù)將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過程分解成若干個(gè)子過程，每一個(gè)子過程都可有效地在其專用功能段上與其它子過程同時(shí)執(zhí)行。流水線工作過程描述：流水線工作過程的描述：采用時(shí)(間)-空(間)圖的方法。描述的是指令執(zhí)行流水線的時(shí)-空圖。流水線技術(shù)原理流水線技術(shù)原理t8t7t6t5t4t3t2t1執(zhí)行指操作數(shù)指令譯碼取指令空間時(shí)間123455432112345543213. 流水線技術(shù)流水線技術(shù)流水技術(shù)的特點(diǎn)：l流水線可分成若干個(gè)互有聯(lián)系的子過程（功能段）。l實(shí)現(xiàn)子過程的功能段所需時(shí)間盡可能相等，避免因不等而產(chǎn)生處理的瓶頸，形成流水線的斷流。l形成流水處理，需要一段準(zhǔn)備

27、時(shí)間，稱“通過時(shí)間”。只有在此之后流水過程才穩(wěn)定。 l指令流發(fā)生不能順序執(zhí)行時(shí)，會使流水過程中斷，再形成流水過程需要“通過時(shí)間”，所以流水過程不應(yīng)常斷流，否則效率就不會很高。第五節(jié)第五節(jié) 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)（軟件系統(tǒng)（Soft SystemSoft System） 軟件軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，它是計(jì)算機(jī)程序以及與程序有關(guān)的各種文檔的總稱。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括硬件硬件和軟件軟件兩個(gè)組成部分。硬件是所有軟件運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件能充分發(fā)揮硬件的功能作用并且可以擴(kuò)充硬件功能，完成各種系統(tǒng)及應(yīng)用任務(wù)，兩者互相促進(jìn)、相輔相成、缺一不可。 軟件軟件由能夠完成預(yù)定功能和性能的一

28、組計(jì)算機(jī)指令（計(jì)算機(jī)程序）、程序正確運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)、描述程序的設(shè)計(jì)與使用等方面的文檔三部分組成。 簡單地說一個(gè)完整的軟件包括程序、數(shù)據(jù)和文檔三個(gè)組成部分。在本質(zhì)上，軟件是控制計(jì)算機(jī)硬件運(yùn)行，解決實(shí)際問題的邏輯方法；以各種形式記錄在介質(zhì)上的程序、數(shù)據(jù)和文檔都是軟件的表現(xiàn)形式，就像用樂譜來記錄音樂一樣。 軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中與硬件相互依存的另一部分，與硬件合為一體完成系統(tǒng)功能。 圖圖2-9 2-9 軟件系統(tǒng)組成軟件系統(tǒng)組成圖 2 10 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)示意圖應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)裸機(jī) 圖2 10所示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)中，每層具有一組功能并提供相應(yīng)的接口，接口掩蓋層內(nèi)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，對層外

29、提供了功能更強(qiáng)、使用更方便面的機(jī)器，稱之為虛擬虛擬機(jī)機(jī)(Virtual machine) 。虛擬計(jì)算機(jī)是人們經(jīng)過多年研究認(rèn)識到找到的一種方法，它把硬件的復(fù)雜性與用戶隔離開來。在計(jì)算機(jī)裸機(jī)上加上一層又一層的軟件來組成整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)，為用戶提供一個(gè)容易理解和便于程序設(shè)計(jì)的接口。每當(dāng)在計(jì)算機(jī)上覆蓋了一層軟件，就提供了一種抽象，系統(tǒng)的功能便增加一點(diǎn)，使用就更加方便一點(diǎn)，用戶可用的運(yùn)行環(huán)境就更加好一點(diǎn)。對用戶來說使用的是一臺與裸機(jī)更友好友好的虛擬計(jì)算機(jī)。操作系統(tǒng) DOS、Windows系列；UNIX；Mac OS語言處理程序各種語言（C、C+、Java等）的編譯、解釋程序 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)FoxBA

30、SE、FoxPro、SQL Server 、ORACLE服務(wù)軟件 編輯程序、連接裝配程序、打印管理程序、測試程序、診斷程序等其他 網(wǎng)絡(luò)管理軟件等1. 1. 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件文檔處理軟件 WORD、EXCEL、PowerPoint、Author ware等圖形處理軟件AutoCAD、3DS、PaintBrush、PhotoShop等；管理信息系統(tǒng)MIS、MFS等學(xué)科領(lǐng)域?qū)Ｓ密浖?CIMS（CAD/CAM）、Matlab、Protel、GIS等其他 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件、娛樂軟件等2. 2. 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件1. 1. 商業(yè)軟件商業(yè)軟件 商業(yè)軟件（commercial software）是在計(jì)算機(jī)軟件中，

31、指被作為商品進(jìn)行交易的軟件。請注意這些軟件不僅用于商業(yè)，只是其以商品形式通過市場進(jìn)行交流，使用軟件的用戶需要向開發(fā)軟件的作者支付費(fèi)用。現(xiàn)在大多數(shù)的軟件都屬于商業(yè)軟件。相對于商業(yè)軟件，有非商業(yè)的、可供分享使用的自由軟件（Free Software）、分享軟件（Shareware）、免費(fèi)軟件（Freeware）等。 軟件作為商品，在經(jīng)濟(jì)社會中不僅對社會發(fā)展起了積極作用，在相當(dāng)?shù)臅r(shí)期內(nèi)，對軟件產(chǎn)業(yè)自身的發(fā)展也起了非常積極的作用。能開發(fā)出優(yōu)秀的軟件，就能獲得高額的經(jīng)濟(jì)效益國，吸引了很多優(yōu)秀人才投身軟件產(chǎn)業(yè)。2. 2. 開源軟件開源軟件 開源軟件（Open source software，縮寫：OSS，

32、亦稱為開放源代碼軟件）是一種源代碼可以任意獲取的計(jì)算機(jī)軟件，這種軟件的版權(quán)持有人在軟件協(xié)議的規(guī)定之下保留一部分權(quán)利并允許用戶學(xué)習(xí)、修改、增進(jìn)提高這款軟件的質(zhì)量。開源協(xié)議通常符合開放源代碼的定義的要求。一些開源軟件被發(fā)布到公有領(lǐng)域。開源軟件常被公開和合作地開發(fā)。 開源軟件同時(shí)也是一種軟件散布模式。一般的軟件僅可取得已經(jīng)過編譯的二進(jìn)制可執(zhí)行檔，通常只有軟件的作者或著作權(quán)所有者等擁有軟件的源代碼。2. 2. 開源軟件開源軟件 公開源代碼的軟件并不一定都能稱之為開放源代碼軟件。有些軟件的作者只將源代碼公開，同時(shí)作者可能設(shè)定公開源代碼的條件限制，諸如限制可閱讀源代碼的對象、限制衍生產(chǎn)品等，這樣就不符合“

33、開放源代碼”的定義及條件，這類軟件只能稱之為“公開”源代碼軟件。2. 2. 開源軟件開源軟件OSI（Open Source Initiative）定義開源軟件：l自由再散布（Free Distribution）：允許獲得源代碼的人可自由再將此源代碼散布。 l源代碼（Source Code）：程式的可執(zhí)行檔在散布時(shí)，必需以隨附完整源代碼或是可讓人方便的事后取得源代碼。 l衍生著作（Derived Works）：讓人可依此源代碼修改后，在依照同一授權(quán)條款的情形下再散布。 l原創(chuàng)作者程式源代碼的完整性（Integrity of The Authors Source Code）：意即修改后的版本，需以

34、不同的版本號碼以與原始的程式碼做分別，保障原始的程式碼完整性。 l不得對任何人或團(tuán)體有差別待遇（No Discrimination Against Persons or Groups）：開放源代碼軟件不得因性別、團(tuán)體、國家、族群等設(shè)定限制，但若是因?yàn)榉梢?guī)定的情形則為例外（如：美國政府限制高加密軟件的出口）。 l對程式在任何領(lǐng)域內(nèi)的利用不得有差別待遇（No Discrimination Against Fields of Endeavor）：意即不得限制商業(yè)使用。 l散布授權(quán)條款（Distribution of License）：若軟件再散布，必需以同一條款散布之。 l授權(quán)條款不得專屬于特定產(chǎn)

35、品（License Must Not Be Specific to a Product）：若多個(gè)程式組合成一套軟件，則當(dāng)某一開放源代碼的程式單獨(dú)散布時(shí)，也必需要符合開放源代碼的條件。 l授權(quán)條款不得限制其他軟件（License Must Not Restrict Other Software）：當(dāng)某一開放源代碼軟件與其他非開放源代碼軟件一起散布時(shí)（例如放在同一光碟片），不得限制其他軟件的授權(quán)條件也要遵照開放源代碼的授權(quán)。 l授權(quán)條款必須技術(shù)中立（License Must Be Technology-Neutral）：意即授權(quán)條款不得限制為電子格式才有效，若是紙本的授權(quán)條款也應(yīng)視為有效。3. 3

36、. 其他形態(tài)其他形態(tài)（1）自由軟件（Free Software） 遵循GPL規(guī)則，保證您有使用上的自由、獲得源程序的自由，可以自己修改的自由，可以復(fù)制和推廣的自由，也可以收費(fèi)的一類軟件。（2）免費(fèi)軟件（Freeware） 免費(fèi)軟件泛指一切不需金錢購買就可以獲得和使用的軟件。（3）綠色軟件（Green Software） 無需安裝便可使用，可存放于可移除式儲存媒體（如移動硬盤、優(yōu)盤等）中，所在儲存媒體移除后也不會將任何紀(jì)錄（登錄檔訊息等）留在本機(jī)電腦上。（4）共享軟件（shareware） 可以免費(fèi)地獲取和安裝，并使用一段時(shí)間。但使用期限到后，用戶應(yīng)當(dāng)停止使用并卸載，如果想繼續(xù)使用則需支付相應(yīng)的費(fèi)用。本本 章章 小小 結(jié)結(jié) 虛擬機(jī)的概念有助于我們正確理解計(jì)算機(jī)的實(shí)質(zhì)和計(jì)算機(jī)運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)途徑，從而更好地進(jìn)行計(jì)算機(jī)語言的研究和應(yīng)用。虛擬機(jī)包括了從基礎(chǔ)的硬件層到應(yīng)用層的不同層次結(jié)構(gòu)的虛擬機(jī)。 計(jì)算機(jī)能直接執(zhí)行用機(jī)器語言所編的程序。機(jī)器語言是由二進(jìn)制代碼表示的計(jì)算機(jī)機(jī)器指令和數(shù)據(jù)組合而成。指令是用來指定計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)某種控制或執(zhí)行某個(gè)運(yùn)算的操作命令代碼。一臺計(jì)算機(jī)全部指令的集合，稱為指令系統(tǒng)