計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1

1、第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義和分類(lèi) 1.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義 1.1.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外特性 1.1.1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)特性 1.1.1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微外特性1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則 1.1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi) 1.1.2.1 按“流”分類(lèi) 1.1.2.2 按“并行級(jí)”和“流水線(xiàn)”分類(lèi) 1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 1.3.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變 1.3.2 軟件、應(yīng)用和器件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響 1.3.2.1 軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響 1.3.2.2 應(yīng)用需求對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響 1.3.2.3 器件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影

2、響1 本章從外特性和內(nèi)特性?xún)煞矫娼榻B計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義。 敘述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要分類(lèi)方法。 討論計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的三個(gè)定量原理。 最后概述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，并說(shuō)明軟件、應(yīng)用和器件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展中所起的作用。 1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義和分類(lèi) 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能得到了大幅度地提高，價(jià)格卻大幅度地下降。歸結(jié)于兩個(gè)方面的原因： 制造計(jì)算機(jī)的器件不斷發(fā)展2 主要得益于計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。 大型機(jī)的性能 巨型機(jī)的性能增長(zhǎng) 小型機(jī)的發(fā)展 由于計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法有了較大的改進(jìn)， 采用了許多大型機(jī)中行之有效的先進(jìn)技術(shù)。 一個(gè)變化是匯編語(yǔ)言編程的重要性逐步降低，這就放寬了對(duì)目標(biāo)代碼兼

3、容性的苛刻要求。 另一個(gè)變化是與制造商無(wú)關(guān)的、類(lèi)似UNIX OS那樣標(biāo)準(zhǔn)化的建立，使得新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出臺(tái)的成本和風(fēng)險(xiǎn)都大為降低。這種情況導(dǎo)致了許多公司追求新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展方向，從而很快地涌現(xiàn)出一些新的計(jì)算機(jī)類(lèi)型3 1985年開(kāi)始，一種具有新穎設(shè)計(jì)風(fēng)格的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用RISC技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為計(jì)算機(jī)工業(yè)界青睞。 應(yīng)當(dāng)指出的是，這種改進(jìn)的基礎(chǔ)是通過(guò)以往計(jì)算機(jī)如何被使用的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析獲得的。4 1.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義1.1.1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外特性 Architecture建筑學(xué)可以認(rèn)為是一個(gè)系統(tǒng)的外貌。計(jì)算機(jī)作為一個(gè)有硬件、軟件和固件的系統(tǒng)，也有其外觀(guān)外特性。 1964年IBM

4、360系列機(jī)的主設(shè)計(jì)師Amdahl提出了有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是程序員所看到的計(jì)算機(jī)的基本屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能性結(jié)構(gòu)。這實(shí)際上是指計(jì)算機(jī)的外特性。5 那么通常所說(shuō)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外特性應(yīng)是哪一級(jí)程序員看到的外特性呢？ 比較一致的看法是機(jī)器語(yǔ)言程序員或編譯編寫(xiě)者所看到的外特性，也就是指?jìng)鹘y(tǒng)機(jī)器級(jí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)以上的功能被視為屬于軟件功能，而之下則屬于硬件和固件功能。因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念性結(jié)構(gòu)和功能屬性實(shí)際上已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟硬件之間的界面。 幾個(gè)重要概念： 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按功能可劃分為多層次結(jié)構(gòu)，如圖1.1所示。6軟硬件交界面應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件硬件固件

5、7 雖然軟、硬件兩者的實(shí)質(zhì)是不同的，但它們的功能在邏輯上是等價(jià)的。絕大部分硬件功能都可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，反之亦然。但兩者在實(shí)現(xiàn)時(shí)將在性能價(jià)格比上以及實(shí)現(xiàn)的難易程度上不等價(jià)。 具有相同功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它們的軟硬件間的功能分配，可能在很寬的范圍內(nèi)變化，因此軟硬件的界面是含糊不清的，沒(méi)有明確的固定界線(xiàn)，可隨各種因素的影響在一定的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)地變化。主要因素有：性能和成本、對(duì)存儲(chǔ)器容量的需求量、可擴(kuò)展和可更改性。 透明性概念。一種本來(lái)存在的差異的事物或?qū)傩裕瑥哪撤N角度來(lái)看似乎不再存在，稱(chēng)為透明現(xiàn)象。 傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)以上的所有機(jī)器都稱(chēng)為 虛擬機(jī) (Virtual machine)。8 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外特性(

6、系統(tǒng)結(jié)構(gòu))，比較一致的看法應(yīng)包括： 指令系統(tǒng) 數(shù)據(jù)的表示 操作數(shù)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 包括主存、編址方式、最大可編址空 間。 I/O機(jī)構(gòu) 包括I/O設(shè)備的連接方式，處理機(jī)、存儲(chǔ)器與 I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳遞方式和格式、傳遞的數(shù)據(jù)量及 傳遞操作結(jié)束的表示及出錯(cuò)指示。 機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換 例如是系統(tǒng)態(tài)還是用戶(hù)態(tài)。 信息保護(hù) 包括保護(hù)方式及有關(guān)硬件支持等。91.1.1.2 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)的外特性是由硬件和固件加以實(shí)現(xiàn)的，它們本身也是由電路、邏輯門(mén)或寄存器傳遞級(jí)所組成。這些組成的描述通常過(guò)于詳細(xì)，對(duì)它們的抽象便成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)特性(

7、也稱(chēng)為計(jì)算機(jī)組成)，它實(shí)際上是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯實(shí)現(xiàn)。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(外特性)是從有關(guān)軟件人員角度所看到的系統(tǒng)基本屬性。 那么計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者(即計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)者)所看到的計(jì)算機(jī)屬性實(shí)際上就是內(nèi)特性，即是將有關(guān)軟件人員所看到的基本屬性加以邏輯實(shí)現(xiàn)的基本屬性(計(jì)算機(jī)組成) 。 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。主要包括處理機(jī)、主存等部件物理結(jié)構(gòu)；器件的集成度和速度的確定；器件、模塊、插件、底板的劃分與連接；微組裝及整機(jī)裝配技術(shù)；專(zhuān)用器件的設(shè)計(jì)以及信號(hào)傳輸、電源、冷卻方法等。它主要著眼于器件技術(shù)和微組裝技術(shù)。101.1.1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微外特性 它是由微程序編寫(xiě)者所看到的計(jì)算機(jī)外部特

8、性邏輯結(jié)構(gòu)和功能能力，把它作為一個(gè)抽象級(jí)，可以定義硬件和固件(微代碼)之間的界面。 例如： 指令系統(tǒng)屬于外特性； 指令的解釋實(shí)現(xiàn)，如取指、取數(shù)、運(yùn)算、存結(jié)果等操作及其排序則屬于內(nèi)特性； 指令可以按順序方式執(zhí)行，也可以按重疊或流水方式執(zhí)行，而完成這些功能的具體電路器件的設(shè)計(jì)及裝配技術(shù)等則是計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)。 又如： 主存、主存容量與編址方式的確定屬外特性； 主存的帶寬應(yīng)是多少才能達(dá)到速度要求，象采用多模塊交叉存儲(chǔ)等到則屬于內(nèi)特性；11 選用什么樣的存儲(chǔ)器芯片來(lái)構(gòu)成和組裝成存儲(chǔ)器則是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。 應(yīng)當(dāng)注意：由于外特性是對(duì)內(nèi)特性的進(jìn)一步的抽象，它們之間的映象是1:M，即某一外特性可用不同的內(nèi)特性方式。內(nèi)

9、特性與具體物理實(shí)現(xiàn)之間之間的映象也是1:M。因此，計(jì)算機(jī)組成與具體實(shí)現(xiàn)可由設(shè)計(jì)者根據(jù)所需的性能價(jià)格比及實(shí)現(xiàn)的難易程度在較大的范圍內(nèi)加以選擇。121.1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)1.1.2.1 按“流”分類(lèi) Flynn教授在1966年提出的按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性概念進(jìn)行分類(lèi)的方法。 指令流是指機(jī)器執(zhí)行的指令序列； 數(shù)據(jù)流是指令流所調(diào)用的數(shù)據(jù)序列； 多倍性是指在機(jī)器中最受限制的(即瓶頸最嚴(yán)重的)部件上的處在同一執(zhí)行階段的可并行執(zhí)行的最多指令或數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。 按指令流和數(shù)據(jù)流兩者組合可將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)劃分成四類(lèi)： 單指令流單數(shù)據(jù)流(SISD)； 單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)； 多指令流單數(shù)據(jù)流(MISD)；

10、 多指令流多數(shù)據(jù)流(MIMD)。13 傳統(tǒng)的單處理計(jì)算機(jī)是SISD計(jì)算機(jī)。 并行處理機(jī)是SIMD計(jì)算機(jī)的典型代表。 與MISD系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)實(shí)際上并不存在。 MIMD系統(tǒng)包括了大多數(shù)多處理機(jī)及多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 Flynn分類(lèi)的一個(gè)缺點(diǎn)是，對(duì)于廣泛流行的標(biāo)量及向量流水計(jì)算機(jī)(包括巨型機(jī))應(yīng)屬于哪一類(lèi)型系統(tǒng)，不很明確。圖1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的Flynn分類(lèi)MIMDMISD多SIMDSISD單多單數(shù)據(jù)流指令流14151.1.2.2 按“并行級(jí)”和“流水線(xiàn)”分類(lèi) 1977年， 德國(guó)Erlangen大學(xué) Hndeler教授提出了一個(gè)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的三個(gè)子系統(tǒng)級(jí)別上按并行程度及流水線(xiàn)處理程度進(jìn)行分類(lèi)的方法，

11、這三個(gè)層次為：處理控制器(PCU)、(ALU)、位級(jí)電路(BLC)。 這樣一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可用三對(duì)整數(shù)來(lái)加以描述：T(C)= 其中： K： 計(jì)算機(jī)中的處理控制器數(shù)（PCU） K：可組成流水的處理控制器數(shù) D： 每一個(gè)PCU所控制的ALU或PE數(shù) D：可組成流水線(xiàn)的ALU數(shù) W： ALU或PE的字長(zhǎng) W：在所有ALU或一個(gè)PE中的流水段數(shù) 如果任意一對(duì)參數(shù)的第二個(gè)元素為1，則將其省略。 16并行計(jì)算機(jī)顯式并行流水多處理機(jī)(K1)陣列計(jì)算機(jī)(D1)字片機(jī)(W1)宏流水(K1)指令流水(D1)算術(shù)流水(D1)圖1.5 Erlangen 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分類(lèi)方法 例： CDC6600計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有一個(gè)CPU，它

12、的ALU有10個(gè)功能部件，所有的功能部件可連成一條流水線(xiàn)，字長(zhǎng)60位。此外有10個(gè)可并行工作的外圍I/O處理器，每I/O處理器字長(zhǎng)12位，只有一個(gè)ALU。則CDC6600計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可描述為 T(CDC6600)=T T = 17 CRAY-1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有一個(gè)單CPU，它有12個(gè)流水化功能部件，它們的流水段數(shù)為114段，最多可將8個(gè)部件連接起來(lái)形成一個(gè)流水線(xiàn)，它的字長(zhǎng)為64位。系統(tǒng)可描述為T(mén)(CRAY-1)=T1.1.2.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)風(fēng)格 人造物常用風(fēng)格加以描述， 風(fēng)格(Style)是一組特征、特性或?qū)傩?，它可以將功能上等效的人工制造物區(qū)分開(kāi)來(lái)。18 1.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則1.2.

13、1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理 只加速使用頻率高的部件(Make the common case fast) 阿姆達(dá)爾（Amdahl）定律 阿姆達(dá)爾定律是1967年由IBM360系列機(jī)的主要設(shè)計(jì)者阿姆達(dá)爾首先提出來(lái)的。 阿姆達(dá)爾定律是指： 系統(tǒng)中對(duì)某一部件采用某種更快執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進(jìn)程度，取決于這種執(zhí)行方式被使用的頻率，或占總執(zhí)行時(shí)間的比例。 阿姆達(dá)爾定律實(shí)際定義了采取增強(qiáng)(加速)某部分功能措施后可獲得的性能改進(jìn)或執(zhí)行時(shí)間的加速比。19設(shè)： TO：不采用任何增強(qiáng)功能措施完成某一任務(wù)所需時(shí)間； Te：采用某種增強(qiáng)功能措施后完成同一任務(wù)所需時(shí)間； fe：可采取增強(qiáng)功能措施的部分所占百分比

14、 0 fe 1； re：采用增強(qiáng)功能措施是不采用增強(qiáng)功能措施執(zhí)行的倍數(shù)。 則性能或時(shí)間加速比Sp可用下式表示： 公式分母中(1-fe)表示不可增強(qiáng)性能部分；顯然，fe為 0，即沒(méi)有可增強(qiáng)性能部分時(shí)，Sp為1。當(dāng)re，分母中 項(xiàng)變?yōu)?，此時(shí)20因此，說(shuō)明可獲取性能改善的極限值受fe的約束。 例：將系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理使用時(shí)間僅為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%，采用此增強(qiáng)功能方法后，整個(gè)系統(tǒng)功能提高多少？ 解：由題可知：fe=0.4 ，re=10 若以Sp為縱坐標(biāo)，fe為橫坐標(biāo)則對(duì)不同的 re，可作出Sp = f(fe)的函數(shù)曲線(xiàn)圖。21 0 0.1 0.2 0.3 0.4

15、 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 11110 9 8 7 6 5 4 3 2 1SP fe22 程序訪(fǎng)問(wèn)的局部性規(guī)律 程序訪(fǎng)問(wèn)局部性規(guī)律是指程序執(zhí)行中，呈現(xiàn)出頻繁重新使用那些最近已被使用過(guò)的數(shù)據(jù)和指令的規(guī)律。 程序訪(fǎng)問(wèn)局部性主要反映在時(shí)間和空間局部性?xún)蓚€(gè)方面： 時(shí)間局部性是指程序中近期被訪(fǎng)問(wèn)的信息很可能馬上被再次訪(fǎng)問(wèn)。 空間局部性是指那些在訪(fǎng)問(wèn)地址上相鄰的信息項(xiàng)很可能會(huì)被一起訪(fǎng)問(wèn)。 程序中一小部分約(10%-20%)存放在高速的存儲(chǔ)器中。1.2.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要任務(wù)是 滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)功能上的要求以及相應(yīng)的對(duì)價(jià)格和性能要求 功能上要求包括：23 應(yīng)用領(lǐng)域 軟

16、件兼容級(jí)別：程序語(yǔ)言級(jí)還是目標(biāo)代碼(二進(jìn)制)級(jí)兼容 OS要求：地址空間大小、存儲(chǔ)管理、保護(hù)及環(huán)境轉(zhuǎn)換；中斷和自陷以及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，如浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)，I/O總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、OS標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)及程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)等。 在滿(mǎn)足功能要求基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)化 優(yōu)化主要是以性能價(jià)格比為衡量指標(biāo)，仔細(xì)考慮某一所需的功能應(yīng)該用軟件還是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在選擇硬件或軟件方法時(shí)還應(yīng)考慮設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和具體實(shí)現(xiàn)的難易程度。 設(shè)計(jì)應(yīng)能適應(yīng)今后發(fā)展的趨勢(shì) 硬件技術(shù)進(jìn)展表現(xiàn)在IC(集成電路)邏輯技術(shù)、DRAM技術(shù)和Disk(硬盤(pán))技術(shù)。 統(tǒng)計(jì)資料表明： 一個(gè)芯片上晶體管數(shù)大約每年增加25%，因此每三年可增加一倍；器件開(kāi)關(guān)速度基本類(lèi)似。24

17、DRAM的密度每年增長(zhǎng)約60%，因此每三年將增長(zhǎng)三倍；訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器的周期改進(jìn)相應(yīng)較慢，每十年約減少1/3。 硬盤(pán)密度每年增加25%，每三年增加一倍，訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間每十年約減少1/3。 軟件技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)： 程序所要求的存儲(chǔ)器空間增長(zhǎng)，大約每年增長(zhǎng)1.52倍；因此相應(yīng)地要求地址每年增長(zhǎng)0.5位到1位，這對(duì)設(shè)計(jì)非常重要，即必須留有足夠的地址空間以待擴(kuò)展。 匯編語(yǔ)言將逐步被高級(jí)語(yǔ)言所替代，編譯技術(shù)將起更大的作用，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)能更好地支持編譯的要求。編譯程序?qū)⒅鸩匠蔀橛脩?hù)和計(jì)算機(jī)間的主要界面。 一個(gè)較好的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)該充分考慮 CPU速度、主存容量以及I/O吞吐率三者之間的恰當(dāng)平衡。有的學(xué)者提出對(duì)應(yīng)于1

18、MIPS CPU應(yīng)配以1MB主存和1MB/s的I/O吞吐率。25 馮諾依曼計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是： 存儲(chǔ)程序方式，指令和數(shù)據(jù)都以字(二進(jìn)制形式)存放在同一存儲(chǔ)器中，沒(méi)有區(qū)別，由此機(jī)器狀態(tài)(如取指或取操作數(shù)周期)來(lái)確定從存儲(chǔ)器讀出的是指令還是數(shù)據(jù)。 指令串行執(zhí)行，并由控制器加以集中控制。 1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展1.3.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變26 單元定長(zhǎng)的一維線(xiàn)性空間的存儲(chǔ)器。 使用低級(jí)機(jī)器語(yǔ)言，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式表示。 單處理機(jī)結(jié)構(gòu)，以運(yùn)算器作為中心。 馮諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但這種結(jié)構(gòu)存在以下缺點(diǎn)： 存在兩個(gè)主要瓶頸： 物理瓶頸 CPUMM有效地址形成問(wèn)題 智能瓶頸 即每

19、次只能順序地執(zhí)行一條指令 低級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言和高級(jí)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言之間存在著巨大的語(yǔ)義差距，此差距往往要靠大量復(fù)雜的軟件程序來(lái)填補(bǔ)。 復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象無(wú)法直接存放到一維線(xiàn)性地址空間存儲(chǔ)器中，必須經(jīng)過(guò)地址映象。 近半世紀(jì)以來(lái)，對(duì)馮諾依曼型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)已作了許多改進(jìn)。歸納為兩種方法： 改良方法， 即基本上仍保留原來(lái)的工作方式，但做了許多重大改進(jìn)以提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能，稱(chēng)為改進(jìn)的馮諾依曼型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。27 革命方法， 即采用一種與馮諾依曼型計(jì)算機(jī)完全不同的方式工作。 在改進(jìn)的馮諾依曼型計(jì)算機(jī)中具有以下一些重要特征，目的是提高運(yùn)算速度，更好地支持高級(jí)語(yǔ)言和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)對(duì)象。它們包括： 增加新的數(shù)據(jù)表示，如浮點(diǎn)數(shù)

20、據(jù)、字符串和十進(jìn)制數(shù)的表示。 采用了虛擬存儲(chǔ)器，方便了高級(jí)語(yǔ)言編程。 堆棧的引入，以支持高級(jí)語(yǔ)言中的過(guò)程調(diào)用、遞歸機(jī)制以及表達(dá)式求值等。 采用變址寄存器并增加了間接尋址方式，以方便對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象的訪(fǎng)問(wèn)。 增加CPU內(nèi)的通用寄存器數(shù)量，增設(shè)Cache，以減少CPU與主存間的過(guò)分頻繁的信息交換。 采用存儲(chǔ)體交叉訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)以及無(wú)沖突并行存儲(chǔ)器，以加寬存儲(chǔ)器帶寬。 采用流水技術(shù)，包括指令級(jí)流水和運(yùn)算級(jí)流水，以加快指令及操作執(zhí)行的速度。 采用多功能部件。這樣一條指令就可以對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)元素在不同功能部件上進(jìn)行迸發(fā)操作。 28 采用支持處理機(jī)，如協(xié)處理機(jī)(Coprocessors)及I/O處理機(jī)，以使CPU

21、能集中從事數(shù)值運(yùn)算。 采用自定義的數(shù)據(jù)表示，由數(shù)據(jù)標(biāo)志符顯式說(shuō)明是指令還是某一種類(lèi)型的數(shù)據(jù)。這一措施的優(yōu)越性目前有爭(zhēng)論，但在LISP那樣遲匯集(Late binding)語(yǔ)言中是非常重要的。 使程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，從而增加了存儲(chǔ)器帶寬。 上述各種改進(jìn)措施的實(shí)現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)由以運(yùn)算器為中心演變?yōu)橐源鎯?chǔ)器為中心。 29 60年代出現(xiàn)了大型通用計(jì)算機(jī)(Mainframe)。 60年代70年代初出現(xiàn)了巨型機(jī)(Supercomputer)，主要考慮運(yùn)算速度和大容量主存，價(jià)格放在次要地位。它有兩種形式，一種是向量計(jì)算機(jī)，另一種是并行計(jì)算機(jī)。由于向量機(jī)通用性能更好，成為主流巨型機(jī)。 70年代末出現(xiàn)了超級(jí)小型機(jī)

22、(Super minicomputer)性能與大型機(jī)中低檔范圍相當(dāng)。 80年代中期，又推出了小巨型機(jī)(Mini supercomputer) 在向巨型機(jī)方向發(fā)展的同時(shí)，隨著LSI技術(shù)進(jìn)展，60年代末70年代初出現(xiàn)了微型機(jī)。80年代又出現(xiàn)了具有較強(qiáng)圖形功能的工程工作站(Engineering Workstation)，成為高擋個(gè)人計(jì)算機(jī)，上述演變受器件影響較大，特別是集成電路器件的發(fā)展。 上世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按銷(xiāo)售及性能和成本加以分型，形成一座金字塔。30 31 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上講，主要是通過(guò)各種并行處理手段來(lái)提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能。 最初的并行處理手段主要是在單機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)， 70年代到

23、80年代又出現(xiàn)多處理機(jī)系統(tǒng)，但一般還是小規(guī)模的。 發(fā)展的另一個(gè)方向是大規(guī)模并行處理系統(tǒng)的出現(xiàn)，在60年代末至70年代掀起一陣研究熱，由于專(zhuān)用性較強(qiáng)，再加其它原因沒(méi)能推廣使用。80年代末又開(kāi)始掀起大規(guī)模并行處理系統(tǒng)的研究熱潮，并推出了不少商品化產(chǎn)品，如CM-5、CRAY T3D、Intel的Paragon等。 上述發(fā)展主要是針對(duì)粗粒度并行性開(kāi)發(fā)，實(shí)際上在單機(jī)中還存在有開(kāi)發(fā)細(xì)粒度并行性的潛力。 80年代初出現(xiàn)了RISC技術(shù)一切從實(shí)際開(kāi)創(chuàng)了一種全新的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)格，追求平均每個(gè)機(jī)器周期可處理一條指令。 80年代中后期出現(xiàn)了新一代RISC計(jì)算機(jī)，側(cè)重開(kāi)發(fā)指令級(jí)的細(xì)粒程度可并行性。出現(xiàn)了Super s

24、calar，VLIW以及Super pipeline等結(jié)構(gòu)類(lèi)型的機(jī)器。32總的發(fā)展趨勢(shì)是：計(jì)算機(jī)性能的要求越來(lái)越高，主存容量越來(lái)越大，I/O吞吐能力越來(lái)越強(qiáng)。在20世紀(jì)追求的目標(biāo)是萬(wàn)億次(Teraflops)運(yùn)算速度、萬(wàn)億字節(jié)存儲(chǔ)容量(Terabyte)和每秒萬(wàn)億字節(jié)I/O吞吐率(Terabyte/second)。1.3.2 軟件、應(yīng)用和器件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響1.3.2.1 軟件對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響 “軟件危機(jī)”的出現(xiàn)，造成軟件成本相對(duì)地不斷上升，因此希望軟件具有兼容性。 兼容性： 即可移植性，是指一個(gè)軟件可不經(jīng)修改或只需少量修改便可以由一臺(tái)機(jī)器移植到另一臺(tái)機(jī)器上去運(yùn)行。即同一個(gè)軟件可應(yīng)用不

25、同的環(huán)境。 為了實(shí)現(xiàn)軟件的可移植性，一般可采用如下方法：33 采用模擬和仿真方法 模擬方法： 指用軟件的方法在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。即用實(shí)際存在的機(jī)器語(yǔ)言解釋實(shí)現(xiàn)軟件移植的方法稱(chēng)為模擬。 實(shí)際存在的機(jī)器稱(chēng)宿主機(jī)，待實(shí)現(xiàn)的機(jī)器稱(chēng)虛擬機(jī)。 為了模擬待虛擬機(jī)器系統(tǒng)，除了指令系統(tǒng)以外通常還需要模擬它系統(tǒng)結(jié)構(gòu)環(huán)境：包括存儲(chǔ)體系、I/O子系統(tǒng)以及虛擬機(jī)的OS等。應(yīng)用軟件的模擬也可以采用類(lèi)似的方法。由于模擬是采用純軟件解釋執(zhí)行的方法，因此運(yùn)行速度較慢。 仿真 當(dāng)宿主機(jī)(A機(jī))本身采用微程序控制時(shí)，直接由A機(jī)中對(duì)應(yīng)的一段微程序來(lái)完成對(duì)目標(biāo)機(jī)(B機(jī))指令系統(tǒng)的每條指令的解釋執(zhí)行。速度比純

26、軟件模擬方法快。 采用二進(jìn)制翻譯方法 指在目標(biāo)計(jì)算平臺(tái)上為源計(jì)算平臺(tái)編譯生成的可執(zhí)行代碼的一種技術(shù)。34 二進(jìn)制翻譯方法實(shí)際上是模擬和仿真方法的向下延伸，即在二進(jìn)制代碼一級(jí)進(jìn)行模擬放仿真。該技術(shù)始于20世紀(jì)80年代后期，由于該技術(shù)在代碼兼容方面具有重要作用，因此受到許多廠(chǎng)商的重視。如IBM公司的Daiay二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)，能在地VLIW(目標(biāo))機(jī)上透明運(yùn)行Power Pc結(jié)構(gòu)(源)機(jī)上的二進(jìn)制代碼，且性能優(yōu)于源機(jī)器。又如HP、SUN等大公司也都開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)。 二進(jìn)制翻譯技術(shù)按在哪一個(gè)層次上進(jìn)行翻譯，分為系統(tǒng)級(jí)和應(yīng)用級(jí)。 二進(jìn)制翻譯技術(shù)按在運(yùn)行前或運(yùn)行后進(jìn)行翻譯，分為靜態(tài)級(jí)和動(dòng)態(tài)兩種

27、。 當(dāng)前大多數(shù)的二進(jìn)制翻譯系統(tǒng)是應(yīng)用動(dòng)態(tài)翻譯。 二進(jìn)制翻譯的優(yōu)點(diǎn)如下： 可簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，因?yàn)闊o(wú)須考慮兼容性問(wèn)題，兼容性問(wèn)題由二進(jìn)制翻譯負(fù)責(zé)，這有利于創(chuàng)新系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)； 具有較大的靈活性，因?yàn)榭舍槍?duì)不同的應(yīng)用底層結(jié)構(gòu)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)牟眉簦?可以提升性能，因?yàn)樵诖a的運(yùn)行過(guò)程中可以進(jìn)行優(yōu)化。35 采用系列機(jī)方法 這是一種通過(guò)統(tǒng)一的機(jī)器語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件移植的方法， 預(yù)先確定好一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(軟硬件界面)。 然后軟件工作者依此進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。 硬件工作者則根據(jù)不同的性能、價(jià)格要求，采用各種不同的組成和物理實(shí)現(xiàn)技術(shù)，以向用戶(hù)提供不同擋次的機(jī)器。 例如，IBM370系列，它包含了370/115、125、135、145、

28、158、168等一系列由低檔到高擋多種型號(hào)機(jī)器。雖然它們采用了不同的組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，具有不同的特性和價(jià)格，但從程序設(shè)計(jì)者看到的概念性結(jié)構(gòu)和功能屬性則都是一樣的。 圖1.10顯示了它們的概念性結(jié)構(gòu)，它是由CPU/MM(主存) Channel(通道)EC(設(shè)備控制器)I/O設(shè)備四級(jí)連接組成的。36圖1.10 IBM370系列機(jī)的概念性結(jié)構(gòu)37 在各擋機(jī)器在中央處理機(jī)中的指令都相同。 但指令的分析執(zhí)行則可有順序、重疊或流水等不同的處理方式。 數(shù)據(jù)表示方面，從程序設(shè)計(jì)者所看到的各擋機(jī)器的字長(zhǎng)均為32位(定點(diǎn)數(shù)都有為16 位半字或32位全字，浮點(diǎn)數(shù)為單、雙、4倍字長(zhǎng))，但低、中、高的不同型號(hào)機(jī)器，它們所

29、采用的數(shù)據(jù)通路可能分別為8位、16 位、32位或64位。 顯然數(shù)據(jù)通路寬度對(duì)程序員來(lái)說(shuō)是透明的。 由上可知，系列機(jī)中由于機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言以及編譯程序在各擋機(jī)器間可通用，因此它們的軟件是兼容的。 軟件兼容性按性能上的高低和時(shí)間上推出它的先后可分為向上、向下、向前、向后的四種兼容。 向上兼容：指按某檔機(jī)器編制的程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高檔(速)的機(jī)器。 向下兼容：指按某檔機(jī)器編制的程序，不加修改就能運(yùn)行于比它低檔(速)的機(jī)器。 向前兼容：按時(shí)期推到市場(chǎng)的該擋計(jì)算機(jī)上編制的軟件，能不加修改地在它之前投入市場(chǎng)的機(jī)器上運(yùn)行。38 實(shí)際上最重要的是向后兼容按時(shí)期推到市場(chǎng)的該擋計(jì)算機(jī)上編制的軟件，能不

30、加修改地在它之后投入市場(chǎng)的機(jī)器上運(yùn)行，這是系列機(jī)軟件必須具有的基本要求。兼顧向上兼容 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)語(yǔ)言 是采用與機(jī)器無(wú)關(guān)的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)。 采用模擬和仿真技術(shù)為解決不同廠(chǎng)商不同型號(hào)計(jì)算機(jī)間的應(yīng)用軟件可移植性問(wèn)題提供了有效的方法。但這遠(yuǎn)非能滿(mǎn)足用戶(hù)的要求，從而導(dǎo)致了所謂開(kāi)放系統(tǒng)(Open system)的出現(xiàn)。 所謂開(kāi)放系統(tǒng)：一種獨(dú)立于廠(chǎng)商，且遵守有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)而建立的、具有系統(tǒng)可移植性、交互操作性，從而能允許用戶(hù)自主選擇具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)和多廠(chǎng)商產(chǎn)品渠道的系統(tǒng)集成技術(shù)的系統(tǒng)。39 這里的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主要是指IEEE的開(kāi)放系統(tǒng)技術(shù)委員會(huì)主管制定的系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件和硬件相互間的界面接口標(biāo)準(zhǔn)。 系統(tǒng)可移植性指應(yīng)用系統(tǒng)可移植性和用戶(hù)可移植性。 應(yīng)用系統(tǒng)可移植性指應(yīng)用軟件在多廠(chǎng)商、多硬件平臺(tái)的計(jì)算機(jī)環(huán)境中，從一個(gè)平臺(tái)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)平臺(tái)的可行度。 用戶(hù)可移植性指使用規(guī)范的一致性，這樣用戶(hù)就可不改變或少許改變它原來(lái)的使用習(xí)慣，便可從一個(gè)平臺(tái)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)平臺(tái)工作。 系統(tǒng)的交互操作性是指在多廠(chǎng)商、多硬件平臺(tái)的計(jì)算機(jī)環(huán)境中，一個(gè)應(yīng)用軟件能與另一個(gè)應(yīng)用軟件進(jìn)行協(xié)調(diào)工作以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與資源共享的可行度。 它包括了應(yīng)用軟件能透明地在一個(gè)系統(tǒng)上通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)用另一個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)資源及計(jì)算能力，以及在一個(gè)系統(tǒng)上運(yùn)行的任務(wù)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)有效地分解成一些子任務(wù)并分配到