第1章计算机系统结构的基本优秀课件.ppt

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1、第1章计算机系统结构的基本第1 页，本讲稿共63 页本章重点：计算机系统结构、计算机组成、计算机实现三者之间的定义及所包含的内容；有关透明性的判断；软件和硬件的功能分配原则；软件可移植性的途径、方法、使用场合、存在问题和对策；有关并行性的概念；系统结构中开发并行性的途径和类型等。本章难点:透明性的判断与分析。第2 页，本讲稿共63 页1.1计算机系统的多级层次结构1.六个层次结构现代通用的计算机系统是由紧密相关的用硬件和软件组成的。从应用的语言角度，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个层次结构：第3 页，本讲稿共63 页VM5 应用语言机器M5面向应用环境，通过相应程序包翻译成

2、高级语言，逐层向下实现VM4 高级语言机器M4经编译程序翻译成汇编语言或中间语言或机器语言，再向下执行VM3 汇编语言机器M3经汇编程序翻译成机器语言，然后在RM上实现VM2 操作系统机器M2主要用C编写，但最终还要由机器语言解释作业控制语句执行RM1 传统机器M1用微指令程序（固件）解释机器指令来实现RM0 微程序机器M0微指令直接由硬件执行图1.1 计算机系统的多级层次结构第4 页，本讲稿共63 页机器：并非是指真正的一台有鼠标、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。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

3、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语言才与硬件直接对应，方可以被硬件直接识别和执行。第5 页，本讲稿共63 页翻译：是先用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，然后再在低一级机器级上去实现的技术。解释：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。各机器级的实现主要就是靠翻译或解释，或者是两者的

4、结合。第6 页，本讲稿共63 页应用语言虚拟机器VM5是为了满足管理、人工智能、图像处理、辅助设计等专门的应用来设计的。使用面向某一种应用环境的的应用语L5编写的程序一般是经过应用程序包翻译成高级语言L4程序后，再逐级向下实现的。高级语言机器级M4上的程序可以先用编译程序整个的翻译成汇编语言L3程序或机器语言L1程序，再逐级或越级向下实现，也可以用汇编语言L3程序、机器语言L1程序，甚至是微指令语言L0程序解释实现。第7 页，本讲稿共63 页对汇编语言L3源程序则先用汇编程序整个将其变换成等效的二进制机器语言L1目标程序，再在传统机器级M1上实现。操作系统程序虽然已发展成用高级语言（如我们所熟

5、悉的C语言）编写，但最终还要用机器语言程序或微指令程序来解释。它提供了传统机器级M1所没有，但为汇编语言和高级语言使用和实现所用的基本操作、命令和数据结构。如文件管理、存贮管理、进程管理、多道程序共行、多重处理等。因此，操作系统机器级M2放在传统机器机M1和汇编语言机器级M3之间是适宜的。第8 页，本讲稿共63 页传统机器级M1采用组合逻辑电路控制，其指令可以直接用硬件来实现，也可以采用微程序控制，用微指令L0程序来解释实现。微指令直接控制硬件电路的动作。第9 页，本讲稿共63 页2.实现方式就目前情况，M0用硬件实现，M1用微程序（固件）实现，M2到M5大多用软件实现。我们称以软件为主实现机

6、器为虚拟机器VM,以区别于用硬件实现的实际机器RM。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现。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虑，对软件、硬件、固件取舍进行综合平衡。第10 页，本讲稿共63 页原理上，软件实现的功能完全可以用硬件或固件实现，同样，硬件实现的功能也可以由软件的模拟来完成，只是其性能、价格、实现的难易程度不同而已。具有相同功能的系统，其软硬件功能分配比例也是很宽的。而且在不同时期及同一时期的不同机器也是在动态改变的。软件硬件只有最必需的硬件 程序不可编目前的计算机系统功能分配比例(%)计算机系统的软、硬件功能分配图第

7、11 页，本讲稿共63 页3.分层的优点1)有利于理解软件、硬件、固件的地位和作用2)有利于多处理机，分布处理，计算机网络发展3)有利于用VM、多操作系统共同执行，促进软 件移植、计算机系统性能评价、计算机设计自 动化的发展第12 页，本讲稿共63 页1.2结构、组成与实现1.2.1基本概念1.系统结构：我们回到层次图上，系统结构（System Architecture）是对计算机系统中各机器之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下的功能进行分配。各层都由它自己的系统结构。系统结构的设计就是研究针对某级，哪些应当透明，哪些不可以的。第13 页，本讲稿共63 页透明性概念：在计算机中，客观存在

8、的事物或属性从某个角度看不到，称这些事物或属性对它是透明的。计算机重的“透明”与社会生活中的“透明”，含义正好相反。社会生活中所说的“透明”，是指公开的，让大家看得到的意思；而计算机中所讲的“透明”，则是指看不到的意思。透明就会简化某一级的设计，但同时由于看不到，就会无法控制，带来不利。所以，要正确的进行透明性分析和取舍。第14 页，本讲稿共63 页2.计算机系统结构：这里所说的计算机系统结构或是计算机体系结构（Computer Architecture）只是系统结构中的一部分。它指的是层次结构中传统机器级的系统结构，其界面之上的功能包括操作系统级，汇编语言级，高级语言级和应用语言级中所有软件

9、的功能。界面之下的功能包括所有硬件和固件的功能，因此，这个界面实际是软件与硬件或固件的分界面。第15 页，本讲稿共63 页研究：软、硬件功能的划分和传统机器级界面的确定，提供保证程序运行的计算机属性。属性包括：数据表示寻址方式寄存器组织指令系统存贮系统中断机构及I/O结构 信息保护方式和保护机构第16 页，本讲稿共63 页3.计算机组成：计算机组成（Computer Organization）指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑实现。研究：在所期望达到的性价比下，怎样最佳、最合理的把各种设备和部件组织成计算机，以实现所确定的系统结构。第17 页，本讲稿共63 页包括：数据通路宽度 专用部件的设置 各种操作对部件的共享程度 功能部件的并行度 控制机构的组织方式 缓冲和排队技术 预估、预判技术 可靠性技术第18 页，本讲稿共63 页