《计算机系统结构第一章.docVIP

计算机体系结构 计算机体系结构设计基础 1.1 计算机体系结构的含义和计算机系统分类 电子数字计算机自1946年问世至今，在半个多世纪里， 计算机系统的性能有了大幅度的提高。 究其原因： 一是制造计算机用的元器件的不断改进和发展，使元器 件的工作速度、功能、集成度和可靠性等指标不断提高。 二是得益于计算机体系结构设计的不断改进，事实说明 这是提高计算机系统性能的极为重要的因素。 研究计算机体系结构对计算机系统的设计和应用都有重 要意义。 1.1.1 计算机体系结构的含义 1.1.1.1 计算机系统的层次结构 计算机系统由两大部分组成： ·硬件 是指有形的计算机物理设备，如cpu处理器、存储器、 输入和输出设备。硬件是计算机系统的基础。 ·软件 这是指在计算机物理设备上运行的程序及文档，如操 作系统、编译程序和应用程序等。软件起发挥计算机系统 效能的作用。 此外，可以把硬件和软件相结合而成为计算机系统的 组成部分，把它称为固件。 ·固件 这是将软件嵌入到只读存储器芯片中构成，实际应用 中固件作为硬件的组成部分。 由此，计算机系统也可以说成是由软件、 硬件/固件 组成的系统。 从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能划分为 多层次结构，如下图所示。 应用软件 应用语言 虚拟机 高级语言级 虚拟机 系统软件 汇编语言 虚拟机 操作系统级 虚拟机 硬件 传统机器 物理机器 固件 微程序机器 在上述层次结构中，电子线路以上各级都提供相应的 语言，构成各级的机器。 传统机器级就是计算机系统的硬件，在它之上建立的 各级机器是由软件实现的，称虚拟机，他们构成了系统的 软件。 传统机器级是实际的物理机器，它可以建立在固件级， 即微程序机器上，也可以直接建立在电子线路级上。前者， 传统机器由微程序解释实现，后者则是硬件直接执行。 计算机系统的软件和硬件各自承担着相应的功能，但 它们之间却有如下的关系： (1)硬件和软件在逻辑功能上等效的，即绝大部分硬件 功能都可以用软件实现，反之亦然。但两者实现时，在性 能价格比和实现的难易程度上并不一致。 由此，提出了在系统设计时软件和硬件功能如何分配 的问题？对此有： (2)具有相同功能的计算机系统， 它们的软件和硬件 之间的功能分配可以在很宽的范围内变化，软件和硬件的 交界面没有明确固定的界线，是随各种因素的影响在一定 范围内动态地调整。 功能比例 软件 仅有必须 目前软硬 不可编程 的硬件 件分配 总的趋势是硬件功能实现将增大。 分析计算机系统的多层次结构，有助于理解软件、硬 件和固件在计算机系统中的地位和作用，同时也进一步推 动计算机体系结构的发展。 1·1·1·2 计算机体系结构 计算机体系结构译自英文