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1、第1章计算机系统结构的基本第1页，共63页，编辑于2022年，星期日本章重点：本章重点：计算机系统结构、计算机组成、计算机实现三计算机系统结构、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关并行性的概念；系统结构中开发并行性的途径和类型等。和类型等。本章难点本章难点:透明性的判断与分析。透明性的判断与分析。第2页，共63页，
2、编辑于2022年，星期日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硬件和软件组成的。从应用的语言角度，可以将系件和软件组成的。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：第3页，共63页，编辑于2022年，星期日VM5 VM5 应用语言机器应用语言机器M5M5面向应用环境，通过相应程序包面向应用环境，通过相应程序包翻译成高级语言，逐层向下实现翻译成高级语言，逐层向下实现VM4 VM4 高级语言
3、机器高级语言机器M4M4经编译程序翻译成汇编语言或中经编译程序翻译成汇编语言或中间语言或机器语言，再向下执行间语言或机器语言，再向下执行VM3 VM3 汇编语言机器汇编语言机器M3M3经汇编程序翻译成机器语言，然经汇编程序翻译成机器语言，然后在后在RMRM上实现上实现VM2 VM2 操作系统机器操作系统机器M2M2主要用主要用C C编写，但最终还要由机器编写，但最终还要由机器语言解释作业控制语句执行语言解释作业控制语句执行RM1 RM1 传统机器传统机器M1M1用微指令程序（固件）解释机器用微指令程序（固件）解释机器指令来实现指令来实现RM0 RM0 微程序机器微程序机器M0M0微指令直接由硬
4、件执行微指令直接由硬件执行图图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第4页，共63页，编辑于2022年，星期日机器：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，序员来说，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
5、，得到结果，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。件直接识别和执行。第5页，共63页，编辑于2022年，星期日翻译：翻译：是先用转换程序将高一级机器级上的程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，序整个
6、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。然后再在低一级机器级上去实现的技术。解释：解释：是在低一级机器级上用它的一串语句或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。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，或者各机器级的实现主要就是靠翻译或解释，或者是两者的结合。是两者的结合。第6页，共63页，编辑于2022年，星期日应用语言虚拟机器应用语言虚拟机器VM5V
7、M5是为了满足管理、人是为了满足管理、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计的。使用面向某一种应用环境的的应用语L5L5编写的程序一般是经过应用程序包翻译成高级语编写的程序一般是经过应用程序包翻译成高级语言言L4L4程序后，再逐级向下实现的。程序后，再逐级向下实现的。高级语言机器级高级语言机器级M4M4上的程序可以先用编译程上的程序可以先用编译程序整个的翻译成汇编语言序整个的翻译成汇编语言L3L3程序或机器语言程序或机器语言L1L1程程序，再逐级或越级向下实现，也可以用汇编语言序，再逐级或越级向下实现，也可
8、以用汇编语言L3L3程序、机器语言程序、机器语言L1L1程序，甚至是微指令语言程序，甚至是微指令语言L0L0程序解释实现。程序解释实现。第7页，共63页，编辑于2022年，星期日对汇编语言对汇编语言L3L3源程序则先用汇编程序整个将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其变换成等效的二进制机器语言L1L1目标程序，再目标程序，再在传统机器级在传统机器级M1M1上实现。上实现。操作系统程序虽然已发展成用高级语言（如操作系统程序虽然已发展成用高级语言（如我们所熟悉的我们所熟悉的C C语言）编写，但最终还要用机器语言）编写，但最终还要用机器语言程序或微指令程序来解释。它提供了传统机语
9、言程序或微指令程序来解释。它提供了传统机器级器级M1M1所没有，但为汇编语言和高级语言使用所没有，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、件管理、存贮管理、进程管理、多道程序共行、多重处理等。因此，操作系统机器级多重处理等。因此，操作系统机器级M2M2放在传放在传统机器机统机器机M1M1和汇编语言机器级和汇编语言机器级M3M3之间是适宜的。之间是适宜的。第8页，共63页，编辑于2022年，星期日传统机器级传统机器级M1M1采用组合逻辑电路控制，其指采用组合逻辑电路控制，其指令可以直接
10、用硬件来实现，也可以采用微程序控令可以直接用硬件来实现，也可以采用微程序控制，用微指令制，用微指令L0L0程序来解释实现。微指令直接控程序来解释实现。微指令直接控制硬件电路的动作。制硬件电路的动作。第9页，共63页，编辑于2022年，星期日2.实现方式实现方式就目前情况，就目前情况，M0M0用硬件实现，用硬件实现，M1M1用微程序用微程序（固件）实现，（固件）实现，M2M2到到M5M5大多用软件实现。我们大多用软件实现。我们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机器VM,VM,以区别于以区别于用硬件实现的实际机器用硬件实现的实际机器RMRM。虚拟机器不一定全都。虚拟机器不一定
11、全都由软件实现，有些操作可以用固件或硬件现。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。第10页，共63页，编辑于2022年，星期日原理上，软件实现的功能完全可以用硬件或原理上，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，只是其性能的模拟来完成，只是其性能、价格价格、实现的难易实
12、现的难易程度不同而已。具有相同功能的系统，其软硬件程度不同而已。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。一时期的不同机器也是在动态改变的。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第11页，共63页，编辑于2022年，星期日3.分层的优点分层的优点1)有利于理解软件、硬件、固件的地位和作用有利于理解软件、硬件、固件的地位和作用2)有利于多处理机
13、，分布处理，计算机网络发展有利于多处理机，分布处理，计算机网络发展3)有利于用有利于用VM VM、多操作系统共同执行，促进软、多操作系统共同执行，促进软 件移植、计算机系统性能评价、计算机设计自件移植、计算机系统性能评价、计算机设计自 动化的发展动化的发展第12页，共63页，编辑于2022年，星期日1.2结构、组成与实现结构、组成与实现1.2.1基本概念基本概念1.系统结构：系统结构：我们回到层次图上，系统结构我们回到层次图上，系统结构（System ArchitectureSystem Architecture）是对计算机系统中各）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
14、、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。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。明，哪些不可以的。第13页，共63页，编辑于2022年，星期日透明性概念：透明性概念：在计算机中，客观存在的事物或在计算机中，客观存在的事物或属性从某个角度看不到，称这些事物或属性对它属性从某个角度看不到，称这些事物或属性对它是是透透明明的的。计计算算机机重重的的“透透明明”与与社社会会生生活活中中的的“透透明明”，含含义义正正好好相相反反。社社会会生生活活中中
15、所所说说的的“透透明明”，是指公开的，让大家看得到的意思；而计算机中是指公开的，让大家看得到的意思；而计算机中所讲的所讲的“透明透明”，则是指看不到的意思。透明就会，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法控制，带来不利。所以，要正确的进行透明性分析和取舍。分析和取舍。第14页，共63页，编辑于2022年，星期日2.计算机系统结构：计算机系统结构：这里所说的计算机系统结这里所说的计算机系统结构或是计算机体系结构（构或是计算机体系结构（Computer ArchitectureCo
16、mputer Architecture）只是系统结构中的一部分。它指的是层次结构中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的功能。界面之下的功能包括所言级中所有软件的功能。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。件与硬件或固件的分界面。第15页，共63页，编辑于2022年，星期日研究：软、硬件功能的划分和传统机器级界面的研究：
17、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。确定，提供保证程序运行的计算机属性。属性包括：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及中断机构及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第16页，共63页，编辑于2022年，星期日3.计算机组成：计算机组成：计算机组成（计算机组成（Computer Computer OrganizationOrganization）指的是计算机系统结构的逻辑实）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现，包括机器级内的数
18、据流和控制流的组成以及逻辑实现。逻辑实现。研究：研究：在所期望达到的性价比下，怎样最佳、最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。所确定的系统结构。第17页，共63页，编辑于2022年，星期日包括：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 预估、预判技术预估、预判技术 可靠性技术可靠性技术第18页，共63页，编辑于2022年，星
19、期日4.4.计算机实现：计算机实现：计算机实现（计算机实现（Computer Computer ImplementationImplementation）指的是计算机组成的物理实现。）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第19页，共63页，编辑于2022年，星期日举例：举例：我们要制造飞机。首先要确定载客人数、我们要制造飞
20、机。首先要确定载客人数、速度、高度等技术指标，这就属于系统结构；然速度、高度等技术指标，这就属于系统结构；然后根据技术指标研究、设计座舱怎么安排才可以后根据技术指标研究、设计座舱怎么安排才可以满足载客数量，飞机外形怎么设计才符合空气动满足载客数量，飞机外形怎么设计才符合空气动力学，供油、发动机、控制系统等等怎样设计、力学，供油、发动机、控制系统等等怎样设计、组成，从而形成设计图纸上的飞机，这属于组成；组成，从而形成设计图纸上的飞机，这属于组成；最后，经过论证确定设计没有问题，把图纸交付最后，经过论证确定设计没有问题，把图纸交付工厂，由工人开始生产，这就是实现了。工厂，由工人开始生产，这就是实现
21、了。第20页，共63页，编辑于2022年，星期日1.2.2结构、组成与实现之间的关系结构、组成与实现之间的关系 三者是互不相同的概念，既相互联系又相互影响。三者是互不相同的概念，既相互联系又相互影响。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)的计算机的计算机 可以因速度等因素的要求不同而采用不同的组成。可以因速度等因素的要求不同而采用不同的组成。例如：对于乘法指令，我们可以使用专用的乘法例如：对于乘法指令，我们可以使用专用的乘法 器来实现，也可以使用加法器重复相加、右移来器来实现，也可以使用加法器重复相加、右移来 实现。实现。第21页，共63页，编辑于2
22、022年，星期日2)相同的计算机组成可以采用多种不同的实现方法。相同的计算机组成可以采用多种不同的实现方法。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，这这取决于所要求的性价比和当时的器件技术。取决于所要求的性价比和当时的器件技术。第22页，共63页，编辑于2022年，星期日2.影响：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。2)计计算算机机组组成成也也会会影影
23、响响系系统统结结构构，组组成成的的设设计计，其其上上取取决决于于系系统统结结构构，其其下下又又受受限限于于所所可可以以用用的的实实现现技技术。术。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很大大影影响。响。第23页，共63页，编辑于2022年，星期日1.3软硬件取舍与系统的设计思想软硬件取舍与系统的设计思想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
24、价比。的条件下，系统要有高的性价比。1)提提高高硬硬件件功功能能的的比比例例，可可以以提提高高解解题题速速度度，减减少少程程序序所所需需的的存存贮贮空空间间；但但是是，会会提提高高硬硬件件的的成成本，降低硬件的利用率和系统的灵活性与适应性。本，降低硬件的利用率和系统的灵活性与适应性。第24页，共63页，编辑于2022年，星期日2)提提高高软软件件功功能能的的比比例例，可可以以降降低低硬硬件件的的造造价价，提提高高系系统统的的灵灵活活性性和和适适应应性性。但但解解题题速速度度要要下下降降，软件设计费用和所需的存贮空间要增加。软件设计费用和所需的存贮空间要增加。2.原则二原则二:充分考虑准备采用和
25、可能要用的的组成充分考虑准备采用和可能要用的的组成 技术，使它尽可能不要过多或不合理地限制各技术，使它尽可能不要过多或不合理地限制各 种组成、实现技术的采用。种组成、实现技术的采用。3.原则三原则三:不能仅从不能仅从“硬硬”的角度去考虑如何便于应的角度去考虑如何便于应 用组成技术的成果和发挥器件技术的进展，还用组成技术的成果和发挥器件技术的进展，还 应从应从“软软”的角度把为编译和操作系统的实现，以的角度把为编译和操作系统的实现，以 至高级语言程序的设计提供更多、更好的硬件支至高级语言程序的设计提供更多、更好的硬件支 持放在首位。持放在首位。第25页，共63页，编辑于2022年，星期日1.3.
26、2计算机系统的设计思路计算机系统的设计思路 从多级层次结构出发，计算机系统结构的设从多级层次结构出发，计算机系统结构的设计可以分为由上往下、由下往上和从中间开始三计可以分为由上往下、由下往上和从中间开始三种不同的设计思路。种不同的设计思路。1.由上往下由上往下 1)方法：根据用户的要求，设计基本的命令、指方法：根据用户的要求，设计基本的命令、指 令、数据类型与格式等，然后再逐级往下设计，令、数据类型与格式等，然后再逐级往下设计，并考虑对上一级进行优化来实现。并考虑对上一级进行优化来实现。第26页，共63页，编辑于2022年，星期日面向应用的高级语言面向应用的高级语言 虚拟机器级虚拟机器级 应用
27、应用 虚拟机器级虚拟机器级 汇编汇编(中间中间)语言语言 虚拟机器级虚拟机器级 操作系统操作系统 虚拟机器级虚拟机器级传统机器级传统机器级微程序机器级微程序机器级由由上上往往下下设设计计第一步第一步:确定这一级的基本特性确定这一级的基本特性第二步第二步:设计或选择面向这种应设计或选择面向这种应 用的高级语言用的高级语言第三步第三步:设计使用于所用高级语言设计使用于所用高级语言 编译的中间语言编译的中间语言第四步第四步:设计面向这种应用的操作设计面向这种应用的操作 系统系统第五步第五步:设计面向所用编译程序和设计面向所用编译程序和 操作系统的机器语言操作系统的机器语言第六步第六步:设计面向机器语
28、言的微指设计面向机器语言的微指 令及其硬件实现令及其硬件实现计算机系统计算机系统“由上往下由上往下”设计的方法设计的方法第27页，共63页，编辑于2022年，星期日2)优优点点：适适用用于于专专用用机机的的设设计计，对对所所面面对对的的具具体体应应用用，其效能是很好的。其效能是很好的。3)缺缺点点：不不适适用用于于通通用用机机的的设设计计，当当应应用用对对象象或或范范围围发发生生变变化化时时，软软硬硬件件分分配配不不适适应应，就就导导致致系系统统效效率率急急剧剧下下降降；另另一一方方面面，作作为为厂厂家家，为为追追求求经经济济效效益益，避避免免生生产产批批量量少少、专专用用性性强强、使使用用面
29、面窄窄的的硬硬件件和和系系统，这就难以做到面向应用来优化实现。统，这就难以做到面向应用来优化实现。第28页，共63页，编辑于2022年，星期日2.由下往上由下往上1)方法：根据器件条件，先把微程序机器级及传方法：根据器件条件，先把微程序机器级及传 统机器级研制出来，然后再配合不同的操作系统统机器级研制出来，然后再配合不同的操作系统 和编译系统软件，使应用人员根据所提供的条件和编译系统软件，使应用人员根据所提供的条件 来采用合适的算法满足相应的应用要求。来采用合适的算法满足相应的应用要求。2)优点：是一种通用机的设计思想。优点：是一种通用机的设计思想。3)缺点：软件的设计受限于固定不变的硬件，造
30、缺点：软件的设计受限于固定不变的硬件，造 成软、硬件的脱节。成软、硬件的脱节。第29页，共63页，编辑于2022年，星期日 应用应用虚拟机器级虚拟机器级高级语言高级语言(多种多种)虚拟机器级虚拟机器级汇编汇编(中间中间)语言语言虚拟机器级虚拟机器级操作系统操作系统(多种多种)虚拟机器级虚拟机器级传统机器级传统机器级微程序机器级微程序机器级由由下下往往上上设设计计计算机系统计算机系统“由下往上由下往上”设计的方法设计的方法第30页，共63页，编辑于2022年，星期日3.中间法中间法1)方法：既考虑能拿到的硬件、器件，又考虑方法：既考虑能拿到的硬件、器件，又考虑 可能所需的算法和数据结构，先进行软
31、、硬功可能所需的算法和数据结构，先进行软、硬功 能的合理分配能的合理分配 并定义好这个界面，然后从这一并定义好这个界面，然后从这一 中间点分别往上、往下进行软、硬设计。中间点分别往上、往下进行软、硬设计。2)优点：软件、硬件同时进行交互设计，有利于优点：软件、硬件同时进行交互设计，有利于 缩短整个系统的设计周期。缩短整个系统的设计周期。3)缺点：要求设计人员同时具备软件、硬件、器缺点：要求设计人员同时具备软件、硬件、器 件及应用的多方面的知识。件及应用的多方面的知识。第31页，共63页，编辑于2022年，星期日1.4软件、应用、器件对系统结构的影软件、应用、器件对系统结构的影响响(自学自学)1
32、.软件的可移植性软件的可移植性1)概概念念:可可移移植植性性是是指指软软件件可可以以不不加加修修改改或或经经少少量量修修改改，就就可可以以由由一一台台机机器器搬搬到到另另一一台台机机器器去去运运行行，使得同一套软件可以应用于不同的硬件环境。使得同一套软件可以应用于不同的硬件环境。2)优优点点:可可以以大大量量节节省省重重复复工工作作量量，是是软软件件设设计计者者可以集中精力更好的改进或开发全新的软件。可以集中精力更好的改进或开发全新的软件。第32页，共63页，编辑于2022年，星期日2.实现可移植性的技术实现可移植性的技术 1)统一高级语言统一高级语言 2)系列机思想系列机思想 3)模拟与仿真
33、模拟与仿真第33页，共63页，编辑于2022年，星期日1.5系统中的并行性及其分类系统中的并行性及其分类1.5.1并行性概念并行性概念1.并行性的含义及理解并行性的含义及理解 1)并并行行性性:解解题题中中具具有有可可以以同同时时进进行行运运算算或或操操作作的的特性。目的是为了能并行处理，提高解题效率。特性。目的是为了能并行处理，提高解题效率。第34页，共63页，编辑于2022年，星期日2)广义并行性广义并行性:只要在同一时刻或是在同一时只要在同一时刻或是在同一时 间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同 的工作，在时间上能相互重叠，都称为并行性。的工作
34、，在时间上能相互重叠，都称为并行性。包括同时性与并发性。包括同时性与并发性。3)同时性：同时性：两个或多个事情在同一时刻发生。两个或多个事情在同一时刻发生。4)并发性：并发性：两个或多个事情在同一时间间隔两个或多个事情在同一时间间隔 内发生。内发生。第35页，共63页，编辑于2022年，星期日2.并行性等级并行性等级1)从执行角度分从执行角度分a)指指令令内内部部一一条条指指令令内内部部各各个个微微操操作作之之间间的的并并行执行。行执行。b)指令之间指令之间多条指令的并行执行。多条指令的并行执行。c)任务或进程之间任务或进程之间多个任务或程序段的并行执行。多个任务或程序段的并行执行。d)作业或
35、进程之间作业或进程之间多个作业或多道程序的并行。多个作业或多道程序的并行。硬硬件件比比例例增增大大第36页，共63页，编辑于2022年，星期日作业或进程间并行的关键在于并行算法，即怎作业或进程间并行的关键在于并行算法，即怎样将有限的软硬件资源有效的同时分配给正在解样将有限的软硬件资源有效的同时分配给正在解题的多个程序；任务或进程级间的并行主要涉及题的多个程序；任务或进程级间的并行主要涉及如何进行任务分解；指令之间的并行主要应解决如何进行任务分解；指令之间的并行主要应解决和处理好指令之间存在的相互关联；指令内部的和处理好指令之间存在的相互关联；指令内部的并行主要取决于硬件和组成的设计。由上可以看
36、并行主要取决于硬件和组成的设计。由上可以看出，并行性等级由高到低反映了硬件实现的比例出，并行性等级由高到低反映了硬件实现的比例在增大。所以并行性的实现是一个软硬件功能分在增大。所以并行性的实现是一个软硬件功能分配的问题，需要折衷权衡。配的问题，需要折衷权衡。第37页，共63页，编辑于2022年，星期日 2)从数据处理角度从数据处理角度a)位串字串位串字串单字单位单字单位串行单处理机串行单处理机b)位并字串位并字串单字全位单字全位并行处理机并行处理机c)位片串字并位片串字并多字同位多字同位(位片位片)多多 机串行机串行 d)全并行全并行多字多位多字多位多机并行多机并行 第38页，共63页，编辑于
37、2022年，星期日3)从信息加工角度从信息加工角度a)存贮器操作并行存贮器操作并行同一个存贮周期访问同一个存贮周期访问 多字多字并行存贮器、相联处理机。并行存贮器、相联处理机。b)处处理理器器操操作作步步骤骤并并行行操操作作步步骤骤在在时时间间上上重重叠流水进行叠流水进行流水线处理机。流水线处理机。c)处处理理器器操操作作并并行行对对同同一一条条指指令令的的多多个个数数据据组组同时操作同时操作阵列处理机。阵列处理机。d)指指令令、任任务务、作作业业并并行行多多处处理理机机同同时时对对多多条条指令及相关多数据组的操作指令及相关多数据组的操作多处理机。多处理机。第39页，共63页，编辑于2022年
38、，星期日3.并行性开发途径并行性开发途径1)时间重叠时间重叠a)方方法法：在在并并行行性性中中引引入入时时间间因因素素，让让多多个个处处理理过过程程在在时时间间上上错错开开，轮轮流流重重复复的的使使用用同同一一套套硬硬件件设设备备的的各各个部分，以加快硬件周转而提高速度。个部分，以加快硬件周转而提高速度。b)优优点点：不不必必增增加加额额外外硬硬件件设设备备就就可可以以提提高高计计算算机系统的性价比。机系统的性价比。第40页，共63页，编辑于2022年，星期日取指取指分析分析执行执行(a)(a)指令流水线指令流水线kkkk+1k+1k+1k+2k+2k+2t2 2t3 3t4 4t5 5tt取
39、指取指分析分析执行执行部件部件(b)(b)指令在流水线各部件中流过的时间关系指令在流水线各部件中流过的时间关系第41页，共63页，编辑于2022年，星期日2)资源重复资源重复a)方法：在并行性概念中引入空间因素。通方法：在并行性概念中引入空间因素。通 过过重重复复设设置置硬硬件件资资源源来来提提高高可可靠靠性性或或性性能能。如如双双工工系统系统。b)优点：系统的速度性能得到很大提高。优点：系统的速度性能得到很大提高。控制器控制器CU处理单元处理单元PEPE0 0PEPE1 1 PEPEN-1N-1资源重复资源重复第42页，共63页，编辑于2022年，星期日3)资源共享资源共享a)方方法法：利利
40、用用软软件件的的办办法法让让多多个个用用户户按按一一定定时时间间顺顺序序轮轮流流使使用用同同一一套套资资源源，以以提提高高其其利利用用率率，这这样样可可以以提提高高整整个个系系统统的的性性能能。例例如如，多多道道程程序序分分时时系系统统就就是是利利用用共共享享CPUCPU、主主存存资资源源，以以降降低低系系统价格，提高设备的利用率。统价格，提高设备的利用率。b)优点优点：节省资源，效率高，介于上述两种之间。：节省资源，效率高，介于上述两种之间。第43页，共63页，编辑于2022年，星期日1.5.2并行处理系统结构与多机系统耦合度并行处理系统结构与多机系统耦合度1.并行处理系统的结构并行处理系统
41、的结构并行处理计算机是强调并行处理的系统。按并行处理计算机是强调并行处理的系统。按 其基本的结构特征，可以分为以下四种：其基本的结构特征，可以分为以下四种：1)流水线计算机流水线计算机时间重叠时间重叠多部件在时多部件在时 间上交错重叠地并行执行运算和处理间上交错重叠地并行执行运算和处理以实以实 现时间上并行。现时间上并行。注意问题：解决好拥塞控制、冲突防止、分支注意问题：解决好拥塞控制、冲突防止、分支 处理、指令和数据的相关处理、流水线重组、处理、指令和数据的相关处理、流水线重组、中断处理、流水线调度以及作业顺序等。中断处理、流水线调度以及作业顺序等。第44页，共63页，编辑于2022年，星期
42、日 2)阵列处理机阵列处理机资源重复资源重复设置大量算术设置大量算术 逻辑单元，在同一控制部件作用下同时运算和逻辑单元，在同一控制部件作用下同时运算和 处理处理以实现空间上的并行。以实现空间上的并行。注意问题：解决好处理单元间的灵活而有规律注意问题：解决好处理单元间的灵活而有规律 的互连模式及互连网络的设计、存贮器组织、的互连模式及互连网络的设计、存贮器组织、数据分布等。数据分布等。第45页，共63页，编辑于2022年，星期日 3)多处理机多处理机资源共享资源共享由统一的由统一的OSOS控制共控制共享享I/OI/O子系统、数据库资源及处理机子系统、数据库资源及处理机以实现以实现时间、空间上的异
43、步并行。时间、空间上的异步并行。注意问题：解决好处理机间的互连、存贮器组织、存注意问题：解决好处理机间的互连、存贮器组织、存贮管理、资源分配、任务分解、系统死锁、进程间的贮管理、资源分配、任务分解、系统死锁、进程间的通信与同步、多处理机的调度、系统保护等。通信与同步、多处理机的调度、系统保护等。第46页，共63页，编辑于2022年，星期日 4)数据流机数据流机指令中的数据控制指令执行顺序指令中的数据控制指令执行顺序数据是以表示某一操作数或参数已准备就绪的数据数据是以表示某一操作数或参数已准备就绪的数据令牌的形式直接在指令间传递令牌的形式直接在指令间传递研究高效的数据流研究高效的数据流语言。语言
44、。第47页，共63页，编辑于2022年，星期日2.多级系统的耦合度多级系统的耦合度1)基本概念基本概念a)多机系统：指的是多处理机系统和多计算多机系统：指的是多处理机系统和多计算 机系统。机系统。b)多处理机系统：多台处理机组成的单一计多处理机系统：多台处理机组成的单一计 算机系统。算机系统。c)多计算机系统：多台独立的计算机组成的多计算机系统：多台独立的计算机组成的 系统。系统。第48页，共63页，编辑于2022年，星期日2)耦合度耦合度耦耦合合度度是是反反映映多多机机系系统统中中各各机机器器之之间间连连接接的的紧紧密密程程度和交叉作用能力强弱的。可以分为以下三种：度和交叉作用能力强弱的。可
45、以分为以下三种：a)最低耦合最低耦合只是通过某种介质（如磁盘）交换只是通过某种介质（如磁盘）交换信息，各机之间没有物理连接，无共享的联机硬件信息，各机之间没有物理连接，无共享的联机硬件资源。资源。第49页，共63页，编辑于2022年，星期日b)松松散散耦耦合合也也叫叫间间接接耦耦合合，通通过过通通道道或或通通信信线线路路互互连连，只只共共享享某某些些外外围围设设备备。又又分分两两种种形形式式：一一种种形形式式是是多多台台计计算算机机通通过过通通道道和和共共享享的的外外围围设设备备相相联联；另另一一种种形形式式是是各各台台计计算算机机通通过过通通信信线线路路连连接接成成计计算算机网络。这两种都是
46、非对称，异步的。机网络。这两种都是非对称，异步的。c)紧紧密密耦耦合合也也叫叫直直接接耦耦合合，通通过过总总线线或或高高速速开开关关互互连连，共共享享主主存存，信信息息传传输输速速率率高高，可可以以实实现现数数据据集集一一级级、任任务务级级、作作业业级级的的并并行行。大大多多是是对对称称型型多多处处理理系统。系统。第50页，共63页，编辑于2022年，星期日1.5.3计算机系统的分类计算机系统的分类从不同的观点和角度，可以对现有的计算机从不同的观点和角度，可以对现有的计算机 提出许多不同的分类方法，主要介绍三种。提出许多不同的分类方法，主要介绍三种。1.弗林分类法弗林分类法根据指令流和数据流的
47、多倍性根据指令流和数据流的多倍性(是指在系统性能瓶是指在系统性能瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数数)状况对计算机进行分类。状况对计算机进行分类。第51页，共63页，编辑于2022年，星期日1)单指令流单数据流单指令流单数据流SISDSISD一一次次仅仅对对一一条条指指令令译译码码，仅仅对对一一个个操操作作部部件件分分配配数据。单处理器计算机数据。单处理器计算机.2)单指令流多数据流单指令流多数据流SIMDSIMD 一一条条指指令令，多多个个操操作作过过程程。阵阵列列机机和和相相联联处处理机理机。3)多指令流单数据流多指令流单数
48、据流MISDMISD多多条条指指令令对对同同一一个个数数据据流流及及其其中中间间结结构构进进行行不不同的处理。这类系统少见。同的处理。这类系统少见。4)多指令流多数据流多指令流多数据流MDMDMDMD 全面并行的多机系统。全面并行的多机系统。第52页，共63页，编辑于2022年，星期日2.库克分类法库克分类法根据指令流和执行流根据指令流和执行流(Execution Stream)(Execution Stream)及其及其 多倍性对计算机系统结构进行分类多倍性对计算机系统结构进行分类。1)单指令流单执行流单指令流单执行流SISESISE单处理机系统单处理机系统 2)单指令流多执行流单指令流多执
49、行流SIMESIME多部件处多部件处 理机理机3)多指令流单执行流多指令流单执行流MISEMISE多指令单处理多指令单处理4)多指令流多执行流多指令流多执行流MIMEMIME多处理机系统多处理机系统第53页，共63页，编辑于2022年，星期日3.冯泽云分类法冯泽云分类法根据数据处理并行度对计算机系统结构进行分类。根据数据处理并行度对计算机系统结构进行分类。1)字串位串字串位串位串处理，一字一位位串处理，一字一位位串行计算机位串行计算机2)字字串串位位并并字字片片处处理理，一一字字n n位位位位并并行行单单处处理理机机3)字字并并位位串串位位片片处处理理，m m字字一一位位相相联联、阵阵列列处处
50、理理机机4)字字并并位位并并全全并并行行处处理理，m m字字n n位位相相联联、阵阵列列处理机及多处理机处理机及多处理机第54页，共63页，编辑于2022年，星期日第一章小结第一章小结 1.六级层次结构六级层次结构应用语言机器应用语言机器 面向用户面向用户高级语言机器高级语言机器 面向用户面向用户汇编语言机器汇编语言机器 面向用户面向用户操作系统机器操作系统机器 面向上层机器面向上层机器传统机器传统机器 面向上层机器面向上层机器微指令机器微指令机器 面向上层机器面向上层机器第55页，共63页，编辑于2022年，星期日2.结构、组成、实现结构、组成、实现1)概念概念2)关系关系3.系统设计系统设