"第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)概念
本章介紹計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的有關(guān)術(shù)語(yǔ)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)的關(guān)系，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定量分析技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的并行性發(fā)展。重點(diǎn)是：①計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組織、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三者的定義及其關(guān)系；②透明性、局部性原理、MIPS和MFLOPS定義；③Amdahl定律；④CPU性能公式。
1 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的有關(guān)術(shù)語(yǔ)[1]1 1 1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是硬件、固件和軟件組成的十分復(fù)雜的系統(tǒng)。為了對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行描述、分析、設(shè)計(jì)和使用，人們從不同的角度提出了觀察計(jì)算機(jī)的觀點(diǎn)和方法。其中常用的一種方法，就是從機(jī)器語(yǔ)言的角度出發(fā)，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，如圖1 1所示。
圖1 1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)
計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言可分成一系列的層次級(jí)，最內(nèi)層級(jí)語(yǔ)言的功能最簡(jiǎn)單，最外層級(jí)語(yǔ)言的功能最強(qiáng)。對(duì)于用某一層級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序的程序員來(lái)說(shuō)，他一般不管其程序在機(jī)器中是如何執(zhí)行的，只要程序正確，他就能得到預(yù)期的結(jié)果。這樣，對(duì)這層語(yǔ)言的程序員來(lái)說(shuō)，他似乎有了一種新的機(jī)器，這層語(yǔ)言就是這種機(jī)器的機(jī)器語(yǔ)言，該機(jī)器能執(zhí)行用該層語(yǔ)言編寫(xiě)的全部程序。因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就可以按語(yǔ)言的功能劃分成多層次結(jié)構(gòu)，每一層以一種不同的語(yǔ)言為特征。
最內(nèi)層的L0級(jí)是硬聯(lián)邏輯級(jí)。這一級(jí)由門、觸發(fā)器等邏輯電路組成，它是由邏輯設(shè)計(jì)員采用布爾語(yǔ)言設(shè)計(jì)的硬件內(nèi)核。
L1級(jí)是微程序機(jī)器級(jí)。這一級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是二進(jìn)制編碼的微指令集。程序員用微指令編寫(xiě)的微程序由固件/硬件來(lái)解釋實(shí)現(xiàn)。L1級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是二進(jìn)制語(yǔ)言。
L2級(jí)是傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)。這一級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是機(jī)器指令集。程序員用機(jī)器指令集編寫(xiě)的程序可以由L1級(jí)微程序進(jìn)行解釋，也可直接采用L0級(jí)硬聯(lián)邏輯進(jìn)行解釋。這個(gè)解釋程序運(yùn)行在L1級(jí)上。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)概念L3級(jí)是操作系統(tǒng)虛擬機(jī)。這一級(jí)機(jī)器語(yǔ)言中的多數(shù)指令是傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)指令。此外還提供操作系統(tǒng)級(jí)指令，如打開(kāi)文件、讀/寫(xiě)文件、關(guān)閉文件等指令。用這一級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，若與L2級(jí)指令相同則由微程序解釋，而操作系統(tǒng)級(jí)指令則由操作系統(tǒng)進(jìn)行解釋。操作系統(tǒng)是運(yùn)行在L2級(jí)上的解釋程序。
L4級(jí)是匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)。這一級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是匯編語(yǔ)言。用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，首先翻譯成L3級(jí)和L2級(jí)語(yǔ)言，然后再由相應(yīng)的機(jī)器執(zhí)行。完成匯編語(yǔ)言翻譯的程序稱作匯編程序。
L5級(jí)是高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)。這一級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是各種高級(jí)語(yǔ)言。目前高級(jí)語(yǔ)言已有上百種，如C、C++、FORTRAN等。用這些語(yǔ)言所編寫(xiě)的程序一般由稱為編譯程序的翻譯程序翻譯到L4級(jí)或L3級(jí)上。個(gè)別高級(jí)語(yǔ)言如BASIC編寫(xiě)的程序采用解釋的方法實(shí)現(xiàn)，即用解釋程序翻譯到L4級(jí)或L3級(jí)。
最外層的L6級(jí)是應(yīng)用語(yǔ)言虛擬機(jī)。這一級(jí)是為使計(jì)算機(jī)滿足某種用途而專門設(shè)計(jì)的，因此這一級(jí)語(yǔ)言就是各種面向問(wèn)題的應(yīng)用語(yǔ)言。為此可以設(shè)計(jì)專門用于人工智能、教育、管理、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的虛擬機(jī)，這些虛擬機(jī)也是當(dāng)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究課題。用應(yīng)用語(yǔ)言編寫(xiě)的程序一般由應(yīng)用程序包翻譯到L5級(jí)上。
由上面的敘述我們可以強(qiáng)調(diào)：
(1 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是由低級(jí)(內(nèi)核)向高級(jí)(外層)發(fā)展的，高一級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)句相對(duì)于低級(jí)語(yǔ)言功能更強(qiáng)，更便于應(yīng)用，但都是以低級(jí)語(yǔ)言為基礎(chǔ)來(lái)支撐的。
(2 L3級(jí)以上由軟件實(shí)現(xiàn)。由軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器我們稱為虛擬機(jī)器，以區(qū)別于由硬件/固件實(shí)現(xiàn)的實(shí)際物理機(jī)器。
(3 編譯和解釋是機(jī)器語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的兩種基本技術(shù)。它們的相同點(diǎn)是：都以執(zhí)行一串L級(jí)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)L+1級(jí)指令。但是二者的差別是：編譯程序是先把L+1級(jí)程序全部變換成L級(jí)程序后，再去執(zhí)行新產(chǎn)生的L級(jí)程序，在執(zhí)行過(guò)程中L+1級(jí)程序不再被訪問(wèn)。而解釋程序是每當(dāng)一條L+1級(jí)指令被譯碼后，就直接去執(zhí)行一串等效的L級(jí)指令，然后再去取下一條L+1級(jí)的指令，依次重復(fù)進(jìn)行。因此解釋過(guò)程是邊變換邊執(zhí)行的過(guò)程。在實(shí)現(xiàn)新的虛擬機(jī)器時(shí)，這兩種技術(shù)都被廣泛使用。一般來(lái)說(shuō)，解釋執(zhí)行比編譯執(zhí)行花的時(shí)間多，但占用存儲(chǔ)空間較小。
1 1 2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(compute architecture)一詞也譯成計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，目前作為專用術(shù)語(yǔ)被廣泛使用。其經(jīng)典定義是1964年Amdahl在介紹IB 360系統(tǒng)時(shí)提出的：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能屬性。
按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，不同級(jí)程序員所看到的計(jì)算機(jī)具有不同的屬性。例如，傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)程序員所看到的計(jì)算機(jī)主要屬性是該機(jī)指令集的功能特性，而高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)程序員所看到的計(jì)算機(jī)主要屬性是該機(jī)所配置的高級(jí)語(yǔ)言所具有的功能特性。顯然，不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)或匯編語(yǔ)言程序員的角度來(lái)看，具有不同的屬性。但是從高級(jí)語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)程序員看，它們就幾乎沒(méi)有什么差別，具有相同的屬性。換句話說(shuō)，這些傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)所存在的差別對(duì)高級(jí)語(yǔ)言程序員來(lái)說(shuō)是"看不見(jiàn)"的，也是他們不需要知道的。在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，對(duì)這種本來(lái)存在的事物或?qū)傩裕珡哪撤N角度看又好像不存在的概念稱為透明性。通常，在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，低層機(jī)器的屬性對(duì)高層機(jī)器的程序員往往是透明的，如傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，對(duì)高級(jí)語(yǔ)言程序員來(lái)說(shuō)是透明的。由此看出，在層次結(jié)構(gòu)的各個(gè)級(jí)上都有它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
為了不使概念具有多義性，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常定義為：機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)所具有的屬性，它包含概念性結(jié)構(gòu)和功能特性兩個(gè)方面。這些屬性是機(jī)器語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)者(或者編譯程序生成系統(tǒng))為使其所設(shè)計(jì)(或生成)的程序能在機(jī)器上正確運(yùn)行，所需遵循的計(jì)算機(jī)屬性。對(duì)通用寄存器型機(jī)器來(lái)說(shuō)，這些屬性主要是指：
(1 數(shù)據(jù)表示(硬件能直接識(shí)別和處理的數(shù)據(jù)類型)；
(2 尋址規(guī)則(最小尋址單元、尋址方式及其表示)；
(3 寄存器定義(各種寄存器的定義、數(shù)據(jù)及使用方式)；
(4 指令集(機(jī)器指令的操作類型和格式、指令間的排序和控制機(jī)構(gòu))；
(5 中斷系統(tǒng)(中斷類型、中斷響應(yīng)硬件的功能等)；
(6 機(jī)器工作狀態(tài)的定義和切換(如管態(tài)和目態(tài)等)；
(7 存儲(chǔ)系統(tǒng)(主存容量、程序員可用的較大存儲(chǔ)容量等)；
(8 信息保護(hù)(信息保護(hù)方式、硬件對(duì)信息保護(hù)的支持)；
(9 I/O結(jié)構(gòu)(I/O連接方式、處理機(jī)/存儲(chǔ)器與I/O設(shè)備間數(shù)據(jù)傳送的方式和格式、I/O操作的狀態(tài)等)。
上述屬性是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由硬件或固件完成的功能，程序員在了解這些屬性后才能編出在傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)上正確運(yùn)行的程序。因此，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念的實(shí)質(zhì)是確定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟硬件的界面，界面之上是軟件的功能，界面之下是硬件和固件的功能。
1 1 3計(jì)算機(jī)組織和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組織(compute organization)、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)(compute implementation)是三個(gè)不同的概念。它們各自包含不同的內(nèi)容，但又有緊密的關(guān)系。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件的界面，即機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)所具有的屬性。
計(jì)算機(jī)組織是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包括物理機(jī)器級(jí)內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。它著眼于物理機(jī)器級(jí)內(nèi)各事件的排序方式與控制方式，各部件的功能以及各部件的聯(lián)系。計(jì)算機(jī)組織也被譯成計(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)，包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號(hào)傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。它著眼于器件技術(shù)和微組裝技術(shù)，其中器件技術(shù)在實(shí)現(xiàn)技術(shù)中占主導(dǎo)作用。
下面舉例說(shuō)明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組織、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三者之間的區(qū)別。
例1 (1 機(jī)器指令集的確定屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
2 指令的實(shí)現(xiàn)，如取指令、取操作數(shù)、運(yùn)算、送結(jié)果等具體操作及其排序方式屬于計(jì)算機(jī)組織。
3 實(shí)現(xiàn)指令集中所有指令功能的具體電路、器件的設(shè)計(jì)、裝配技術(shù)等屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。
例1 (1 確定是否有乘法指令屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
(2 乘法指令是用專門的乘法器實(shí)現(xiàn)，還是經(jīng)加法器用重復(fù)的相加和右移操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，屬于計(jì)算機(jī)組織。
(3 乘法器、加法器的物理實(shí)現(xiàn)，如器件的選定(器件集成度、類型、數(shù)量、價(jià)格)及所用微組裝技術(shù)等，屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。
例1 (1 主存容量與編址方式(按位、按字節(jié)、按字訪問(wèn)等)的確定屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
(2 為達(dá)到所定性能價(jià)格比，主存速度應(yīng)多快，在邏輯結(jié)構(gòu)上需采用什么措施(如多體交叉存儲(chǔ)等)屬于計(jì)算機(jī)組織。
(3 主存系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)，如存儲(chǔ)器器件的選定、邏輯電路的設(shè)計(jì)、微組裝技術(shù)的選定屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。
可以看出，具有相同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如指令系統(tǒng)相同)的計(jì)算機(jī)因?yàn)樗俣纫蟛煌纫蛩乜梢圆捎貌煌挠?jì)算機(jī)組織。例如，取指令、譯碼、取操作數(shù)、運(yùn)算、存結(jié)果可以在時(shí)間上按順序方式進(jìn)行，也可以讓它們?cè)跁r(shí)間上按重疊方式進(jìn)行以提高執(zhí)行速度。
同樣，一種計(jì)算機(jī)組織可以采用多種不同的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。例如，主存器件可以采用SRAM芯片，也可以采用DRAM芯片。可以采用大規(guī)模集成電路單個(gè)芯片，也可以采用中小規(guī)模集成電路進(jìn)行構(gòu)建。顯然，這取決于性能價(jià)格比的要求與器件技術(shù)的現(xiàn)狀。
1 1 4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類
研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分類方法有助于人們認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組織的特點(diǎn)，理解系統(tǒng)的工作原理和性能。
通常把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按其性能與價(jià)格的綜合指標(biāo)分為巨型、大型、中型、小型、微型、單片機(jī)等。但是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各類計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)都在不斷進(jìn)步，以至于過(guò)去的一臺(tái)大型機(jī)的性能還比不上今天的一臺(tái)微型機(jī)；而用過(guò)去一臺(tái)大型機(jī)的價(jià)錢，今天卻能買一臺(tái)性能指標(biāo)高許多倍的新式大型機(jī)。可見(jiàn)，按巨、大、中、小、微、單來(lái)劃分的性能標(biāo)準(zhǔn)是隨時(shí)間而變化的。
按用途分類，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理、實(shí)時(shí)控制、家用等。一般說(shuō)來(lái)，計(jì)算機(jī)都是作為通用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但是在用戶編寫(xiě)程序時(shí)，卻都帶有專用性質(zhì)。為了解決這個(gè)矛盾，采取的辦法有：靈活地改變系統(tǒng)配置；適應(yīng)特殊環(huán)境要求采取不同的物理安裝；增加處理不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的能力；提供多種語(yǔ)言和操作系統(tǒng)以適應(yīng)不同的需要。
按處理機(jī)個(gè)數(shù)分，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為單處理機(jī)、多處理機(jī)；按種類分有標(biāo)量處理機(jī)、超標(biāo)量處理機(jī)、超流水處理機(jī)、向量處理機(jī)、陣列處理機(jī)、對(duì)稱多處理機(jī)、大規(guī)模并行處理機(jī)、機(jī)群系統(tǒng)等。
下面從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的并行性能出發(fā)，介紹兩種常用的分類方法。
1 Flynn分類法
1966年M.J.Flynn按照指令流(instructio stream)和數(shù)據(jù)流(dat stream)的不同組織方式，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為以下4類：
1 單指令流單數(shù)據(jù)流SISD(singl instructio strea singl datastream)；
2 單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD(singl instructio strea multipl datastream)；
3 多指令流單數(shù)據(jù)流MISD(multipl instructio strea singl datastream)；
4 多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD(multipl instructio strea multipl datastream)。
圖1 2Flynn分類法的4類機(jī)器結(jié)構(gòu)圖1 2所表示的是這4類計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)框圖。SISD是傳統(tǒng)的順序處理計(jì)算機(jī)。SIMD以陣列處理機(jī)為代表。MISD在實(shí)際中代表何種計(jì)算機(jī)，存在著不同的看法，有的文獻(xiàn)把流水線結(jié)構(gòu)的機(jī)器看成是MISD結(jié)構(gòu)。MIMD的代表是多處理機(jī)。
2 Hndler分類法
1977年，Hndler根據(jù)并行度和流水線提出了另一種分類法。這種分類方法把計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)分成3個(gè)層次，并分別考慮它們的可并行流水處理程度。這3個(gè)層次是：處理控制器PCU、算術(shù)邏輯部件ALU(或運(yùn)算部件PE)和位級(jí)電路BLC。其中位級(jí)電路相當(dāng)于在ALU中要進(jìn)行1位運(yùn)算時(shí)所需的基本邏輯電路。
這樣，一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可用3對(duì)整數(shù)來(lái)表示：
T(系統(tǒng)型號(hào))=〈kk′，dd′，ww′〉
式中：k為處理控制器PCU的數(shù)目；k′為可組成流水線的PCU數(shù)目；d為每個(gè)PCU所控制的ALU(或PE)"
