计算机系统结构
成都信息工程学院计算机系
徐振明
要求,
1,学习要求
对课堂上讲解的计算、绘图题要理解会做（准备作业
本）。
及时完成每章后的练习题（概念题直接写到讲义上）。
2,纪律要求
有事请假，无故旷课三次将取消平时成绩；
旷课一次：平时成绩的 20%
迟到：平时成绩的 5%；
早退：平时成绩的 10%。
病、事假：平时成绩的 3%
关于本课程考试
第一章 概述
§ 1 计算机系统和系统结构
一, 计算机系统的组成
由硬件和软件组成 。
1,硬件：可视为多种资源,
1） 处理信息资源 — CPU；
2） 存储信息资源 — 存储器；
3） 交换信息资源 — I/O设备 。
2,软件：即程序
1） 系统软件：各用户共同使用, 如操作系统
（ OS）, 编译 /解释程序, 汇编程序, 诊断程序等；
2） 应用软件：为解决用户问题编写的程序 。
二、计算机系统的多级层次结构（逐级或越级向下实现）
软, 硬 交 界 面
硬件
微 指 令 程 序 解 释
应 用 语 言 级
高 级 语 言 级
汇 编 语 言 级
操 作 系 统 级
机 器 语 言 级
微 程 序 级
电 子 线 路
L 0 实 际 机 器
L 1 实 际 机 器
L 2 虚 拟 机
L 3 虚 拟 机
L 4 虚 拟 机
L 5 虚 拟 机
应 用 软 件
系 统 软 件
软, 硬 交 界 面
固件
层 次 结 构 执 行 方 式
应 用 程 序 包 翻 译
编 译 / 解 释 程 序 翻 译
汇 编 程 序 翻 译
机 器 语 言 程 序 解
释
硬 件 直 接 执 行 微 指 令
1,（ 传统 ） 机器语言级：二进制语言是计算机中必
不可少的语言 。
2,汇编语言级：用符号表示的机器语言 。
3,关于操作系统 （ OS ）,
① OS是管理计算机系统的系统软件；
② OS的若干命令又可视为机器语言指令功能的扩
充；
③ OS虽已发展成用高级语言编写, 但其属服务于
高级语言, 汇编语言等的功能, 并最终用机器语言
或微指令程序解释执行的 。
4,虚拟机：以软件为主实现的机器 。
5,实际机器：由硬件或固件实现的物理机器 。
6,固件：将微程序固化在器件上的硬件。
三、计算机系统结构定义及其属性
一个计算机系统可以看成是由若干机器
级组成的, 从低层的硬件直到高层的应用程
序级, 在每一级上都可以定义一个系统结构,
而传统的讲, 计算机系统结构是指处在软件
与硬件之间的界面描述, 它反映了计算机系
统的外特性 。
计算机系统结构是对计算机系统中各机器
级之间界面的划分和定义, 以及对各级界面
上, 下之间进行功能分配, 各级都有它自己
的系统结构 。
1,本课程定义
计算机系统结构或称计算机体系结构（ Computer
Architecture） 是汇编语言程序员所见 到的计算机的 外
特性 （属性），即软、硬件的交界面。
2, 计算机系统结构的主要外特性
1） *指令系统,指令的操作类型、功能、格式和编码。
2） *数据表示,能由硬件直接识别和处理的数据类型
和指令。
3）寻址方式,最小可寻址单位、寻址种类和地址计算
等。
4） 寄存器组织,通用和专用寄存器的数量, 字
长和使用约定 。
5） *中断系统结构,表示中断的分类, 分级和中
断响应的功能以及入口地址等 。
6） *存储体系和管理,包括主存的容量, 编址方
式, 最小编址单位, 最大可编址空间 。
7） *机器级 I /O系统,包括 I/O设备的连接方式,
处理机, 存储器与 I/O设备间的数据传递方式和
格式, 传递的数据量及传递操作结束的表示及出
错提示等 。
8） 机器工作状态的定义和切换,如管态和用户
态等 。
9） 信息保护,包括保护方式及有关的硬件支持
等 。
3 研究计算机系统结构的目的
1） 重点是软, 硬件的交界面,计算机系统设计
师的主要任务是合理地研究哪些功能应由硬件予
以支持, 而哪些功能应由软件来完成 。
软件和硬件在逻辑功能上是等效的, 但是,
在性能, 价格, 实现的难易程度上却是各不相同
的, 是不等效的 。
硬件实现可以提高其执行的速度, 减少程序
所需要的存贮空间, 降低软件部分所需的成本,
但这会提高硬件部分的成本, 降低系统的灵活性
与适应性 。
2） 目的, 提高计算机系统的性能 /价格比 。
4,计算机组成与实现
1） 计算机组成
主要指的是机器级内部数据流和控制流的组成
及逻辑设计 。 它与指令和编程等没有直接关系, 主
要是看硬件系统在逻辑上是如何组织的 。 如：乘法
指令是用加法器和移位器经一连串时钟脉冲控制实
现其操作, 还是用专门的高速乘法器来实现 。
2） 计算机实现
指的是计算机组成的物理实现 。 它着眼于用什
么样的器件技术和微组装技术 。 它也直接影响到系
统的速度和价格 。 如,是否采用超大规模集成电
路, 如何将部件在物理上组装到一起, 则是由计算
机实现设计考虑 。
四, 计算机系统的设计方法
1,计算机的透明性概念
客观存在的事物或属性从某个角度看不到, 称这些事
物或属性对它是透明的 。
对目前多数的通用计算机来说, 采用什么系列机,
机器级和汇编级的指令系统, 指令的条数, 种类, 功能,
格式和编码, 主存的容量, 编址空间和所用的编址方式,
硬件直接识别的数据类型, 格式和种类, I／ O系统采用
通道处理机还是外围处理机, I／ O设备的编址等, 所有
这些对计算机系统结构都设计成不透明的 。
而系列机内部搞哪几种型号的计算机, 乘法指令是
用加法器和移位器经一连串时钟脉冲控制实现其操作, 还
是用专门的高速乘法器来实现, 控制器微操作信号是用微
程序控制器产生还是用组合逻辑电路控制器产生等, 所有
这些对计算机组成设计来说都应是不透明的 。
2,软硬件取舍 3原则
1） 在现有器件的条件下, 系统要有较高的性能
价格比；
2） 不要不合理地限制各种组成, 实现技术的采
用；
3） 硬件的设计要考虑如何为软件提供更好的支
持 。
3,设计方法
具体的设计方法是从计算机多级层次结构的上
或下开始设计, 有, 从上到下,,, 从下到上,
和, 从中间开始向两边设计, 等三种不同的设计
思路 。
1） 从上到下的设计 （ 层次结构中的上下 ） 。
（ 1） 依据,用户的要求 （ 包括性能及功能 ） 。
（ 2） 特点,① 根据用户要求 （ 需求 ） 进行设计 （ 先有
功能, 性能要求, 最后才有硬件实体 ） ；
② 适用于专用机设计 。
2） 从下到上的设计
1） 依据,① 现有元器件状况；
② 并吸收现有计算机的特点 。
2） 特点, ① 先设计出计算机系统的硬件实体, 再根
据需求编写相应软件；
② 未明确针对哪种用户设计, 因而适用于
传统通用机设计 。
3） 从中间到两头
1） 中间层次面的确定,① OS是内容之一；
② 主要软, 硬件交界面 。
2）优点,可实现软、硬件人员同时设计，从而加速
系统设计进度。
五, 计算机系统的分类
1.以代分类 —— 视核心元器件 。
第一代：电子管, 性能底, 价格高 。
第二代：晶体管, 价格极大降低, 性能有所提高 。
第三代：集成电路, 早期价格与第二代接近, 性
能进一步提高 。
第四代：大规模 /超大规模集成电路, 价格范围
宽, 性能更提高 。
2 以流分类
1） 两种信息流
① 控制流 —— 指令序列 （ I）
② 数据流 —— 数据序列 （ D）
2） 按流分类
SISD：单指令单数据流计算机
SIMD：单指令多数据流计算机
MIMD：多指令多数据流计算机
MISD：多指令单数据流计算机
3） 关于数据流计算机
目前常见的是控制流计算机，而数据流计算机将
数据带上处理标记，找出数据后，就进行相应处
理。
指令部件 数据处理
流 数 目 部件数目
SISD 1 1
SIMD 1 多
MIMD 多 多
3 以型分类,
按性能, 体积, 价格可分为巨, 大,
中, 小, 微, 掌上型
88年一台微型机 （ IBM-PC）,
内存 640K 硬盘,20M,约 5.5万
97年一台微型机 （ 兼容 ）,
内存 16M 硬盘,2.1G,约 0.8万
88年一台超微小型机,
内存 8M,硬盘 2.7G
串口,RS232 72个； RS422 24个
91年 1.3 万美金：内存 16M, 硬盘
5.4G
型号
年代
巨
大
中
小
微
等性能线
4 以度分类
度,对数据并行处理的程度 。
按度分类,W— 字
B— 位
S— 串行处理
P— 并行处理
字串位串 WSBS
字串位并 WSBP
字并位串 WPBS
字并位并 WPBP
§ 1 计算机系统和系统结构
一、计算机系统的组成
二、计算机系统的多级层次结构
三、计算机系统结构定义及其属性
四、计算机系统的设计方法
五、计算机系统的分类
§ 2 计算机系统的发展途径
一, 从提高 CPU的利用率出发
1 对 CPU的基本要求
1） 要有高速度, 节省处理时间；
2） 要一直处于忙状态, 充分发挥高速性；
3） 要忙在数据的处理上 。
2 任务单一化
1） 传统计算机 CPU的工作内容
CPU除完成运算, 还要负责 I/O管理的操作
2） 改进办法,
① 减少 I/O处理时间；
② 下放 I/O管理权限 。
3） 对系统结构的影响,在计算机结构中, 引入
I/O处理机, 由它来管理入, 出, 使 CPU专注数
据处理 。
3 操作重迭化
1） 一条指令的几个过程段
① 取指令
② 译码分析
③ 执行
取 译 执 取 译 执
第 i条
第 i+1条
2） 传统机器的执行方式存在的问题
3） 重迭执行
重迭执行可以提高指令的吞吐率, 图示如
下,
取 译 执
取
执译取
执译
i
i+1
i+2
4） 实现重迭操作需要的支持
① 必须有先行部件
② 能解决对存储器的频繁访问, 最好采用存
储器的多体结构 。
5） 对系统结构的影响
除要求存储器为多体结构外, 对 CPU内部
的微观结构具有深刻的影响 。
4 吞吐匹配化
1） 要求,存储器提供数据的速度要与 CPU处
理数据的速度匹配 。
2） 存在的问题,存储器的速度往往比 CPU的
处理速度低 1个数量级 。
3） 解决的方法,
① 直接提高主存速度
② 在 CPU与主存之间加入高速缓存 （ cache）
③借助于辅助硬件（ MC：存储控制器件）
使 cache与主存构成一个有机整体。
5 程序多道化 —— 用户分时化
1） 单用户系统存在的问题
① CPU的实际利用率往往很低
② 因编程不当而出现死循环时, 更浪费 CPU时间 。
2） 办法,
充分利用 I/O时间, 采用程序多道化, 让 CPU分时
轮流为各用户服务 。
3） 需要解决的问题,
① 存贮容量不足问题,
直接增加主存容量
采用虚拟存贮器：把高速辅存伪装成主存使用 。
② 多用户复杂现场的保护与恢复问题,
引入通信控制器 （ CC） 来解决 。
CPU
程 序 多 道 化
cache 高 速 辅 存主存
MC
操 作 重 迭 化
任 务 单 一 化
吞 吐 匹 配 化
I / O 总 线
IOP
CC
I/O I/O
.,,
用 户 终 端
.,,
二, 从单机向多机发展
1,问题的提出,当对单机系统采用上述四条途径都不能
满足要求时, 就要求用多机系统完成 。
2,多机系统的分类
1） 并行处理机系统 （ 属 SIMD）, 包括阵列处理机系
统, 是操作级 （ 细粒度 ） 的并行处理
2） 多处理机系统 （ 属 MIMD）, 任务级 （ 粗粒度 ） 并
行处理, 高速通信网络通信
3） 其它计算机系统,脉动阵列机, 数据流机, 归约机
3,3T性能指标
重大挑战性科学计算题目要求计算机系统能有 3T性能,
即 lT FLOPS的 计算能力, 1 TB的 主存容量 和 1 TB／ s的 I
／ O带宽 。
§ 3 影响计算机系统结构发展的因素
一, 程序的可移植性的影响
1,含义：程序的可移植性也就是程序的可继承性 。
2,解决可移植性的办法,
1） 统一高级语言
高级语言是面向问题与算法的, 与机器的具体结构关
系不大 。
2） 采用模拟技术
利用现有计算机的指令串来解释新计算机的指令功能
3） 采用仿真技术
用现有计算机的微指令串来解释新计算机的指令功能
4） 利用系列机
3 系列机简介
1） 要有统一的汇编语言或机器语言；
2） 要确定好一种概念结构并有扩充余地；
3） 要具有兼容性：将以前编写的软件不改或少许修
改就能在新机上运行的性能称兼容性 （ 或向前兼容 ） 。
① 向后兼容：目前编写的软件能在今后生产的计算机
上不加修改就能运行 。
② 向上兼容：在低档机上编写的软件能在高档机上不
加修改地运行 。
对一个系列机是否具有强大的生命力, 主要取决
于软, 硬件交界面选择是否恰当 。 其中, 中大型机以
IBM360,370,微机以 IBM— PC兼容机做的十分成功 。
二, 应用对系统结构的影响
随着时间的变化, 计算机的性能在不断的
提高, 应用领域也在不断地扩大, 这就要求
设计的计算机系统结构是优化于这种应用的 。
如科学计算时浮点运算能力要强, 事务处理
时 I/O处理能力要强, 工业生产控制时实时性
要好, 抗干扰能力要强 。
三、器件发展的影响
1 器件集成度及可靠性的提高
2 高速存储器件发展
3 系统结构的“下移”加快
4 从集中到分散
1） 处理器分散
2） 存贮器分散
① 增加通用寄存器组数；
② 加入 cache存贮器；
③ 高速辅存伪装成主存使用 。
成都信息工程学院计算机系
徐振明
要求,
1,学习要求
对课堂上讲解的计算、绘图题要理解会做（准备作业
本）。
及时完成每章后的练习题（概念题直接写到讲义上）。
2,纪律要求
有事请假，无故旷课三次将取消平时成绩；
旷课一次：平时成绩的 20%
迟到：平时成绩的 5%；
早退：平时成绩的 10%。
病、事假：平时成绩的 3%
关于本课程考试
第一章 概述
§ 1 计算机系统和系统结构
一, 计算机系统的组成
由硬件和软件组成 。
1,硬件：可视为多种资源,
1） 处理信息资源 — CPU；
2） 存储信息资源 — 存储器；
3） 交换信息资源 — I/O设备 。
2,软件：即程序
1） 系统软件：各用户共同使用, 如操作系统
（ OS）, 编译 /解释程序, 汇编程序, 诊断程序等；
2） 应用软件：为解决用户问题编写的程序 。
二、计算机系统的多级层次结构（逐级或越级向下实现）
软, 硬 交 界 面
硬件
微 指 令 程 序 解 释
应 用 语 言 级
高 级 语 言 级
汇 编 语 言 级
操 作 系 统 级
机 器 语 言 级
微 程 序 级
电 子 线 路
L 0 实 际 机 器
L 1 实 际 机 器
L 2 虚 拟 机
L 3 虚 拟 机
L 4 虚 拟 机
L 5 虚 拟 机
应 用 软 件
系 统 软 件
软, 硬 交 界 面
固件
层 次 结 构 执 行 方 式
应 用 程 序 包 翻 译
编 译 / 解 释 程 序 翻 译
汇 编 程 序 翻 译
机 器 语 言 程 序 解
释
硬 件 直 接 执 行 微 指 令
1,（ 传统 ） 机器语言级：二进制语言是计算机中必
不可少的语言 。
2,汇编语言级：用符号表示的机器语言 。
3,关于操作系统 （ OS ）,
① OS是管理计算机系统的系统软件；
② OS的若干命令又可视为机器语言指令功能的扩
充；
③ OS虽已发展成用高级语言编写, 但其属服务于
高级语言, 汇编语言等的功能, 并最终用机器语言
或微指令程序解释执行的 。
4,虚拟机：以软件为主实现的机器 。
5,实际机器：由硬件或固件实现的物理机器 。
6,固件：将微程序固化在器件上的硬件。
三、计算机系统结构定义及其属性
一个计算机系统可以看成是由若干机器
级组成的, 从低层的硬件直到高层的应用程
序级, 在每一级上都可以定义一个系统结构,
而传统的讲, 计算机系统结构是指处在软件
与硬件之间的界面描述, 它反映了计算机系
统的外特性 。
计算机系统结构是对计算机系统中各机器
级之间界面的划分和定义, 以及对各级界面
上, 下之间进行功能分配, 各级都有它自己
的系统结构 。
1,本课程定义
计算机系统结构或称计算机体系结构（ Computer
Architecture） 是汇编语言程序员所见 到的计算机的 外
特性 （属性），即软、硬件的交界面。
2, 计算机系统结构的主要外特性
1） *指令系统,指令的操作类型、功能、格式和编码。
2） *数据表示,能由硬件直接识别和处理的数据类型
和指令。
3）寻址方式,最小可寻址单位、寻址种类和地址计算
等。
4） 寄存器组织,通用和专用寄存器的数量, 字
长和使用约定 。
5） *中断系统结构,表示中断的分类, 分级和中
断响应的功能以及入口地址等 。
6） *存储体系和管理,包括主存的容量, 编址方
式, 最小编址单位, 最大可编址空间 。
7） *机器级 I /O系统,包括 I/O设备的连接方式,
处理机, 存储器与 I/O设备间的数据传递方式和
格式, 传递的数据量及传递操作结束的表示及出
错提示等 。
8） 机器工作状态的定义和切换,如管态和用户
态等 。
9） 信息保护,包括保护方式及有关的硬件支持
等 。
3 研究计算机系统结构的目的
1） 重点是软, 硬件的交界面,计算机系统设计
师的主要任务是合理地研究哪些功能应由硬件予
以支持, 而哪些功能应由软件来完成 。
软件和硬件在逻辑功能上是等效的, 但是,
在性能, 价格, 实现的难易程度上却是各不相同
的, 是不等效的 。
硬件实现可以提高其执行的速度, 减少程序
所需要的存贮空间, 降低软件部分所需的成本,
但这会提高硬件部分的成本, 降低系统的灵活性
与适应性 。
2） 目的, 提高计算机系统的性能 /价格比 。
4,计算机组成与实现
1） 计算机组成
主要指的是机器级内部数据流和控制流的组成
及逻辑设计 。 它与指令和编程等没有直接关系, 主
要是看硬件系统在逻辑上是如何组织的 。 如：乘法
指令是用加法器和移位器经一连串时钟脉冲控制实
现其操作, 还是用专门的高速乘法器来实现 。
2） 计算机实现
指的是计算机组成的物理实现 。 它着眼于用什
么样的器件技术和微组装技术 。 它也直接影响到系
统的速度和价格 。 如,是否采用超大规模集成电
路, 如何将部件在物理上组装到一起, 则是由计算
机实现设计考虑 。
四, 计算机系统的设计方法
1,计算机的透明性概念
客观存在的事物或属性从某个角度看不到, 称这些事
物或属性对它是透明的 。
对目前多数的通用计算机来说, 采用什么系列机,
机器级和汇编级的指令系统, 指令的条数, 种类, 功能,
格式和编码, 主存的容量, 编址空间和所用的编址方式,
硬件直接识别的数据类型, 格式和种类, I／ O系统采用
通道处理机还是外围处理机, I／ O设备的编址等, 所有
这些对计算机系统结构都设计成不透明的 。
而系列机内部搞哪几种型号的计算机, 乘法指令是
用加法器和移位器经一连串时钟脉冲控制实现其操作, 还
是用专门的高速乘法器来实现, 控制器微操作信号是用微
程序控制器产生还是用组合逻辑电路控制器产生等, 所有
这些对计算机组成设计来说都应是不透明的 。
2,软硬件取舍 3原则
1） 在现有器件的条件下, 系统要有较高的性能
价格比；
2） 不要不合理地限制各种组成, 实现技术的采
用；
3） 硬件的设计要考虑如何为软件提供更好的支
持 。
3,设计方法
具体的设计方法是从计算机多级层次结构的上
或下开始设计, 有, 从上到下,,, 从下到上,
和, 从中间开始向两边设计, 等三种不同的设计
思路 。
1） 从上到下的设计 （ 层次结构中的上下 ） 。
（ 1） 依据,用户的要求 （ 包括性能及功能 ） 。
（ 2） 特点,① 根据用户要求 （ 需求 ） 进行设计 （ 先有
功能, 性能要求, 最后才有硬件实体 ） ；
② 适用于专用机设计 。
2） 从下到上的设计
1） 依据,① 现有元器件状况；
② 并吸收现有计算机的特点 。
2） 特点, ① 先设计出计算机系统的硬件实体, 再根
据需求编写相应软件；
② 未明确针对哪种用户设计, 因而适用于
传统通用机设计 。
3） 从中间到两头
1） 中间层次面的确定,① OS是内容之一；
② 主要软, 硬件交界面 。
2）优点,可实现软、硬件人员同时设计，从而加速
系统设计进度。
五, 计算机系统的分类
1.以代分类 —— 视核心元器件 。
第一代：电子管, 性能底, 价格高 。
第二代：晶体管, 价格极大降低, 性能有所提高 。
第三代：集成电路, 早期价格与第二代接近, 性
能进一步提高 。
第四代：大规模 /超大规模集成电路, 价格范围
宽, 性能更提高 。
2 以流分类
1） 两种信息流
① 控制流 —— 指令序列 （ I）
② 数据流 —— 数据序列 （ D）
2） 按流分类
SISD：单指令单数据流计算机
SIMD：单指令多数据流计算机
MIMD：多指令多数据流计算机
MISD：多指令单数据流计算机
3） 关于数据流计算机
目前常见的是控制流计算机，而数据流计算机将
数据带上处理标记，找出数据后，就进行相应处
理。
指令部件 数据处理
流 数 目 部件数目
SISD 1 1
SIMD 1 多
MIMD 多 多
3 以型分类,
按性能, 体积, 价格可分为巨, 大,
中, 小, 微, 掌上型
88年一台微型机 （ IBM-PC）,
内存 640K 硬盘,20M,约 5.5万
97年一台微型机 （ 兼容 ）,
内存 16M 硬盘,2.1G,约 0.8万
88年一台超微小型机,
内存 8M,硬盘 2.7G
串口,RS232 72个； RS422 24个
91年 1.3 万美金：内存 16M, 硬盘
5.4G
型号
年代
巨
大
中
小
微
等性能线
4 以度分类
度,对数据并行处理的程度 。
按度分类,W— 字
B— 位
S— 串行处理
P— 并行处理
字串位串 WSBS
字串位并 WSBP
字并位串 WPBS
字并位并 WPBP
§ 1 计算机系统和系统结构
一、计算机系统的组成
二、计算机系统的多级层次结构
三、计算机系统结构定义及其属性
四、计算机系统的设计方法
五、计算机系统的分类
§ 2 计算机系统的发展途径
一, 从提高 CPU的利用率出发
1 对 CPU的基本要求
1） 要有高速度, 节省处理时间；
2） 要一直处于忙状态, 充分发挥高速性；
3） 要忙在数据的处理上 。
2 任务单一化
1） 传统计算机 CPU的工作内容
CPU除完成运算, 还要负责 I/O管理的操作
2） 改进办法,
① 减少 I/O处理时间；
② 下放 I/O管理权限 。
3） 对系统结构的影响,在计算机结构中, 引入
I/O处理机, 由它来管理入, 出, 使 CPU专注数
据处理 。
3 操作重迭化
1） 一条指令的几个过程段
① 取指令
② 译码分析
③ 执行
取 译 执 取 译 执
第 i条
第 i+1条
2） 传统机器的执行方式存在的问题
3） 重迭执行
重迭执行可以提高指令的吞吐率, 图示如
下,
取 译 执
取
执译取
执译
i
i+1
i+2
4） 实现重迭操作需要的支持
① 必须有先行部件
② 能解决对存储器的频繁访问, 最好采用存
储器的多体结构 。
5） 对系统结构的影响
除要求存储器为多体结构外, 对 CPU内部
的微观结构具有深刻的影响 。
4 吞吐匹配化
1） 要求,存储器提供数据的速度要与 CPU处
理数据的速度匹配 。
2） 存在的问题,存储器的速度往往比 CPU的
处理速度低 1个数量级 。
3） 解决的方法,
① 直接提高主存速度
② 在 CPU与主存之间加入高速缓存 （ cache）
③借助于辅助硬件（ MC：存储控制器件）
使 cache与主存构成一个有机整体。
5 程序多道化 —— 用户分时化
1） 单用户系统存在的问题
① CPU的实际利用率往往很低
② 因编程不当而出现死循环时, 更浪费 CPU时间 。
2） 办法,
充分利用 I/O时间, 采用程序多道化, 让 CPU分时
轮流为各用户服务 。
3） 需要解决的问题,
① 存贮容量不足问题,
直接增加主存容量
采用虚拟存贮器：把高速辅存伪装成主存使用 。
② 多用户复杂现场的保护与恢复问题,
引入通信控制器 （ CC） 来解决 。
CPU
程 序 多 道 化
cache 高 速 辅 存主存
MC
操 作 重 迭 化
任 务 单 一 化
吞 吐 匹 配 化
I / O 总 线
IOP
CC
I/O I/O
.,,
用 户 终 端
.,,
二, 从单机向多机发展
1,问题的提出,当对单机系统采用上述四条途径都不能
满足要求时, 就要求用多机系统完成 。
2,多机系统的分类
1） 并行处理机系统 （ 属 SIMD）, 包括阵列处理机系
统, 是操作级 （ 细粒度 ） 的并行处理
2） 多处理机系统 （ 属 MIMD）, 任务级 （ 粗粒度 ） 并
行处理, 高速通信网络通信
3） 其它计算机系统,脉动阵列机, 数据流机, 归约机
3,3T性能指标
重大挑战性科学计算题目要求计算机系统能有 3T性能,
即 lT FLOPS的 计算能力, 1 TB的 主存容量 和 1 TB／ s的 I
／ O带宽 。
§ 3 影响计算机系统结构发展的因素
一, 程序的可移植性的影响
1,含义：程序的可移植性也就是程序的可继承性 。
2,解决可移植性的办法,
1） 统一高级语言
高级语言是面向问题与算法的, 与机器的具体结构关
系不大 。
2） 采用模拟技术
利用现有计算机的指令串来解释新计算机的指令功能
3） 采用仿真技术
用现有计算机的微指令串来解释新计算机的指令功能
4） 利用系列机
3 系列机简介
1） 要有统一的汇编语言或机器语言；
2） 要确定好一种概念结构并有扩充余地；
3） 要具有兼容性：将以前编写的软件不改或少许修
改就能在新机上运行的性能称兼容性 （ 或向前兼容 ） 。
① 向后兼容：目前编写的软件能在今后生产的计算机
上不加修改就能运行 。
② 向上兼容：在低档机上编写的软件能在高档机上不
加修改地运行 。
对一个系列机是否具有强大的生命力, 主要取决
于软, 硬件交界面选择是否恰当 。 其中, 中大型机以
IBM360,370,微机以 IBM— PC兼容机做的十分成功 。
二, 应用对系统结构的影响
随着时间的变化, 计算机的性能在不断的
提高, 应用领域也在不断地扩大, 这就要求
设计的计算机系统结构是优化于这种应用的 。
如科学计算时浮点运算能力要强, 事务处理
时 I/O处理能力要强, 工业生产控制时实时性
要好, 抗干扰能力要强 。
三、器件发展的影响
1 器件集成度及可靠性的提高
2 高速存储器件发展
3 系统结构的“下移”加快
4 从集中到分散
1） 处理器分散
2） 存贮器分散
① 增加通用寄存器组数；
② 加入 cache存贮器；
③ 高速辅存伪装成主存使用 。
