第 1 章 概 论

本章先从计算机系统层次结构出发，定义什么是计算机系统结构、计算机组成和计算机实现，以及它们的内涵和相互关系。在讨论计算机系统软、硬件功能取舍的原则后，简要讲述计算机系统的定量设计原理、计算机系统设计的主要任务和方法。然后讲述软件、应用、器件的发展对系统结构的影响。最后介绍计算机系统结构的并行性开发和计算机系统的分类，以便为后续各章具体讨论系统结构和组成的内容打下基础。

1.1 计算机系统的层次结构

从使用语言的角度，一台由软、硬件组成的通用计算机系统可以被看成是按功能划分的多层机器级组成的层次结构。层次结构由高到低依次为应用语言机器级、供给语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级、传统机器语言机器级和微程序机器级，如图 1-1 所示。具体的计算机系统，其层次数的多少可以有所不同。

图 1-1 计算机系统的多级层次结构

对使用某一级语言编程的程序员来讲，只要熟悉和遵守该级语言的使用规定，所编序就总能在此机器上运行并得到结果，而不用考虑这个机器级是如何实现的。就好像该程序员有 了一台可以直接使用这种语言作为机器语言的机器一样。这里,"机器"被定义为能存储 和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体。实际上,只有二进制机器指令,即传统 所讲的机器语言与机器硬件直接对应,方可直接被硬件识别和执行。

各机器级的实现采用翻译技术或解释技术，或者是这两种技术的结合。翻译(Trans-lation )技术是先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成低_级机器 级上等效的程序,然后在低一级机器级上实现的技术。解释(Interpretation)技术则是在 低级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能,是通过 对高级机器级语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。

应用语言虚拟机器级M5是为满足专门的应用设计的。使用面向某种应用的应用语言(L5 )编写的程序一般是通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,甚至微指令语言(L0 )程序解释实现。汇编语言(L3)源程序则是先用汇编程序整 个将它变换成等效的二进制机器语言(L1)目标程序,再在传统机器语言机器级Ml上实现。 操作系统程序虽然已经发展成用高级语言(如C语言)编写，但最终还是要用机器语言程 序或微指令程序来解释。它提供了传统机器语言机器级Ml所没有,但为汇编语言与高级语 言使用和实现所用的基本操作、命令及数据结构。例如，文件管理、存储管理、进程管理、 多道程序共行、多重处理、作业控制等所用到的操作命令、语句和数据结构等。因此，操作 系统机器级M2放在传统机器语言机器级Ml和汇编语言机器级M3之间是适宜的。传统 机器语言机器级Ml采用组合逻辑电路控制,其指令可直接用硬件来实现，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。