网络与并行计算机,并行计算机系统结构网络版 白中英,杨旭东编著.pdf
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第一章 计算机系统结构的相关概念
本 章介 绍计 算机 系 统 的有 关术语 ,计算 机 系 统结构 与技术 的关系 ,系统 结构 的定量
分 析 技 术 ,系 统 结 构 的并 行 性 发 展 。重 点 是 : 计算 机 系 统 的层 次结构 、计 算机 系 统结
构 、计算机 组 成 、计算机 实现 三者 的定义及其关 系 ; 透 明性 、局部性原理 、 和
定 义 ; 定 律 ; 性 能 公 式 。
系统结构 的有关术语
计算机系统 的层次结构
现代计算机系统是硬件 固件和软件组成 的十分复杂 的系统 。为 了对这个系统进行描
述 、分析、设计和使用 ,人们从不 同的角度提 出了观察计算机 的观点和方法 。其 中常用
的一种方法 ,就是从机器语言的角度 出发,把计算机系统按功能划分成多级层次结构 ,
如图 所示 。
图 计算机系统 的多级层次结构
计算机 的语言可分成一系列的层次级 ,最 内层级语言的功能最简单 ,最外层级语言
的功能最强 。对于用某一层级语 言编写程序 的程序员来说 ,他一般不管其程序在机器 中
是如何执行 的,只要程序正确 ,他就能得到预期 的结果 。这样 ,对这层语言的程序 员来
说 ,他似乎有 了一种新 的机器 ,这层语 言就是这种机器 的机器语言,该机器能执行用该
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层语 言编写的全部程序 。因此 ,计算机系统就可 以按语 言的功能划分成多层次结构 ,每
一层以一种不同的语言为特征 。
最 内层的 级是硬联逻辑级 。这一级 由门、触发器等逻辑 电路组成 ,它是 由逻辑
设计员采用布尔语言设计的硬件 内核 。
级是微程序机器级 。这一级 的机器语 言是二进制编码 的微指令集 。程序 员用微
指令编写的微程序 由固件 /硬件来解释实现。 级的机器语言是二进制语言。
级是传 统机器级 。这一级 的机器语 言是机器指令集 。程序 员用机器指令集编写
的程序可 以由 级微程序进行解释 ,也可直接采用 级硬联逻辑进行解释 。这个解
释程序运行在 级上 。
级是操作系统虚拟机 。这一级机器语 言 中的多数指令是传级机器级指令 。此外
还提供操作系统级指令 ,如打开文件 、读 /写文件 、关 闭文件等指令 。用这一级语 言编
写的程序 ,若与 级指令相 同则 由微程序解释 ,而操作系统级指令则 由操作系统进行
解释 。操作系统是运行在 级上 的解释程序 。
级是汇编语言虚拟机 。这一级的机器语言是汇编语言 。用汇编语言编写的程序 ,
首先翻译成 级和 级语 言 ,然后再 由相应 的机器执行 。完成汇编语 言翻译 的程序
称作汇编程序 。
级是高级语 言虚拟机 。这一级 的机器语 言是各种高级语 言 。 目前高级语 言 已有
上百种 ,如 + 等 。用这些语 言所编写 的程序一般 由称为编译程序
、
的翻译程序翻译到 级或 级上 。个别高级语言如 编写的程序采用解释 的方
法实现 ,即用解释程序翻译到 级或 级 。
最外层的 级是应用语言虚拟机 。这一级是为使计算机满足某种用途而专 门设计
的,因此这一级语言就是各种面 向问题 的应用语言 。为此可 以设计专 门用于人工智能、
教育 、管理 、计算机设计等领域 的虚拟机 ,这些虚拟机也是 当代计算机应用领域 的重要
研究课题 。用应用语言编写的程序一般 由应用程序包翻译到
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