計算機系統體系結構層次設計研究

崔 妍

（哈爾濱鐵道職業技術學院，哈爾濱 150060）

計算機系統的基本結構可以分為軟件和硬件兩部分。計算機系統層次劃分就是按照計算機軟硬件的運行原理和功能進行分層，以提高計算機系統設計質量為目的，實現系統軟件、硬件、功能的有機結合。計算機系統層次結構在經過多年的研究和實踐后，業界總結了一些層次劃分和設計的基本原則，在不同類型的軟件項目中得以應用。隨著新技術的不斷涌現，計算機系統層次結構也在不斷改進和發展。

1 計算機系統體系層次結構

隨著硬件系統、程序設計語言、網絡環境等計算機技術的不斷發展，計算機系統體系層次結構也在不斷進化，目前被廣泛應用的計算機系統體系層次結構由低向高分為：

（1）微程序語言層級

系統開發人員在此層次使用微程序指令來構建計算機硬件結構，實現不同元部件的控制和計算，主要功能包括存儲器、運算器、機器時鐘等。

（2）機器語言層級

系統開發人員利用機器語言指令集編寫的解釋性語言來實現硬件編程和機器控制，主要功能包括內存尋址、計數器、I/O 操作指令等。

（3）操作系統層級

操作系統層利用一個軟件平臺進行軟硬件資源統籌管理，實現硬件系統功能的拓展和延伸，也為更高級的應用軟件提供I/O 控制、文件系統、網絡、交互界面等功能支持。

（4）匯編語言層級

系統開發人員使用匯編語言指令集來實現基于自然語言的程序，用助記符代替機器指令的操作碼，匯編語言的指令還受到操作系統平臺的限制。

（5）高級語言層級

高級語言建立在程序編譯的基礎上，使用自然語言編寫后進行解釋、翻譯執行，編譯后的程序會逐級向下至硬件系統，由硬件系統來執行。

（6）應用程序層級

應用程序是以功能實現為目標的一個或一類程序的統稱。應用程序使用高級語言編寫，其運行還要滿足操作系統平臺的要求。

計算機系統體系層次結構的劃分標準并不惟一，每個層次的功能也不是獨立的，不同的軟硬件平臺也會造成劃分層次的不同。例如操作系統可以實現軟硬件之間的控制和文件系統，數據庫軟件也可以實現文件管理的功能，但數據庫屬于應用程序級別而不是操作系統級別。

現行的計算機系統體系層次結構劃分標準是基于馮氏存儲模型設計的，即硬件操作指令是按照串行相關性機理運行。盡管多年來眾多國家和科研機構的科學家都在研究多值理論，但至今計算機系統仍沒有突破二進制理論體系，沒有擺脫寄存器結構的束縛。在馮諾依曼體系中，存儲模型是以空間或時間的消耗為代價來實現工作的，這從本質上就限制了信息處理能力的提升。因此，目前計算機系統體系層次結構無論使用什么語言和硬件系統，其本質的屬性都是馮諾依曼結構，所以存在固有的缺陷是在所難免的。目前提高計算機系統信息處理能力的主要方式就是提高硬件性能和優化算法時間和空間復雜度。

2 計算機系統層次結構設計原則

在計算機系統6層結構的基礎上，在軟硬件設計過程中還要針對不同結構進行技術選擇、邏輯設定、接口設計等層次結構工作，其基本原則包括：

（1）確定性原則

系統層次結構的設計就是對整個系統的功能、性能、接口和數據結構進行定量、定性的描述，讓參與系統開發的相關人員明確各個層次的功能和總體要求。因此，在進行層次結構設計時要明確各個層次的組織架構，以開發團隊實際情況為出發點，對各層次的參與人員、設計目標、上下層關系等內容進行明確的描述和分析。層次結構確定之后，才能以此為基礎進行后續的系統分析、設計、實現、測試、部署、優化和運維等工作。

（2）高效性原則

層次結構設計的意義就是提高開發效率，既不能一味追求效率而降低系統性能，也不能將層次結構設計的過于復雜而降低了開發效率。要以事無巨細的態度對層次結構進行優化，降低后續問題出現的可能性，合理安排層次覆蓋順序，建立層次結構之間的連接通道和接口。盡量降低層次之間的耦合度，保證各層次的高效開發和系統運行的健壯性。

3 計算機系統層次結構設計方法

（1）模型法

模型法主要針對軟件系統的特征條件進行設計，以概念模型的方式來設定層次結構。模型法是以問題為導向，設計解決問題的基本模型，根據系統特征設定模型的約束條件后進行綜合推導，計算的過程和結果就是系統層次結構設計的分層和結論。

（2）構件法

構件法是指將系統的主要功能單獨設計成為構件組成一個層次，構件層與非構件層之間以指令集和數據接口的方式交互，并且構件與構件之間相對獨立。構件法的目的就是提高系統核心功能的性能，降低模塊之間的耦合性。

（3）跨層法

跨層法是指在不相鄰層次之間以接口或服務的形式構建的交互過程，以達到提高系統性能的目的。跨層法創建了不同層次之間的虛擬交互關系，比如在無線網這一系統結構中，無線鏈路的不可靠特征、無線介質的通信移動特征、無線信道廣播特征等都是通過跨層設計的方式進行改進的。

4 結束語

計算機系統體系結構層次設計是計算機技術、通信技術、網絡應用等信息技術發展的重要組成部分。現有的計算機系統體系結構層次設計原則和量化標準為系統設計和開發提供了層次結構設計的基本方法，但層次結構機制的內涵機制還要根據系統的功能特征來決定。隨著更多新技術的涌現，計算機系統體系結構層次設計也要不斷優化系統結構才能使得新技術的優勢得以發揮。