計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計關(guān)鍵性技術(shù)綜述

姚惠慧

摘要：在信息化時代，計算機(jī)逐漸走進(jìn)大眾的生活，并深入到群眾生活的方方面面，但大眾對計算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)并不了解，本文將針對計算機(jī)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行介紹，并探索研究層次設(shè)計中的關(guān)鍵性技術(shù)。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)系統(tǒng);體系結(jié)構(gòu)層次;設(shè)計;關(guān)鍵性技術(shù)

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0120-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

計算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次設(shè)計問題是決定計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，隨著科技的發(fā)展和對計算機(jī)的廣泛使用，從業(yè)人員對設(shè)計原則進(jìn)行了相關(guān)總結(jié)，并對其進(jìn)行了踐行實施，如在設(shè)計數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及云計算等軟件上進(jìn)行了使用[1]。在此基礎(chǔ)上，本文將針對計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次的特點，具體介紹計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計方法。

1計算機(jī)系統(tǒng)體系層次結(jié)構(gòu)介紹

計算機(jī)系統(tǒng)體系層次結(jié)構(gòu)主要有5個：

微程序設(shè)計級：該級編程工具為硬件編寫指令，從而驅(qū)動硬件進(jìn)行工作，編程人員使用微指令編寫微程序，由硬件直接執(zhí)行。

傳統(tǒng)機(jī)器級：該級編程工具為計算機(jī)的系統(tǒng)語言指令集，系統(tǒng)開發(fā)人員通過系統(tǒng)語言進(jìn)行開發(fā)編寫計算機(jī)程序，并利用微程序去編譯執(zhí)行。

操作系統(tǒng)級：該級編程工具為使用計算機(jī)時最基礎(chǔ)的軟件，其操作功能主要用來管理軟件，并將系統(tǒng)資源進(jìn)行分配和拓展。

匯編語言級：該級編程工具為匯編語言指令集，利用匯編語言編寫程序，利于理解和記憶。

高級語言級：該級編程工具為各種各樣的高級語言，例如C++、C#、C、Java語言等，編寫出的源程序均需交由底層的硬件進(jìn)行執(zhí)行。

通過對計算機(jī)系統(tǒng)這5個結(jié)構(gòu)層次的介紹可以發(fā)現(xiàn)，從不同的層次出發(fā)，會認(rèn)識到計算機(jī)系統(tǒng)的不同方面。例如軟件開發(fā)人員最先關(guān)注的是高級語言級，系統(tǒng)的操作人員最關(guān)注的第三層的匯編語言級，這些是從事軟件工作的人關(guān)注的，而硬件工作者會關(guān)注傳統(tǒng)機(jī)器級。計算機(jī)系統(tǒng)體系層次結(jié)構(gòu)之間相互依賴，相互成就，高層和低層都有其不可替代的作用，高層可以使計算機(jī)系統(tǒng)的功能更加豐富，而低層則是整個計算機(jī)系統(tǒng)的運行基礎(chǔ)[2]。

2 計算機(jī)系統(tǒng)體系層次設(shè)計的原則

2.1 簡化原則

系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計的最根本的目的是讓計算機(jī)簡單快捷，操作簡便，功能強(qiáng)大，速度快速，從而來推動系統(tǒng)的測試驗證工作。系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計首先需要進(jìn)行系統(tǒng)層次的布局，按照系統(tǒng)功能要求和自身特點進(jìn)行分層處理，從而使得計算機(jī)系統(tǒng)在維修、開發(fā)、測試、優(yōu)化等各個方面均呈簡單化。

2.2效率原則

除簡化原則外，計算機(jī)本身還需追求效率，若想提高計算機(jī)的運行效率，就必須從計算機(jī)的五個層次出發(fā)，在了解每個層級的基礎(chǔ)上，追求層級之間的覆蓋設(shè)計和跨層設(shè)計，提高計算機(jī)的運行效率[3]。

3計算機(jī)系統(tǒng)體系層次設(shè)計的機(jī)制

計算機(jī)系統(tǒng)的體系層級設(shè)計主要有虛擬映射和抽象映射兩種機(jī)制。將這兩個平面分成原平面和目的平面，使用P和P[']表示。這兩個平面間的映射關(guān)系需使用不同的符號進(jìn)行表示。具體可以表示為[P'=ΓP]，其中用[ΓV]表示虛擬映射機(jī)制，用[Γa]表示抽象映射機(jī)制。P[']為邏輯平面，也可表示物理平面。利用這兩種類型的映射機(jī)制，對結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行設(shè)計，其設(shè)計的方法和設(shè)計的模型具有多樣化的特點，而這兩種映射機(jī)制也可以通過不同類型的方式結(jié)成不同的層次，例如組合或疊加等等。

3.1虛擬映射機(jī)制

從定義角度進(jìn)行分析，這一映射機(jī)制需以原來的平面結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，指定一個節(jié)點實體，并將這個節(jié)點實體映射到目標(biāo)平面的結(jié)構(gòu)上。而目標(biāo)平面結(jié)構(gòu)的某一個子結(jié)構(gòu)經(jīng)過映射后，原來的實體節(jié)點需有一個連接點，這一連接點由目標(biāo)平面的實體結(jié)構(gòu)當(dāng)中的某一個點進(jìn)行集成。虛擬映射機(jī)制功能強(qiáng)大，相比于抽象映射機(jī)制來說，此映射機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜的功能，且有足夠的靈活性，除此之外，在整個結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中進(jìn)行目標(biāo)平面的構(gòu)建工作也具有更為便捷性的特點。在這樣的機(jī)制下，進(jìn)行一系列的管理工作時的原平面當(dāng)中的實體點，能夠更好地映射到目標(biāo)平面當(dāng)中，并且映射成為一個或者多個相同甚至不同的實體點上。從上文分析的特點中，可以看出虛擬映射機(jī)制可以起到復(fù)制、變換以及隔離的效果。復(fù)制過程是指在邏輯平面上，對運行以及生成的資源進(jìn)行邏輯復(fù)制的過程。病的患者是指在一個邏輯平面上，對不同類型的資源接口變化進(jìn)行深入的研究，從而達(dá)到不同的功能。隔離則是指在相應(yīng)的邏輯平面上對每一個邏輯部分相互隔離時期，互不干擾，可以進(jìn)入到獨立管理及獨立運行的狀態(tài)。虛擬映射機(jī)制具有較強(qiáng)的功能，且靈活多變[4]。

3.2 抽象映射機(jī)制

這一映射機(jī)制在計算機(jī)系統(tǒng)的體系層次結(jié)構(gòu)設(shè)計中必不可少，抽象指的就是在不考慮一些特點的情況下，對另一些特點進(jìn)行抽象化處理，從而實現(xiàn)信息的可選擇性，對于一些解決關(guān)鍵問題的細(xì)節(jié)在數(shù)學(xué)建模中可直接忽略。隱藏對于一些和上下文和層次設(shè)計中不太重要的細(xì)節(jié)。在計算機(jī)系統(tǒng)體系層次設(shè)計中，層級之間的設(shè)計是非常關(guān)鍵的，層與層之間的關(guān)系也決定著整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化和效率，在設(shè)計過程中，運用抽象概念進(jìn)行層級之間的設(shè)計，忽略掉一些層級的信息，從而追求整體的效率是常見的處理方式，或者設(shè)計某些規(guī)則，使得某些層的信息只是暫時忽略，某個時間段過后或者某個決策發(fā)出指令后，隱藏的信息就重新出現(xiàn)等，這些抽象方式都是在平時的設(shè)計中經(jīng)常使用的。為此，抽象映射機(jī)制可以實現(xiàn)不對平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，在進(jìn)行具體操作的過程中，需對原平面結(jié)構(gòu)G（P）的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行深入了解，并且將原結(jié)構(gòu)當(dāng)中的某個子結(jié)構(gòu)映射到目標(biāo)平面當(dāng)中的某個節(jié)點實體上，而這一映射平面包含的節(jié)點實體具有多個抽象性的特點，這一映射機(jī)制的過程可以進(jìn)行簡化處理。降低平面的復(fù)雜性，從而使得層級之間的靈活性提高，以此保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。

4計算機(jī)系統(tǒng)體系層次設(shè)計的思路

4.1 構(gòu)建結(jié)構(gòu)層次設(shè)計模型

需結(jié)合設(shè)計對象的特點來搭建體系層次模型，且通過相關(guān)制約條件對模型進(jìn)行推演修改，從而得到與所需的設(shè)計對象相符的設(shè)計模型。如下圖1所示，計算機(jī)的系統(tǒng)體系層次設(shè)計模型可以分為三個層級，分別為前端、中間和后端，每個層級都有其自身的特性。

4.2自上而下的分解過程設(shè)計

在進(jìn)行計算機(jī)系統(tǒng)的體系層次設(shè)計中，普遍的設(shè)計思路就是將平面進(jìn)行分解，而且是選擇先從上層開始的方式，也就是自上而下的分解過程。這一分解過程是將原平面進(jìn)行分解，逐漸向下層分解展開，然后將整個平面分解成系統(tǒng)需求的最小的目標(biāo)平面組成的映射序列。例如在映射m次后，就可以將此過程表示為[P'=ΓmΓm-1Γm-2…Γ1P=Γ0v0]。在設(shè)計中，設(shè)計人員可以選擇兩種映射方式，但是在此設(shè)計思路下，設(shè)計人員應(yīng)該選擇更加靈活、功能更加強(qiáng)大的虛擬映射。下面我們將介紹壓縮的設(shè)計思路，壓縮過程用到的映射方式是抽象映射[5]。

4.3自下而上的壓縮過程設(shè)計

另外一種設(shè)計思路指的是壓縮過程設(shè)計，這種設(shè)計思路是和分解設(shè)計具有相反的設(shè)計過程，其是從底層出發(fā)，逐層向上進(jìn)行壓縮，然后將整個平面分解成系統(tǒng)需求的最小的目標(biāo)平面組成的映射序列，如經(jīng)過m次映射后，將這一過程用公式表示為：[P'=ΓmΓm-1Γm-2…Γ1P=Γ0v0]。原平面P經(jīng)過三次壓縮就能夠得到所需的目標(biāo)平面，如下圖所示。

計算機(jī)系統(tǒng)體系層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程是個非常細(xì)致的過程，從目標(biāo)平面出發(fā)，進(jìn)行抽象處理，然后對整個系統(tǒng)進(jìn)行層次處理，經(jīng)過不斷的細(xì)節(jié)化處理后，最終才能夠設(shè)計出整個計算機(jī)系統(tǒng)的體系層次結(jié)構(gòu)。在平常的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計中，設(shè)計人員面對的都是相對復(fù)雜的完整系統(tǒng)，在具體設(shè)計時，首先需搭建有著計算機(jī)系統(tǒng)本身特點的設(shè)計模型，然后結(jié)合兩種設(shè)計思路，通過分解過程和壓縮過程的設(shè)計，選擇出一個最適合當(dāng)前系統(tǒng)需的設(shè)計方案。具體設(shè)計工作中，對于一些比較簡單、關(guān)鍵需求明確的系統(tǒng)，一般可以采用上面提到的自下而上的壓縮過程設(shè)計思路，然后結(jié)合兩種映射機(jī)制進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，降低層次之間的復(fù)雜度，從而更好更快地設(shè)計出特定目標(biāo)所需的體系層次結(jié)構(gòu)[6]。

5 計算機(jī)系統(tǒng)體系層次設(shè)計分析-以早報訂戶信息管理為驗證實例

以早報訂戶信息管理為實例對具體計算機(jī)系統(tǒng)體系層次設(shè)計進(jìn)行分析，其年發(fā)行量達(dá)40萬份，以月度為單位表示訂閱時間，其存在老訂戶停止訂閱，新訂戶增進(jìn)訂閱這兩種情況，而應(yīng)用數(shù)據(jù)庫后，訂戶和快遞員實現(xiàn)了每日投遞份數(shù)統(tǒng)計、信息查詢及基本信息錄入。根據(jù)本文設(shè)計方法，將提供的數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具對數(shù)據(jù)庫層次化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，如表1為基本信息表：

據(jù)表1得知，數(shù)據(jù)庫由四個層次結(jié)構(gòu)組成，即訂戶、投遞員、日投遞總份數(shù)和月投遞總份數(shù)，其共同字段為段道號;段道號在投遞員信息中所對應(yīng)的是每位投遞員的工號;段道號在訂戶信息中所對應(yīng)的是日投遞份數(shù)區(qū)域。

與傳統(tǒng)方法對比，本文層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，試驗環(huán)境為1.86GHz的雙核cPu，內(nèi)存為2G，其應(yīng)用數(shù)據(jù)約有20萬條，直接在應(yīng)用數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)體中提取訂戶段道號數(shù)據(jù)，記錄提取情況，表2為具體實驗結(jié)果：

據(jù)表2實驗結(jié)果可知，本文方法提取平均時間為24.933ms，而傳統(tǒng)方法提取平均時間為277.760ms，經(jīng)對比，本文方法提取平均時間明顯減少252.827ms，明顯減少了數(shù)據(jù)提取時間。

6 總結(jié)

綜上所述，筆者重點介紹了計算機(jī)系統(tǒng)體系層次結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中需的思路，希望有關(guān)設(shè)計人員可以根據(jù)這些內(nèi)容更好地理解計算機(jī)系統(tǒng)體系層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作，在具體的設(shè)計過程中，認(rèn)真實踐，總結(jié)經(jīng)驗，從而使我國的計算機(jī)系統(tǒng)體系層次結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)得到更深層次的發(fā)展，在社會上引起更深遠(yuǎn)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔妍.計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計研究[J].數(shù)字通信世界，2020（6）：80-81.

[2] 趙琴琴.在低碳經(jīng)濟(jì)理念下的建筑裝飾設(shè)計研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2015，5（14）：4366-4367.

[3] 徐坤.新媒體環(huán)境下計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及層次設(shè)計探究[J].數(shù)碼設(shè)計（下），2019（10）：14.

[4] 劉巖.計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計技術(shù)探討[J].信息系統(tǒng)工程，2018（7）：44.

[5] 朱韞哲.計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計研究[J].信息與電腦（理論版），2018（23）：110-111.

[6] 史萌.綠色環(huán)保理念在建筑裝飾設(shè)計中的應(yīng)用[J].青年與社會，2018（35）：217.

【通聯(lián)編輯：光文玲】