計算機系統體系結構的層次設計分析

李禮

摘要：計算機系統體系結構的層次設計是一項非常復雜的工程，文章對計算機系統體系結構層次設計的原則、機制和路徑分別進行分析，確保計算機系統能夠高效運作，同時便于系統開發與后期的維護。

關鍵詞：計算機系統；層次設計；結構

1計算機系統體系結構層次設計的含義

計算機系統體系結構層次設計是指層次結構設計。所謂層是指計算機系統體系結構當中一組或一個功能或某些方面類似的模塊的集合，集合內的功能模塊之間可以交互，層與層外部通過層的接口相連。層次則是指一組或一個層以及層之間的交互式模塊集合。層次與層在概念上類似，但在層的動機和觀察方法以及對己知系統的劃分有所不同。層次研究的是對象系統中的體系結構，層次規定了不同層之間的連接規則、連通性以及連接的邏輯。計算機系統體系結構的層次設計一般包括層次結構模型的設計、層次跨層的設計、層次構建的設計和層次覆蓋的設計4個方面。

2計算機系統體系結構層次設計的原則

2.1簡化原則

簡化原則是層次設計的首要原則。系統層次結構設計在很大程度上可以幫助系統測試驗證，其設計的初衷就是要簡化系統結構。層次結構設計與模塊化設計相似，需要將整個計算機系統劃分層次，從而確保每個層次及層次之間都變得更加簡單?？梢姡瑢哟卧O計就是為了使計算機系統的認知、維護、驗證、測試與優化等工作都變得更加的簡單方便。因此，基于這些方面，在層次設計過程中務必采用簡化原則，將每個層次的功能與資源進行簡化，降低層次設計過程中的復雜性。

2.2效率原則

計算機系統體系結構層次設計除了遵循簡化原則以外，還必須遵循效率原則。不能為了使系統結構的設計與維護變得更加簡單，就犧牲效率。事實上，在進行計算機系統體系結構設計時，必須要考慮計算機系統運行的可靠性與性能，確保計算機系統能實現其設計目的中的效率。效率的提高主要表現在層次之間的覆蓋設計和跨層設計當中，要將各層次間的接口以及接口間的鏈接設計，這個設計就必然使得計算機系統體系結構變得更加復雜，但是卻能提高系統的效用。

因此，在層次設計中需要綜合權衡簡化原則與效率原則。不能為了單純的簡單而犧牲系統的效率，而是應該在保證系統效率的情況下確保系統結構的最簡化。

3計算機系統體系結構層次設計的機制

層次設計的兩種基本機制包括虛擬映射機制和抽象映射機制。將原平面p到目的平面/^的映射表示為，虛擬映射機制表示為，抽象映射機制表示為r；。目的平面只能是邏輯平面，而原平面則既可以是邏輯平面也可以是物理平面。兩種基本的映射機制相互組合和疊加可以形成更多的層次結構設計的方法與模型。根據原平面與目的平面的結構變換等可以演化出另外3種基本的映射機制：變換映射、歸一映射和單位映射。其中同一個平面的結構映射相同的是變換映射，可以表示為，變換映射盡管具有相同的結構，但是原平面對應和目的平面中最少有一個節點的功能與節點不同；如果原平面中對應的節點與目的平面中的節點在屬性和功能上完全一致，這種映射就叫作單位映射，也表示為；如果單點結構的平面結構映射被稱之為歸一映射，可以表示為。此處，只對兩種基本映射，即虛擬映射和抽象映射作詳細介紹。

3.1虛擬映射機制

虛擬映射機制是指將原平面結構中的某個節點實體，映射到目標平面結構中的某個子結構當中，原實體節點，中最少有一個連接由目標平面實體結構中的每一個節點來繼承。虛擬映射機制能夠實現比抽象映射機制更加復雜的功能，可以在目標平面上靈活地建立結構，原平面的一個實體店能夠映射到目標平面中的一個或多個不同或者相同的實體點鐘?？梢姡摂M映射機制是一個擴大的映射機制，從一方面來看，目標平面的結構復雜性與平面復雜性只會增加而不會降低。

虛擬映射機制是將物理觀察轉變成邏輯觀察的一個映射過程，如虛擬網絡、虛擬機都采用的是虛擬映射機制?？傮w來看，虛擬映射機制的目標包括復制、變換和隔離。在邏輯平面上同時運行生成資源的各個邏輯復制品就是復制；在邏輯平面上通過資源接口變化實現不同功能就是變換；在邏輯平面當中的每個邏輯部分之間相互隔離，互不干擾，能夠獨立的管理與運行就是隔離?？偟膩碚f，虛擬映射機制比抽象映射機制更加靈活多變，可以實現更豐富的功能。

3.2抽象映射機制

計算機系統體系結構的研究與建模離不開抽象映射機制。所謂抽象，即它忽略掉一些屬性，而對另一些特定的屬性進行抽象，即包含信息隱藏和信息忽略。對于一些解決關鍵問題的細節在數學建模當中可以忽略。對于一些與上下文和層次設計中不太重要的細節則應該采用隱藏，隱藏的細節在某個層次設計中可能不需要，但是在其他層中可能就是必須的，因此，它只是在本層中暫時被隱藏。在計算機系統體系結構的層次設計當中可以通過匯編器、編譯器以及連接器來對基本邏輯進行隱藏，而這些常見的程序設計語言都可以看作是抽象的工具。由此可見，抽象映射機制是在不改變平面結構的情況下，將原平面結構的某個子結構映射到目標平面中的某個節點實體，映射平面中可以包含多個抽象節點實體。

抽象映射機制可以簡化結構背后部件的調動，減少層與模塊之間的作用。事實上，抽象映射可以看作一個收縮映射，它能降低目標平面的結構復雜性與平面復雜性，使得目標平面結構內的層和模塊能夠靈活封裝、調用和實現原平面中的不同邏輯功能，從而使得目標平面變得更加簡潔，確保其長期運行的穩定性。

通過定義隱藏模塊以及對接口進行封裝，合理地利用抽象映射機制可以更好地隱藏相關的細節，從而優化層與模塊的交互需求。但是抽象映射機制沒有辦法實現系統層次結構的效率與性能的提高。

4計算機系統體系結構層次設計的路徑

把握好計算機系統體系結構層次設計的原則和基礎之后，就可以對計算機系統進行層次設計。當前主流的設計思路有兩種：自上而下的分解設計思路和自下而上的壓縮過程思路。

4.1自上而下的分解過程思路

分解過程是對原平面分到可接受的目標平面的映射序列，它是自上向下的一個分解過程。如經過m次映射之后可以表示為分解過程與壓縮過程類似，但映射的方式有所不同，分解映射采用的是擴張性的映射（如虛擬映射），而壓縮映射采用是壓縮方式的映射（如抽象映射）。

4.2自下而上的壓縮過程思路

自下而上的壓縮過程是指自下向上逐步進行壓縮，從一個原平面開始，逐步向上縮到可接受的目標平面上的映射序列，如經過m次映射則用公式可以表示為：

凡原平面經過3次合適的映射就可以得到目標平面，具體的變化結構如圖1所示。層次的設計需要先從目標平面的抽象整體體系開始進行層次設計，然后不斷細化，最后就可以得到整個系統的層次設計。

通常一個比較復雜的計算機系統，需要將兩種分解過程相結合，從而選擇出最優的、最容易接受的層與層次結構。對于一些比較簡單、關鍵需求明確的系統，采用壓縮過程來構建系統架構，然后再利用虛擬映射機制與抽象映射機制對其進行復雜性的改進，從中分析問題并總結經驗。分解過程的思路則需要先對原平面進行整體系統的功能規劃，然后再對其進行分組，逐步細化成為可以接受的系統。在設計過程中，應該根據系統的性質及復雜性來靈活選擇不同的方法。

5結語

計算機系統體系結構的層次設計是一項非常復雜的工程，設計好的層次結構往往還需要構建模型進行評價，最后求出最優的設計方法與思路?？偟膩砜矗嬎銠C系統體系結構層次設計應該把握好簡化與效率的原則，確保計算機系統能夠高效運作，同時便于系統開發與后期的維護。在具體的設計過程中，應根據計算機系統的復雜性、功能、效率等特點，靈活選擇分解過程思路或者壓縮過程思路。

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