計算機系統體系結構層次設計關鍵性技術綜述

姚惠慧

摘要：在信息化時代，計算機逐漸走進大眾的生活，并深入到群眾生活的方方面面，但大眾對計算機系統的體系結構并不了解，本文將針對計算機系統的體系結構層次進行介紹，并探索研究層次設計中的關鍵性技術。

關鍵詞：計算機系統;體系結構層次;設計;關鍵性技術

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）21-0120-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

計算機系統的結構層次設計問題是決定計算機系統體系結構的關鍵，隨著科技的發展和對計算機的廣泛使用，從業人員對設計原則進行了相關總結，并對其進行了踐行實施，如在設計數據庫、網絡體系結構及云計算等軟件上進行了使用[1]。在此基礎上，本文將針對計算機的系統結構層次的特點，具體介紹計算機系統結構層次的設計方法。

1計算機系統體系層次結構介紹

計算機系統體系層次結構主要有5個：

微程序設計級：該級編程工具為硬件編寫指令，從而驅動硬件進行工作，編程人員使用微指令編寫微程序，由硬件直接執行。

傳統機器級：該級編程工具為計算機的系統語言指令集，系統開發人員通過系統語言進行開發編寫計算機程序，并利用微程序去編譯執行。

操作系統級：該級編程工具為使用計算機時最基礎的軟件，其操作功能主要用來管理軟件，并將系統資源進行分配和拓展。

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行執行。

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

2 計算機系統體系層次設計的原則

2.1 簡化原則

系統層次結構的設計的最根本的目的是讓計算機簡單快捷，操作簡便，功能強大，速度快速，從而來推動系統的測試驗證工作。系統的層次結構設計首先需要進行系統層次的布局，按照系統功能要求和自身特點進行分層處理，從而使得計算機系統在維修、開發、測試、優化等各個方面均呈簡單化。

2.2效率原則

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

3計算機系統體系層次設計的機制

計算機系統的體系層級設計主要有虛擬映射和抽象映射兩種機制。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系需使用不同的符號進行表示。具體可以表示為[P'=ΓP]，其中用[ΓV]表示虛擬映射機制，用[Γa]表示抽象映射機制。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制，對結構層次進行設計，其設計的方法和設計的模型具有多樣化的特點，而這兩種映射機制也可以通過不同類型的方式結成不同的層次，例如組合或疊加等等。

3.1虛擬映射機制

從定義角度進行分析，這一映射機制需以原來的平面結構作為基礎，指定一個節點實體，并將這個節點實體映射到目標平面的結構上。而目標平面結構的某一個子結構經過映射后，原來的實體節點需有一個連接點，這一連接點由目標平面的實體結構當中的某一個點進行集成。虛擬映射機制功能強大，相比于抽象映射機制來說，此映射機制能夠實現更加復雜的功能，且有足夠的靈活性，除此之外，在整個結構體系當中進行目標平面的構建工作也具有更為便捷性的特點。在這樣的機制下，進行一系列的管理工作時的原平面當中的實體點，能夠更好地映射到目標平面當中，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制可以起到復制、變換以及隔離的效果。復制過程是指在邏輯平面上，對運行以及生成的資源進行邏輯復制的過程。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行深入的研究，從而達到不同的功能。隔離則是指在相應的邏輯平面上對每一個邏輯部分相互隔離時期，互不干擾，可以進入到獨立管理及獨立運行的狀態。虛擬映射機制具有較強的功能，且靈活多變[4]。

3.2 抽象映射機制

這一映射機制在計算機系統的體系層次結構設計中必不可少，抽象指的就是在不考慮一些特點的情況下，對另一些特點進行抽象化處理，從而實現信息的可選擇性，對于一些解決關鍵問題的細節在數學建模中可直接忽略。隱藏對于一些和上下文和層次設計中不太重要的細節。在計算機系統體系層次設計中，層級之間的設計是非常關鍵的，層與層之間的關系也決定著整個系統結構的簡化和效率，在設計過程中，運用抽象概念進行層級之間的設計，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，或者設計某些規則，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出指令后，隱藏的信息就重新出現等，這些抽象方式都是在平時的設計中經常使用的。為此，抽象映射機制可以實現不對平面結構進行改變，在進行具體操作的過程中，需對原平面結構G（P）的相關內容進行深入了解，并且將原結構當中的某個子結構映射到目標平面當中的某個節點實體上，而這一映射平面包含的節點實體具有多個抽象性的特點，這一映射機制的過程可以進行簡化處理。降低平面的復雜性，從而使得層級之間的靈活性提高，以此保證系統的長期穩定運行。

4計算機系統體系層次設計的思路

4.1 構建結構層次設計模型

需結合設計對象的特點來搭建體系層次模型，且通過相關制約條件對模型進行推演修改，從而得到與所需的設計對象相符的設計模型。如下圖1所示，計算機的系統體系層次設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計

在進行計算機系統的體系層次設計中，普遍的設計思路就是將平面進行分解，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行分解，逐漸向下層分解展開，然后將整個平面分解成系統需求的最小的目標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]。在設計中，設計人員可以選擇兩種映射方式，但是在此設計思路下，設計人員應該選擇更加靈活、功能更加強大的虛擬映射。下面我們將介紹壓縮的設計思路，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計

另外一種設計思路指的是壓縮過程設計，這種設計思路是和分解設計具有相反的設計過程，其是從底層出發，逐層向上進行壓縮，然后將整個平面分解成系統需求的最小的目標平面組成的映射序列，如經過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經過三次壓縮就能夠得到所需的目標平面，如下圖所示。

計算機系統體系層次結構的設計過程是個非常細致的過程，從目標平面出發，進行抽象處理，然后對整個系統進行層次處理，經過不斷的細節化處理后，最終才能夠設計出整個計算機系統的體系層次結構。在平常的計算機體系結構層次設計中，設計人員面對的都是相對復雜的完整系統，在具體設計時，首先需搭建有著計算機系統本身特點的設計模型，然后結合兩種設計思路，通過分解過程和壓縮過程的設計，選擇出一個最適合當前系統需的設計方案。具體設計工作中，對于一些比較簡單、關鍵需求明確的系統，一般可以采用上面提到的自下而上的壓縮過程設計思路，然后結合兩種映射機制進行結構簡化，降低層次之間的復雜度，從而更好更快地設計出特定目標所需的體系層次結構[6]。

5 計算機系統體系層次設計分析-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系統體系層次設計進行分析，其年發行量達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，新訂戶增進訂閱這兩種情況，而應用數據庫后，訂戶和快遞員實現了每日投遞份數統計、信息查詢及基本信息錄入。根據本文設計方法，將提供的數據庫開發工具對數據庫層次化結構進行設計，如表1為基本信息表：

據表1得知，數據庫由四個層次結構組成，即訂戶、投遞員、日投遞總份數和月投遞總份數，其共同字段為段道號;段道號在投遞員信息中所對應的是每位投遞員的工號;段道號在訂戶信息中所對應的是日投遞份數區域。

與傳統方法對比，本文層次化結構設計方法，試驗環境為1.86GHz的雙核cPu，內存為2G，其應用數據約有20萬條，直接在應用數據庫的數據體中提取訂戶段道號數據，記錄提取情況，表2為具體實驗結果：

據表2實驗結果可知，本文方法提取平均時間為24.933ms，而傳統方法提取平均時間為277.760ms，經對比，本文方法提取平均時間明顯減少252.827ms，明顯減少了數據提取時間。

6 總結

綜上所述，筆者重點介紹了計算機系統體系層次結構在設計過程中需的思路，希望有關設計人員可以根據這些內容更好地理解計算機系統體系層次結構的設計工作，在具體的設計過程中，認真實踐，總結經驗，從而使我國的計算機系統體系層次結構設計技術得到更深層次的發展，在社會上引起更深遠的影響。

參考文獻：

[1] 崔妍.計算機系統體系結構層次設計研究[J].數字通信世界，2020（6）：80-81.

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

[3] 徐坤.新媒體環境下計算機系統體系結構及層次設計探究[J].數碼設計（下），2019（10）：14.

[4] 劉巖.計算機系統體系結構層次設計技術探討[J].信息系統工程，2018（7）：44.

[5] 朱韞哲.計算機系統體系結構層次設計研究[J].信息與電腦（理論版），2018（23）：110-111.

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

【通聯編輯：光文玲】