第九章 软件对系统结构的影响

1、计算机系统结构计算机系统结构- -软件对系统结构的影响软件对系统结构的影响课程组课程组l计算机系统是硬件和软件有机地结合在计算机系统是硬件和软件有机地结合在一起而组成的。它们相辅相成，缺一不一起而组成的。它们相辅相成，缺一不可。现代计算机的发展，使软、硬件之可。现代计算机的发展，使软、硬件之间的相互依赖、相互支持、相互渗透更间的相互依赖、相互支持、相互渗透更为明显。为明显。l l 操作系统的操作系统的目的目的主要有两个：主要有两个：l方便用户，是用户与裸机之间的界面；方便用户，是用户与裸机之间的界面；l提高资源利用率，管理好资源的分配和提高资源利用率，管理好资源的分配和回收，合理地组织计算机系

2、统的工作流回收，合理地组织计算机系统的工作流程，使各种资源能协调有效地工作，以程，使各种资源能协调有效地工作，以完成各种应用任务完成各种应用任务。 l系统结构为操作系统奠定了物理基础，系统结构为操作系统奠定了物理基础，而操作系统使系统结构各部件的潜能得而操作系统使系统结构各部件的潜能得到充分的发挥。到充分的发挥。l系统结构的某些功能可由操作系统完成，系统结构的某些功能可由操作系统完成，而操作系统的某些管理可由系统结构体而操作系统的某些管理可由系统结构体现。操作系统的基本功能可归纳为处理现。操作系统的基本功能可归纳为处理机管理、内存管理、外部设备管理和信机管理、内存管理、外部设备管理和信息管理。

3、息管理。 l处理机管理要负责记录各个进程的状态，按处理机管理要负责记录各个进程的状态，按一定的策略把处理机分配给某个或某些进程一定的策略把处理机分配给某个或某些进程和从运行进程处收回处理机，管理进程状态和从运行进程处收回处理机，管理进程状态的变迁。的变迁。l处理机管理也称为进程管理。在进程控制块处理机管理也称为进程管理。在进程控制块的存储结构、进程优先级的处理、进程调度的存储结构、进程优先级的处理、进程调度算法的实现等方面，均可对系统结构提出支算法的实现等方面，均可对系统结构提出支持的要求。而硬件的支撑将使进程管理的效持的要求。而硬件的支撑将使进程管理的效率明显提高率明显提高。 用适当的数据结

4、构记录系统中主存储器的使用用适当的数据结构记录系统中主存储器的使用情况，按一定的策略在多道程序间分配主存情况，按一定的策略在多道程序间分配主存空间，保护主存储器中的信息不被别的程序空间，保护主存储器中的信息不被别的程序有意、无意地破坏或使用。有意、无意地破坏或使用。存储系统的层次结构、替换算法的实现、存储存储系统的层次结构、替换算法的实现、存储保护的结构、地址交换的实现等属于系统结保护的结构、地址交换的实现等属于系统结构范畴内的进展，使存储管理的方法也随之构范畴内的进展，使存储管理的方法也随之改进。改进。不同的存储分配方式将影响存储的系统结构。不同的存储分配方式将影响存储的系统结构。 l记录各

5、类设备的使用状态，按设备的特点用记录各类设备的使用状态，按设备的特点用适当的策略将设备分配给各道程序使用，并适当的策略将设备分配给各道程序使用，并提供启动设备和处理它们的中断的服务。提供启动设备和处理它们的中断的服务。l用户只需掌握操作系统提供的命令、语句和用户只需掌握操作系统提供的命令、语句和系统调用的使用方法就可以系统调用的使用方法就可以“随心所欲随心所欲”地地调用外部设备调用外部设备l为了克服外部设备和主机在速度上不匹配的为了克服外部设备和主机在速度上不匹配的缺点，使主机和外设并行工作，提高主机和缺点，使主机和外设并行工作，提高主机和外设的资源利用率，普遍使用了中断、通道、外设的资源利用

6、率，普遍使用了中断、通道、缓冲区等技术。缓冲区等技术。l文件本身的逻辑组织和存放在外存储器上的文件本身的逻辑组织和存放在外存储器上的物理组织、外存空间的分配、目录结构以及物理组织、外存空间的分配、目录结构以及对文件的操作。对文件的操作。l为了便于对信息进行管理，所有在外存中的为了便于对信息进行管理，所有在外存中的信息均以文件的形式存放。信息均以文件的形式存放。l文件系统还应提供各种保护措施，防止由于文件系统还应提供各种保护措施，防止由于各种偶然的或者人为的事故，造成对文件的各种偶然的或者人为的事故，造成对文件的损坏或泄密。损坏或泄密。l批量处理系统应用于大型科学计算，把计算程批量处理系统应用于

7、大型科学计算，把计算程序和有关的数据一起交给计算机系统，由输入序和有关的数据一起交给计算机系统，由输入设备将它们输入到主存，计算机花费大量时间设备将它们输入到主存，计算机花费大量时间进行运算，计算结果从输出设备输出。每个用进行运算，计算结果从输出设备输出。每个用户提出的一个计算任务称为一个作业，非会话户提出的一个计算任务称为一个作业，非会话型作业可以脱机进行。型作业可以脱机进行。l作业可以随时进入系统，存放在磁盘上形成作作业可以随时进入系统，存放在磁盘上形成作业队列，操作系统将按一定的策略从作业队列业队列，操作系统将按一定的策略从作业队列中取出一个或多个作业进入主存运行。结果也中取出一个或多个

8、作业进入主存运行。结果也可先存放于磁盘输出井内，待输出设备可用时可先存放于磁盘输出井内，待输出设备可用时再输出。再输出。用户将命令发给操作系统或正在运行的程序，用户将命令发给操作系统或正在运行的程序，并且能立即收到它们的响应或输出结果。并且能立即收到它们的响应或输出结果。由于系统是与人进行交互，所以系统追求的主由于系统是与人进行交互，所以系统追求的主要性能指标是响应时间（即用户发出命令到要性能指标是响应时间（即用户发出命令到开始看到输出结果的时间间隔），它应保证开始看到输出结果的时间间隔），它应保证在人可以容忍的等待时间范围内。在人可以容忍的等待时间范围内。单用户交互式系统的主机为个人计算机单

9、用户交互式系统的主机为个人计算机 将中央处理机的时间片轮流分给各个联机用将中央处理机的时间片轮流分给各个联机用户的工作方式，具有分时方式的操作系统，户的工作方式，具有分时方式的操作系统，每个用户或进程依次得到一个时间片。每个用户或进程依次得到一个时间片。 这种系统的主要性能指标与用户交互系统一这种系统的主要性能指标与用户交互系统一样，也是响应时间。这种系统的主机往往是样，也是响应时间。这种系统的主机往往是小型机、大型机等，主机速度快，主存容量小型机、大型机等，主机速度快，主存容量大，存储系统的层次结构较丰富，一般均有大，存储系统的层次结构较丰富，一般均有CacheCache。系统还具备定时部件

10、、完善的中断系。系统还具备定时部件、完善的中断系统和通道结构。统和通道结构。 l过程控制一般是指一个计算机系统对一个工过程控制一般是指一个计算机系统对一个工业生产过程进行监控，也可以扩大到环境控业生产过程进行监控，也可以扩大到环境控制制, ,参数监测等参数监测等. .这类应用的共性是反馈这类应用的共性是反馈, ,即即计算机从被控制过程得到输入，然后计算出计算机从被控制过程得到输入，然后计算出一个结果一个结果, ,，启动相应机构作出响应，以保，启动相应机构作出响应，以保持过程的稳定性。持过程的稳定性。l可靠性要求高，在任何硬件发生故障时，要可靠性要求高，在任何硬件发生故障时，要保证系统仍是安全的

11、。保证系统仍是安全的。l实时信息处理系统接收来自终端的服务实时信息处理系统接收来自终端的服务请求，在短时间内（例如几秒）对用户请求，在短时间内（例如几秒）对用户作出正确回答。事务处理的实时性还在作出正确回答。事务处理的实时性还在于使数据库及时更新，以包含最新信息。于使数据库及时更新，以包含最新信息。典型应用是机票预定、银行事务处理、典型应用是机票预定、银行事务处理、资料查询、军事指挥等方面。所以，实资料查询、军事指挥等方面。所以，实时信息处理系统的体系结构要求有很完时信息处理系统的体系结构要求有很完整的存储层次，有响应极快的中断系统，整的存储层次，有响应极快的中断系统，有完善的通道结构，有很好

12、的容错能力。有完善的通道结构，有很好的容错能力。 l网络中的各台计算机配有各自的操作系网络中的各台计算机配有各自的操作系统，网络操作系统把它们有机地联系起统，网络操作系统把它们有机地联系起来。其功能主要是提供各台计算机之间来。其功能主要是提供各台计算机之间的通信和实现网络资源共享。的通信和实现网络资源共享。l网络通信模块网络通信模块是网络操作系统和普通操是网络操作系统和普通操作系统的主要区别所在，它是本地操作作系统的主要区别所在，它是本地操作系统与网络之间的接口模块，使本地系系统与网络之间的接口模块，使本地系统中的进程能方便地、有效地使用网络统中的进程能方便地、有效地使用网络中各种资源，并且为

13、网络中其他用户使中各种资源，并且为网络中其他用户使用本地资源提供服务。用本地资源提供服务。l分布式系统是一群处理机，处理机之间分布式系统是一群处理机，处理机之间通过各种通信线路相互通信，以达到资通过各种通信线路相互通信，以达到资源共享、提高计算速度（分布式并行计源共享、提高计算速度（分布式并行计算）、提高可靠性（某个处理机故障时算）、提高可靠性（某个处理机故障时不影响整个系统正常运行）等目的不影响整个系统正常运行）等目的。l分布式系统中的处理机在容量和功能上分布式系统中的处理机在容量和功能上不尽相同，它们可以是微机、工作站、不尽相同，它们可以是微机、工作站、小型机和大型通用计算机系统。它们都小

14、型机和大型通用计算机系统。它们都有自己的局部存储器。分布范围大的可有自己的局部存储器。分布范围大的可利用电话线通信，范围小的可利用高速利用电话线通信，范围小的可利用高速总线、同轴电缆、光纤、无线信道等传总线、同轴电缆、光纤、无线信道等传输介质进行通信。输介质进行通信。 l1 进程之间通信没有公共存储器可用，需要进程之间通信没有公共存储器可用，需要通过传输介质传送消息。通过传输介质传送消息。l2 系统资源分配要考虑它们分布在多个场地系统资源分配要考虑它们分布在多个场地的特点。的特点。l3 各个处理机既能自主地管理分布于本场地各个处理机既能自主地管理分布于本场地的资源，又能接受和处理其它场地对这些

15、资源的资源，又能接受和处理其它场地对这些资源的请求，即系统资源的操作是高度自治的。的请求，即系统资源的操作是高度自治的。l4 不失时机地协调系统中各场地的负载，使不失时机地协调系统中各场地的负载，使之基本均衡，充分发挥各场地的作用，提高整之基本均衡，充分发挥各场地的作用，提高整个系统的效率。协调、平衡对用户是完全个系统的效率。协调、平衡对用户是完全“透透明的明的”。 l提高计算机系统的性能可从两种途径入手：提高计算机系统的性能可从两种途径入手：一是从提高器件开关速度上实现；另一种一是从提高器件开关速度上实现；另一种是改进计算机系统结构的处理技术。是改进计算机系统结构的处理技术。l器件技术的发展

16、是推动计算机发展的主要器件技术的发展是推动计算机发展的主要动力，也是最活跃的因素，突出地表现在动力，也是最活跃的因素，突出地表现在集成度、速度和可靠性等不断地提高。集成度、速度和可靠性等不断地提高。l从改进系统结构着手是提高处理机速度的从改进系统结构着手是提高处理机速度的重要方向。并行处理技术是改进计算机系重要方向。并行处理技术是改进计算机系统结构的关键技术。统结构的关键技术。l并行算法与并行机的关系密切。算法优劣直并行算法与并行机的关系密切。算法优劣直接依赖于并行机的体系结构。接依赖于并行机的体系结构。l最佳串行算法与最佳并行算法之间也没有必最佳串行算法与最佳并行算法之间也没有必然的联系。用

17、并行算法描述问题的并行性需然的联系。用并行算法描述问题的并行性需要并行程序设计语言和支撑并行处理的操作要并行程序设计语言和支撑并行处理的操作系统的支持。设计并行算法是很困难的。在系统的支持。设计并行算法是很困难的。在处理机很多的情况下，要把任何一个问题分处理机很多的情况下，要把任何一个问题分割成足够多的并行进程就不容易，而且也不割成足够多的并行进程就不容易，而且也不是所有问题都能做到。是所有问题都能做到。l其次是设计算法时还要考虑处理机之间的通其次是设计算法时还要考虑处理机之间的通信开销，使其尽可能短。信开销，使其尽可能短。l软件问题主要指程序设计语言、操作系统、软件问题主要指程序设计语言、操

18、作系统、编译程序和利用整个并行处理能力的程序编译程序和利用整个并行处理能力的程序设计问题，以及这些软件工具与现有软件设计问题，以及这些软件工具与现有软件工具的接口问题。它是目前影响并行机性工具的接口问题。它是目前影响并行机性能的主要障碍。由于软件好坏对性能高低能的主要障碍。由于软件好坏对性能高低的影响可相差倍，甚至可能的影响可相差倍，甚至可能高达几个数量级。高达几个数量级。 l在多机系统中，提高程序运行效率的关键是在多机系统中，提高程序运行效率的关键是既要将程序分解为足够多的进程，又要尽量既要将程序分解为足够多的进程，又要尽量减少它们之间的同步与通信开销。因此要求减少它们之间的同步与通信开销。

19、因此要求并行程序设计语言具有明确表达和抽取进程并行程序设计语言具有明确表达和抽取进程并行性的语句，以便在程序运行时提供相应并行性的语句，以便在程序运行时提供相应的控制和管理手段，如并发任务的派生、通的控制和管理手段，如并发任务的派生、通信和调度等。信和调度等。 l解决并行程序设计语言问题有两个途径：解决并行程序设计语言问题有两个途径：一是将传统串行语言原封不动地移植到一是将传统串行语言原封不动地移植到并行机上，由并行编译程序完成程序的并行机上，由并行编译程序完成程序的并行化，或者在传统串行语言中增加并并行化，或者在传统串行语言中增加并行控制语句，借助编译程序完成程序的行控制语句，借助编译程序完

20、成程序的并行化；并行化；l二是设计新的程序设计语言。开发具有二是设计新的程序设计语言。开发具有自动识别串行程序并行性能的编译程序自动识别串行程序并行性能的编译程序是解决这一问题的可能途径，尤其是现是解决这一问题的可能途径，尤其是现行语言中增加并行控制语句的方法已取行语言中增加并行控制语句的方法已取得较好效果至于设计新的语言，由于得较好效果至于设计新的语言，由于涉及与现有软件接口问题，在并行处理涉及与现有软件接口问题，在并行处理结构上继续利用人类积累的巨大软件财结构上继续利用人类积累的巨大软件财富仍然是一个悬而未决的难题。富仍然是一个悬而未决的难题。l一般指如何将一个大任务分割成可执行一般指如何

21、将一个大任务分割成可执行的多个子任务，把程序中固定有的并行的多个子任务，把程序中固定有的并行性尽可能地提取出来，以获得最快的执性尽可能地提取出来，以获得最快的执行速度。行速度。l任务分割通常由用户、编译程序实现，任务分割通常由用户、编译程序实现，或在运行时由机器实现。用户在编程时或在运行时由机器实现。用户在编程时用并行控制语句提取并行性是目前较流用并行控制语句提取并行性是目前较流行的方法，也是最原始的方法。针对循行的方法，也是最原始的方法。针对循环的并行处理是目前用得最多的，一般环的并行处理是目前用得最多的，一般将内层循环向量化，外层循环多重处理。将内层循环向量化，外层循环多重处理。 l如何把

22、一个程序的多个子任务最优地分如何把一个程序的多个子任务最优地分配到并行处理的计算机中去，从而尽可配到并行处理的计算机中去，从而尽可能地缩短并行执行时间是调度的主要内能地缩短并行执行时间是调度的主要内容，也是有效地使用大规模并行处理计容，也是有效地使用大规模并行处理计算机系统的一个关键问题。将一个程序算机系统的一个关键问题。将一个程序的相互有影响、可并行执行的多个子任的相互有影响、可并行执行的多个子任务分配给一个或多个处理机，以获得该务分配给一个或多个处理机，以获得该程序的高性能或多道程序的高利用率。程序的高性能或多道程序的高利用率。 l调度有两种：静态的或动态的。调度有两种：静态的或动态的。l

23、静态调度是根据全局信息，在编程或编译静态调度是根据全局信息，在编程或编译时把子任务分配给指定的处理机，并在运时把子任务分配给指定的处理机，并在运行时不变化。行时不变化。l静态调度的静态调度的优点优点是运行时没有调度开销，是运行时没有调度开销，特别适用于只需调度一次、程序不变而多特别适用于只需调度一次、程序不变而多次对不同数据求解的应用题目。其次对不同数据求解的应用题目。其缺点缺点是是程序运行前无法确切知道各进程的运行时程序运行前无法确切知道各进程的运行时间，从而导致系统负载不易平衡，处理机间，从而导致系统负载不易平衡，处理机利用率不高。利用率不高。l动态调度是在运行时由机器根据各个处理动态调度是在运行时由机器根据各个