計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的層次設(shè)計研究

計貽文

摘 要：計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計原理是計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中極為重要的組成部分，本文介紹了計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計現(xiàn)狀與設(shè)計原則，以期通過進(jìn)一步提升計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計質(zhì)量的方式，為更新迅速的計算機(jī)技術(shù)提供系統(tǒng)設(shè)計支持，希望能夠給讀者帶來啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)系統(tǒng);體系結(jié)構(gòu);層次設(shè)計;層次模型;層次跨層

引言：在實際使用過程中，計算機(jī)系統(tǒng)主要由軟件與硬件系統(tǒng)組成，計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)主要是指依據(jù)計算機(jī)系統(tǒng)各部分的功能對其進(jìn)行分層處理，進(jìn)一步提升系統(tǒng)運(yùn)行過程中，軟硬件系統(tǒng)功能的使用效果，現(xiàn)階段，為切實保證計算機(jī)系統(tǒng)層次設(shè)計的質(zhì)量，對體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計情況進(jìn)行分析，成為了一項極為必要的工作。

一、層次設(shè)計現(xiàn)狀

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，與計算機(jī)相關(guān)的新技術(shù)產(chǎn)生演變速度極快，但受計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層析模型與設(shè)計方法理念的發(fā)展演變速度落后于新技術(shù)這一情況的影響，計算機(jī)體系整體發(fā)展進(jìn)程無法得到飛躍式的發(fā)展。現(xiàn)階段，為切實推進(jìn)計算機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程，在進(jìn)行計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)這一整體的研究過程中，可以通過對其進(jìn)行分層設(shè)計研究的方式，降低研究工作難度，提高工作的整體質(zhì)量。但需要注意的是，在當(dāng)前計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計的過程中，受技術(shù)、非技術(shù)因素的影響，計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計在不同的應(yīng)用環(huán)境中，形成了多種多樣的體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計概念、技術(shù)與結(jié)構(gòu)。

（一）層次模型設(shè)計

在進(jìn)行計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次模型設(shè)計的過程中，首先，要明確系統(tǒng)的具體特征，對其進(jìn)行數(shù)學(xué)模型描述、建模;其次，以構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型為依據(jù)，對系統(tǒng)進(jìn)行條件約束;最后，依據(jù)約束再對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)，從而得到更為準(zhǔn)確地系統(tǒng)性質(zhì)結(jié)論。在實際應(yīng)用過程中，層次模型設(shè)計工作主要以應(yīng)用為主，模型可以分成層次描述與層次量化兩種，其中層次描述模型屬于對層次結(jié)構(gòu)模型的直觀表達(dá)，層次量化模型則是對系統(tǒng)屬性進(jìn)行建模分析、資源配置與優(yōu)化的系統(tǒng)模型。

（二）層次結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進(jìn)行計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，設(shè)計主要通過多層次結(jié)構(gòu)中的某一層或多層子結(jié)構(gòu)的核心功能進(jìn)行較少模塊抽象劃分，并保證劃分的模塊間并不存在交互的方式，保證層次結(jié)構(gòu)不僅可以滿足高級行為的需求，還能對下層不同技術(shù)進(jìn)行有效地匹配。需要注意的是，在層次結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用中，由于經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計的構(gòu)建層結(jié)構(gòu)相對較窄，類似于沙漏形狀，因此在設(shè)計過程中可以通過對交互結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計的方式，實現(xiàn)高層面向應(yīng)用模塊、低層面向資源與通信模塊的有效發(fā)展，進(jìn)而切實提高系統(tǒng)操作獨(dú)立性、降低系統(tǒng)因?qū)哟文K間復(fù)雜交互而出現(xiàn)故障的概率。舉例來說，在進(jìn)行計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計算體系結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，由于這一體系結(jié)構(gòu)屬于層析結(jié)構(gòu)，因此，在設(shè)計過程中可以應(yīng)用層次結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。具體來說，網(wǎng)格計算體系結(jié)構(gòu)包括構(gòu)造層、連接層、資源層、匯集層、應(yīng)用層，在具體應(yīng)用過程中，為便于資源共享，網(wǎng)格計算體系結(jié)構(gòu)中的資源層與連接層主要是由資源與鏈接協(xié)議構(gòu)成，這種情況的存在使得在對這兩層協(xié)議模塊進(jìn)行簡化時，可以通過部署在構(gòu)造成的資源進(jìn)行實現(xiàn)，進(jìn)而令匯集層可以更好地為用戶與應(yīng)用需要服務(wù)[1]。

（三）層次跨層設(shè)計

層次跨層設(shè)計主要是指在系統(tǒng)各層次結(jié)構(gòu)間，建立新的虛擬交互關(guān)系，但需要注意的是，由于在計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的構(gòu)成中，相鄰層次結(jié)構(gòu)定義了嚴(yán)格具有層次結(jié)構(gòu)關(guān)系的接口服務(wù)，很少允許不相鄰層次間的直接交互，因此，在應(yīng)用層次跨層設(shè)計的過程中，為保證特定層次可以為其他層次提供內(nèi)部接口，那么就需要打破系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原本的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于不相鄰層次進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。現(xiàn)階段，在應(yīng)用層次跨層設(shè)計的過程中，為實現(xiàn)系統(tǒng)性能的提升，可以通過對中心化跨層聯(lián)合優(yōu)化問題進(jìn)行求解的方式，對系統(tǒng)的特定屬性進(jìn)行強(qiáng)化。同時，在進(jìn)行計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次跨層設(shè)計的過程中，為保證設(shè)計的有效性，對于特定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，跨層次設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)需要進(jìn)行進(jìn)一步的完善。舉例來說，在對無線網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行跨層次設(shè)計的過程中，為保證系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化的質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)利用層次跨層設(shè)計對系統(tǒng)無線鏈路不可靠特性、無信號通道的廣播特性等特性，進(jìn)行進(jìn)行一步的改進(jìn)。

（四）層次覆蓋設(shè)計

在進(jìn)行計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次覆蓋設(shè)計的過程中，設(shè)計可以以邏輯平面的虛擬節(jié)點(diǎn)與虛擬鏈接組成虛擬結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)可以看作是對層次結(jié)構(gòu)層中某一內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象，虛擬得出的簡化視圖，在實際設(shè)計過程中，可以使共存異構(gòu)層次體系結(jié)構(gòu)，脫離計算機(jī)系統(tǒng)的固有限制。并且，為進(jìn)一步提升系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，可以通過允許異構(gòu)虛擬結(jié)構(gòu)在共享物理層面上共存，并由層次覆蓋對其提供差異化設(shè)計的方式，在保證系統(tǒng)安全性的同時，降低系統(tǒng)的管理難度。

二、層次設(shè)計的原則

對當(dāng)前的計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計情況進(jìn)行分析后，可以將其原則歸納為簡化系統(tǒng)與提高效率兩部分，在設(shè)計過程中，設(shè)計機(jī)制主要可以分成對系統(tǒng)進(jìn)行抽象或虛擬兩種，實現(xiàn)路徑可以分成系統(tǒng)的壓縮與分解兩種。具體來說，簡化是系統(tǒng)層次設(shè)計的首要原則，這一原則與系統(tǒng)的模塊化設(shè)計原則相類似，都是通過對系統(tǒng)整體進(jìn)行層次化劃分的方式，簡化系統(tǒng)各層次間的關(guān)系，便于系統(tǒng)后續(xù)的認(rèn)知驗證、維護(hù)與優(yōu)化。在實際應(yīng)用過程中，層次構(gòu)件設(shè)計就是簡化原則的體現(xiàn)，而層次跨層設(shè)計與層次覆蓋設(shè)計則是通過提高各層次接口復(fù)雜度的方式，提高系統(tǒng)的使用效率，這兩種設(shè)計方式主要是效率原則的體現(xiàn)?，F(xiàn)階段，在進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主觀復(fù)雜性與客觀復(fù)雜性分析的過程中，可以將簡化與效率原則對應(yīng)到復(fù)雜性分析當(dāng)中。此外，在進(jìn)行系統(tǒng)的層次設(shè)計過程中，可以將其看做是平面與平面的映射，這種情況展現(xiàn)了設(shè)計機(jī)制中的抽象與虛擬機(jī)制[2]。

結(jié)論：總而言之，為保證計算機(jī)功能的正常應(yīng)用，計算機(jī)的系統(tǒng)往往由眾多相互連通的層與子系統(tǒng)構(gòu)成，并且受計算機(jī)各系統(tǒng)功能相互交互的影響，這些層與子系統(tǒng)之間的交互模式也極為復(fù)雜，面對上述情況，為保證計算機(jī)系統(tǒng)整體工作的正常性，對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行專業(yè)化的層次設(shè)計，成為切實保證計算機(jī)實用性的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐洪位.解析計算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)層次設(shè)計關(guān)鍵性技術(shù)[J].信息通信，2019（5）：181-182.

[2]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）：44-44.