计算机系统体系结构的层次设计研究

计贻文

摘 要：计算机系统体系结构层次设计原理是计算机系统体系结构设计过程中极为重要的组成部分，本文介绍了计算机系统体系结构层次的设计现状与设计原则，以期通过进一步提升计算机系统体系结构层次设计质量的方式，为更新迅速的计算机技术提供系统设计支持，希望能够给读者带来启发。

关键词：计算机系统;体系结构;层次设计;层次模型;层次跨层

引言：在实际使用过程中，计算机系统主要由软件与硬件系统组成，计算机系统的层次结构主要是指依据计算机系统各部分的功能对其进行分层处理，进一步提升系统运行过程中，软硬件系统功能的使用效果，现阶段，为切实保证计算机系统层次设计的质量，对体系结构层次设计情况进行分析，成为了一项极为必要的工作。

一、层次设计现状

近年来，随着科学技术的不断发展，与计算机相关的新技术产生演变速度极快，但受计算机系统体系结构层析模型与设计方法理念的发展演变速度落后于新技术这一情况的影响，计算机体系整体发展进程无法得到飞跃式的发展。现阶段，为切实推进计算机系统的研发进程，在进行计算机系统体系结构这一整体的研究过程中，可以通过对其进行分层设计研究的方式，降低研究工作难度，提高工作的整体质量。但需要注意的是，在当前计算机系统体系结构层次设计的过程中，受技术、非技术因素的影响，计算机系统体系结构层次设计在不同的应用环境中，形成了多种多样的体系结构层次设计概念、技术与结构。

（一）层次模型设计

在进行计算机系统体系结构层次模型设计的过程中，首先，要明确系统的具体特征，对其进行数学模型描述、建模;其次，以构建的数学模型为依据，对系统进行条件约束;最后，依据约束再对数学模型进行推导，从而得到更为准确地系统性质结论。在实际应用过程中，层次模型设计工作主要以应用为主，模型可以分成层次描述与层次量化两种，其中层次描述模型属于对层次结构模型的直观表达，层次量化模型则是对系统属性进行建模分析、资源配置与优化的系统模型。

（二）层次结构设计

在进行计算机系统体系结构层次结构设计的过程中，设计主要通过多层次结构中的某一层或多层子结构的核心功能进行较少模块抽象划分，并保证划分的模块间并不存在交互的方式，保证层次结构不仅可以满足高级行为的需求，还能对下层不同技术进行有效地匹配。需要注意的是，在层次结构设计应用中，由于经过结构设计的构建层结构相对较窄，类似于沙漏形状，因此在设计过程中可以通过对交互结构进行合理设计的方式，实现高层面向应用模块、低层面向资源与通信模块的有效发展，进而切实提高系统操作独立性、降低系统因层次模块间复杂交互而出現故障的概率。举例来说，在进行计算机系统体系结构网格计算体系结构设计过程中，由于这一体系结构属于层析结构，因此，在设计过程中可以应用层次结构设计方法。具体来说，网格计算体系结构包括构造层、连接层、资源层、汇集层、应用层，在具体应用过程中，为便于资源共享，网格计算体系结构中的资源层与连接层主要是由资源与链接协议构成，这种情况的存在使得在对这两层协议模块进行简化时，可以通过部署在构造成的资源进行实现，进而令汇集层可以更好地为用户与应用需要服务[1]。

（三）层次跨层设计

层次跨层设计主要是指在系统各层次结构间，建立新的虚拟交互关系，但需要注意的是，由于在计算机系统体系结构设计的构成中，相邻层次结构定义了严格具有层次结构关系的接口服务，很少允许不相邻层次间的直接交互，因此，在应用层次跨层设计的过程中，为保证特定层次可以为其他层次提供内部接口，那么就需要打破系统结构原本的层次结构设计，便于不相邻层次进行数据交互。现阶段，在应用层次跨层设计的过程中，为实现系统性能的提升，可以通过对中心化跨层联合优化问题进行求解的方式，对系统的特定属性进行强化。同时，在进行计算机系统体系结构层次跨层设计的过程中，为保证设计的有效性，对于特定的系统结构，跨层次设计应用系统需要进行进一步的完善。举例来说，在对无线网络体系进行跨层次设计的过程中，为保证系统设计优化的质量，应当利用层次跨层设计对系统无线链路不可靠特性、无信号通道的广播特性等特性，进行进行一步的改进。

（四）层次覆盖设计

在进行计算机系统体系结构层次覆盖设计的过程中，设计可以以逻辑平面的虚拟节点与虚拟链接组成虚拟结构，这一结构可以看作是对层次结构层中某一内部结构进行抽象，虚拟得出的简化视图，在实际设计过程中，可以使共存异构层次体系结构，脱离计算机系统的固有限制。并且，为进一步提升系统设计的灵活性，可以通过允许异构虚拟结构在共享物理层面上共存，并由层次覆盖对其提供差异化设计的方式，在保证系统安全性的同时，降低系统的管理难度。

二、层次设计的原则

对当前的计算机系统体系结构层次设计情况进行分析后，可以将其原则归纳为简化系统与提高效率两部分，在设计过程中，设计机制主要可以分成对系统进行抽象或虚拟两种，实现路径可以分成系统的压缩与分解两种。具体来说，简化是系统层次设计的首要原则，这一原则与系统的模块化设计原则相类似，都是通过对系统整体进行层次化划分的方式，简化系统各层次间的关系，便于系统后续的认知验证、维护与优化。在实际应用过程中，层次构件设计就是简化原则的体现，而层次跨层设计与层次覆盖设计则是通过提高各层次接口复杂度的方式，提高系统的使用效率，这两种设计方式主要是效率原则的体现。现阶段，在进行系统结构主观复杂性与客观复杂性分析的过程中，可以将简化与效率原则对应到复杂性分析当中。此外，在进行系统的层次设计过程中，可以将其看做是平面与平面的映射，这种情况展现了设计机制中的抽象与虚拟机制[2]。

结论：总而言之，为保证计算机功能的正常应用，计算机的系统往往由众多相互连通的层与子系统构成，并且受计算机各系统功能相互交互的影响，这些层与子系统之间的交互模式也极为复杂，面对上述情况，为保证计算机系统整体工作的正常性，对系统的整体结构进行专业化的层次设计，成为切实保证计算机实用性的关键点之一。

参考文献：

[1]徐洪位.解析计算机系统体系结构层次设计关键性技术[J].信息通信，2019（5）：181-182.

[2]刘岩.计算机系统体系结构层次设计技术探讨[J].信息系统工程，2018（7）：44-44.