計算機系統(tǒng)結構簡述

摘 要：計算機系統(tǒng)結構是一個有多個層次組合而成的有機整體，隨著科技的不斷發(fā)展，未來的計算機將會朝著微型化、網(wǎng)絡化和智能化的方向發(fā)展，為了使大家對計算機系統(tǒng)結構有一個大概的了解，本文主要介紹了計算機系統(tǒng)結構的一些基本概念、計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展、計算機系統(tǒng)結構的分類方法和計算機系統(tǒng)設計的方法。

關鍵詞：計算機系統(tǒng)結構；馮·諾依曼結構；Flynn分類法；馮氏分類法

中圖分類號：TP303

世界上第一臺電子計算機ENIAC誕生于1946年，在問世將近70年的時間里，計算機共歷經(jīng)電子管計算機時代、晶體管計算機時代、中小規(guī)模集成電路計算機時代、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機時代和巨大規(guī)模集成電路計算機時代，計算機更新?lián)Q代的一個重要指標就是計算機系統(tǒng)結構。

1 計算機系統(tǒng)結構的基本概念

1.1 計算機系統(tǒng)層次結構的概念

現(xiàn)代計算機系統(tǒng)是由硬件和軟件組合而成的一個有機整體，如果繼續(xù)細分可以分成7層。L0：硬聯(lián)邏輯電路；L1：微程序機器級；L2：機器語言級；L3：操作系統(tǒng)級；L4：匯編語言級；L5：高級語言級；L6：應用語言級。其中L0級由硬件實現(xiàn)；L1級的機器語言是微指令級，用固件來實現(xiàn)；L2級的機器語言是機器指令集，用L1級的微程序進行解釋執(zhí)行；L3級的機器語言由傳統(tǒng)機器指令集和操作系統(tǒng)級指令組成，除了操作系統(tǒng)級指令由操作系統(tǒng)解釋執(zhí)行外，其余用這一級語言編寫的程序由L2和L3共同執(zhí)行；L4級的機器語言是匯編語言，該級語言編寫的程序首先被翻譯成L2或L3級語言，然后再由相應的機器執(zhí)行；L5級的機器語言是高級語言，用該級語言編寫的程序一般被翻譯到L3或L4上，個別的高級語言用解釋的方法實現(xiàn)；L6級的機器語言適應用語言，一般被翻譯到L5級上。

1.2 計算機系統(tǒng)結構的定義

計算機系統(tǒng)結構較為經(jīng)典的定義是Amdahl等人在1964年提出的：由程序設計者所看到的一個計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性結構和功能特性。由于計算機具有不同的層次結構，所以處在不同層次的程序設計者所看到的計算機的屬性顯然不同。

2 計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展

2.1 傳統(tǒng)系統(tǒng)結構

當Amadahl在1964年提出計算機系統(tǒng)結構的定義時，也提出了采用系列機的思想，它的出現(xiàn)被譽為計算機發(fā)展史上的一個重要里程碑。當人們普遍采用系列機思想后，較好的把硬件技術飛速發(fā)展與軟件環(huán)境要求相對穩(wěn)定的矛盾解決了，這就要求系列機的系統(tǒng)結構需要在相當長的時間內(nèi)保持基本不變。其中，最重要的是保持它的數(shù)據(jù)表示、指令系統(tǒng)以及其他概念性的結構保持不變。

2.2 馮·諾依曼結構

馮·諾依曼結構（也稱普林斯頓結構）是美國數(shù)學家馮·諾依曼在1946年提出的，他將計算機分為五大部件：運算器；控制器；存儲器；輸入設備；輸出設備。其基本思想是存儲程序，主要特點是：（1）單處理機結構，機器以運算器為中心；（2）采用程序存儲思想；（3）指令和數(shù)據(jù)一樣可以參與運算；（4）數(shù)據(jù)以二進制表示；（5）將軟件和硬件完全分離；（6）指令由操作碼和操作數(shù)組成；（7）指令順序執(zhí)行。

2.3 對馮·諾依曼結構的改進

為了更好的優(yōu)化計算機系統(tǒng)結構，人們不斷對馮·諾依曼結構進行改進，總的來說，共采用兩種方法。一種是在馮·諾依曼結構的基礎上進行“改良”；另一種是采用“革命”的方法，即脫離馮·諾依曼結構，和其工作方式完全不同，統(tǒng)成為非馮·諾依曼結構。

2.4 哈佛結構

哈佛結構的計算機分為三大部件：（1）CPU；（2）程序存儲器；（3）數(shù)據(jù)存儲器。它的特點是將程序指令和數(shù)據(jù)分開存儲，由于數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器采用不同的總線，因而較大的提高了存儲器的帶寬，使之數(shù)字信號處理性能更加優(yōu)越。

2.5 其他系統(tǒng)結構

馮·諾依曼結構開啟了計算機系統(tǒng)結構發(fā)展的先河，但是因為其集中、順序的的控制而成為性能提高的瓶頸，因此各國科學家仍然在探索各種非馮·諾依曼結構，比如，數(shù)據(jù)流計算機，函數(shù)式編程語言計算機等都是較為著名的非馮·諾依曼結構。

3 計算機系統(tǒng)結構的分類方法

研究計算機系統(tǒng)結構的分類方法可以幫助我們加深對計算機系統(tǒng)結構和組成特點的認識以及對系統(tǒng)工作原理和性能的理解。下面簡單介紹2種比較常用的分類方法：Flynn分類法；馮氏分類法。

3.1 Flynn分類法

由于計算機系統(tǒng)結構由多級層次構成，因此在設計計算機系統(tǒng)結構時就可以有三種方法：（1）“從下往上”設計；（2）“從上往下”設計；（3）“從中間開始”設計。

4.1 “從下往上”設計

首先根據(jù)能夠得到的硬件，參照已經(jīng)生產(chǎn)出來的各種機器的特點，開發(fā)出將微程序機器級和傳統(tǒng)機器級設計出來，然后依次往上設計，最后將面向機器的虛擬機器級設計出來。在硬件技術高速發(fā)展而軟件技術發(fā)展相對較慢的今天，如果繼續(xù)采用這種設計方法，會導致軟件和硬件的脫離，因此已經(jīng)很少使用這種方法。

4.2 “從上往下”設計

首先根據(jù)應用的需求，確定好整個系統(tǒng)的框架，然后逐層向下進行設計，同時可以兼顧到上層的優(yōu)化，最后設計出微程序機器級和傳統(tǒng)機器級。這種設計方法較好。

4.3 “從中間開始”設計

大多數(shù)將“中間”取在傳統(tǒng)機器級和微操作級之間。在設計時，綜合考慮軟硬件，定義好分界面，然后由中間點分別往上、往下同時進行設計。此種方法可以縮短設計周期。

5 結束語

綜上所述，本文對計算機系統(tǒng)結構進行了一些簡單的介紹，它是計算機的靈魂，目前，如何更好地提高系統(tǒng)結構的性能，仍是各國科學家不斷研究的課題。

參考文獻

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[3]鄭緯民，湯志忠.計算機系統(tǒng)結構[M].北京：清華大學出版社，1998.

[5]張晨曦，王志英.計算機系統(tǒng)結構[M].北京：高等教育出版社，2008.

作者簡介：姚遠（1994-），男，河南商丘人，本科，學生，研究方向：計算機科學與技術。

作者單位：西北民族大學 數(shù)學與計算機科學學院，蘭州 730124