计算机系统结构简述

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摘 要：计算机系统结构是一个有多个层次组合而成的有机整体,随着科技的不断发展,未来的计算机将会朝着微型化、网络化和智能化的方向发展,为了使大家对计算机系统结构有一个大概的了解,本文主要介绍了计算机系统结构的一些基本概念、计算机系统结构的发展、计算机系统结构的分类方法和计算机系统设计的方法.

关 键 词：计算机系统结构；冯诺依曼结构；Flynn分类法；冯氏分类法

中图分类号：TP303

世界上第一台电子计算机ENIAC诞生于1946年,在问世将近70年的时间里,计算机共历经电子管计算机时代、晶体管计算机时代、中小规模集成电路计算机时代、大规模和超大规模集成电路计算机时代和巨大规模集成电路计算机时代,计算机更新换代的一个重要指标就是计算机系统结构.

1计算机系统结构的基本概念

1.1计算机系统层次结构的概念

现代计算机系统是由硬件和软件组合而成的一个有机整体,如果继续细分可以分成7层.L0：硬联逻辑电路；L1：微程序机器级；L2：机器语言级；L3：操作系统级；L4：汇编语言级；L5：高级语言级；L6：应用语言级.其中L0级由硬件实现；L1级的机器语言是微指令级,用固件来实现；L2级的机器语言是机器指令集,用L1级的微程序进行解释执行；L3级的机器语言由传统机器指令集和操作系统级指令组成,除了操作系统级指令由操作系统解释执行外,其余用这一级语言编写的程序由L2和L3共同执行；L4级的机器语言是汇编语言,该级语言编写的程序首先被翻译成L2或L3级语言,然后再由相应的机器执行；L5级的机器语言是高级语言,用该级语言编写的程序一般被翻译到L3或L4上,个别的高级语言用解释的方法实现；L6级的机器语言适应用语言,一般被翻译到L5级上.

1.2计算机系统结构的定义

计算机系统结构较为经典的定义是Amdahl等人在1964年提出的：由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性,即概念性结构和功能特性.由于计算机具有不同的层次结构,所以处在不同层次的程序设计者所看到的计算机的属性显然不同.

2计算机系统结构的发展

2.1传统系统结构

当Amadahl在1964年提出计算机系统结构的定义时,也提出了采用系列机的思想,它的出现被誉为计算机发展史上的一个重要里程碑.当人们普遍采用系列机思想后,较好的把硬件技术飞速发展与软件环境要求相对稳定的矛盾解决了,这就要求系列机的系统结构需要在相当长的时间内保持基本不变.其中,最重要的是保持它的数据表示、指令系统以及其他概念性的结构保持不变.

2.2冯诺依曼结构

冯诺依曼结构（也称普林斯顿结构）是美国数学家冯诺依曼在1946年提出的,他将计算机分为五大部件：运算器；控制器；存储器；输入设备；输出设备.其基本思想是存储程序,主要特点是：（1）单处理机结构,机器以运算器为中心；（2）采用程序存储思想；（3）指令和数据一样可以参与运算；（4）数据以二进制表示；（5）将软件和硬件完全分离；（6）指令由操作码和操作数组成；（7）指令顺序执行.

2.3对冯诺依曼结构的改进

为了更好的优化计算机系统结构,人们不断对冯诺依曼结构进行改进,总的来说,共采用两种方法.一种是在冯诺依曼结构的基础上进行“改良”；另一种是采用“革命”的方法,即脱离冯诺依曼结构,和其工作方式完全不同,统成为非冯诺依曼结构.

2.4哈佛结构

哈佛结构的计算机分为三大部件：（1）CPU；（2）程序存储器；（3）数据存储器.它的特点是将程序指令和数据分开存储,由于数据存储器与程序存储器采用不同的总线,因而较大的提高了存储器的带宽,使之数字信号处理性能更加优越.

2.5其他系统结构

冯诺依曼结构开启了计算机系统结构发展的先河,但是因为其集中、顺序的的控制而成为性能提高的瓶颈,因此各国科学家仍然在探索各种非冯诺依曼结构,比如,数据流计算机,函数式编程语言计算机等都是较为著名的非冯诺依曼结构.

3计算机系统结构的分类方法

研究计算机系统结构的分类方法可以帮助我们加深对计算机系统结构和组成特点的认识以及对系统工作原理和性能的理解.下面简单介绍2种比较常用的分类方法：Flynn分类法；冯氏分类法.

3.1Flynn分类法

由于计算机系统结构由多级层次构成,因此在设计计算机系统结构时就可以有三种方法：（1）“从下往上”设计；（2）“从上往下”设计；（3）“从中间开始”设计.

4.1“从下往上”设计

首先根据能够得到的硬件,参照已经生产出来的各种机器的特点,开发出将微程序机器级和传统机器级设计出来,然后依次往上设计,最后将面向机器的虚拟机器级设计出来.在硬件技术高速发展而软件技术发展相对较慢的今天,如果继续采用这种设计方法,会导致软件和硬件的脱离,因此已经很少使用这种方法.

4.2“从上往下”设计

首先根据应用的需求,确定好整个系统的框架,然后逐层向下进行设计,同时可以兼顾到上层的优化,最后设计出微程序机器级和传统机器级.这种设计方法较好.

4.3“从中间开始”设计

大多数将“中间”取在传统机器级和微操作级之间.在设计时,综合考虑软硬件,定义好分界面,然后由中间点分别往上、往下同时进行设计.此种方法可以缩短设计周期.

5结束语

综上所述,本文对计算机系统结构进行了一些简单的介绍,它是计算机的灵魂,目前,如何更好地提高系统结构的性能,仍是各国科学家不断研究的课题.