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計算機系統結構

（機器語言機器級的結構）

鎖定
計算機系統結構是計算機的機器語言程序員或編譯程序編寫者所看到的外特性。所謂外特性，就是計算機的概念性結構和功能特性，主要研究計算機系統的基本工作原理，以及在硬件、軟件界面劃分的權衡策略，建立完整的、系統的計算機軟硬件整體概念。
書    名
計算機系統結構
別    名
Computer Architecture
組    成
外特性，內特性，微外特性組成的
也    稱
計算機體系結構
學    科
計算機
領    域
計算機

目錄

  1. 1 簡介
  2. 2 發展
  3. 3 分類
  4. 4 設計準則
  5. 5 實例

計算機系統結構簡介

計算機系統結構（Computer Architecture）也稱為計算機體系結構，它是由計算機結構外特性，內特性，微外特性組成的。經典的計算機系統結構的定義是指計算機系統多級層次結構中機器語言機器級的結構，它是軟件和硬件/固件的主要交界面，是由機器語言程序、彙編語言源程序和高級語言源程序翻譯生成的機器語言目標程序能在機器上正確運行所應具有的界面結構和功能。 [1] 
計算機系統結構
計算機系統結構(2張)
計算機系統結構指的是什麼? 是一台計算機的外表? 還是是指一台計算機內部的一塊塊板卡安放結構? 都不是，那麼它是什麼? 計算機系統結構就是計算機的機器語言程序員或編譯程序編寫者所看到的外特性。所謂外特性，就是計算機的概念性結構和功能特性。用一個不恰當的比喻一，比如動物吧，它的"系統結構"是指什麼呢? 它的概念性結構和功能特性，就相當於動物的器官組成及其功能特性，如雞有胃，胃可以消化食物。至於雞的胃是什麼形狀的、雞的胃部由什麼組成就不是"系統結構"研究的問題了。

計算機系統結構發展

馮·諾依曼計算機的主要特點是：存儲程序方式；指令串行執行，並由控制器加以集中控制；單元定長的一維線性空間的存儲器；使用低級機器語言，數據以二進制表示；單處理機結構，以運算器為中心。 [2] 
改進後的馮·諾依曼計算機使其從原來的以運算器為中心演變為以存儲器為中心。從系統結構上講，主要是通過各種並行處理手段提高計算機系統性能。

計算機系統結構分類

按"流"分類的方法，這是Flynn教授提出的按指令流和數據流的多倍性概念進行分類的方法。共有四大類，即：（S-single 單一的 I-instruction 指令 M-multiple 多倍的 D-data 數據）
SISD 單指令流單數據流，傳統的單處理機屬於SISD計算機。
SIMD 單指令流多數據流，並行處理機是SIMD計算機的典型代表。中國的YH-I型是此類計算機型。
MISD 多指令流單數據流，實際上不存在，但也有學者認為存在。
MIMD 多指令流多數據流，包括了大多數多處理機及多計算機系統。中國的YH-Ⅱ型計算機是這種類型的計算機。
一般將標量流水機視為SISD類型，把向量流水機視為SIMD類型。
按"並行級"和"流水線"分類：這是在計算機系統中的三個子系統級別上按並行程度及流水線處理程度進行分類的方法。

計算機系統結構設計準則

部件
這是最重要也是最廣泛採用的計算機設計準則。因為加快處理頻繁出現事件對系統的影響遠比加速處理很少出現事件的影響要大。
定律
這個定律就是一個公式：即
應會運用此公式做一些計算或分析，所以要記住並理解其意義。
程序訪問的局部性規律
程序訪問的局部性主要反映在時間和空間局部性兩個方面，時間局部性是指程序中被訪問的信息項可能馬上將被再次訪問，空間局部性指那些在訪問地址上相鄰近的信息項很可能被一起訪問。

計算機系統結構實例

以常見的馮·諾伊曼計算機的設計為例，體系結構設計包括了：
  • 指令集架構（Instruction set architecture；簡稱ISA）：被視為一種機器語言，包含了許多相關的指令集（存儲器定址、處理器控制，寄存器控制等等……）。
  • 微體系結構/微架構（Microarchitecture）或稱計算機組織（Computer organization）：是更詳細的敍述系統內部各元素如何進行合作與溝通。
  • 數據表示，即硬件能直接識別和處理的數據類型和數據格式；
  • 尋址方式，包括最小尋址單位和地址運算等；
  • 寄存器定義，包括操作數寄存器、變址寄存器、控制寄存器等的定義、數量和使用方式；
  • 指令系統，包括機器指令的操作類型和格式、指令間的排序和控制機制等；
  • 異常機制，包括中斷、NMI和內部異常等；
  • 機器工作狀態的定義和切換，如管態和目態等；
  • 輸入輸出結構，包括處理機、存儲器與輸入輸出設備之間的連接方式、數據傳送方式、數據流量、以及數據交換過程的控制等；
參考資料
  • 1.    John L. Hennessy and David Patterson. Computer Architecture: A Quantitative Approach Fourth. Morgan Kaufmann. 2006. ISBN 978-0-12-370490-0.
  • 2.    Barton, Robert S., "A New Approach to the Functional Design of a Digital Computer", Proceedings of the Western Joint Computer Conference, May 1961, pp. 393–396.