计算机体系结构.pdf

计算机体系结构1

一、计算机体系结构的基本概念

计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计

者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。Amdahl所定义的

体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。所关心的是如何合理的进

行软硬件功能的分配。

计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属

性，即外特性。可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式，

指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。

计算机组成是计算机结构的逻辑实现。可以包含数据通路宽度，

专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。

计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。包括处理机，主存

部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、插件底

板的划分和连接。

从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为7

级：0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、

3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电

子线路级。3～6级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。

硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。首先是应用领域对应

的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。如运算速

度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。

体系结构设计的方法有三种：由上而下－从考虑如何满足应用要

求开始设计；由下而上－基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的

计算机体系结构2

方法。

体系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、

优化和评价。

计算机体系结构的分类：（1）弗林FLYNN分类法：按指令流和

数据流将计算机分为4类：①单指令流、单数据流－Single

InstructionStreamSingleDataStream，SISD。计算机，即传统

的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机systolic

array；②单指令流、多数据流－Multiple，SIMD。典型代表是并行

处理机。其并行性在于指令一级。如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等；

③MISD计算机；④MIMD计算机。多处理机系统，实现全面并行的理

想结构。可以通过共享存储器和消息传递来耦合系统，每个处理器分

别执行系统分配的程序，同时执行多个指令流对多个数据流不同的处

理，如IBM3081/3084，Cray-2等。//弗林分类法基本上是对除流水

线处理机外的诺衣曼型控制流计算机进行分类，而不包括对像数据流

计算机这种非诺衣曼型机器进行分类；（2）冯氏分类法。依据是并行

度－即计算机在单位时间内能够处理的最大二进制位数。据此分为4

类：①字串位串WordSerialandBitSerial。WSBS计算机。只有

一个串行的处理部件，每字长1位；②字并位串Parallel。WPBS计

算机。只有一个处理部件。该部件处理字长n位；③字串位并WSBP

计算机。有多个处理部件。每个处理部件字长1位；④字并位并WPBP

计算机。有多个处理部件，各部件字长也并行，如ILLICA2计算机具

有64个字长64位的处理单元。

计算机体系结构3

冯.诺衣曼型计算机体系结构及其发展（1）是存储程序计算机的

别称。在体系结构有着如下特点：①机器以运算器位中心，使用单一

处理部件来完成计算、存储及通信工作；②采用存储程序的原理，使

用线性组织的定长存储单元来存储程序，存储时对指令和数据不加区

别；③存储空间的单元是直接寻址的，每个单元位数固定；④使用二

进制机器语言，其指令完成基本操作码的简单操作；⑤对计算机进行

集中的顺序控制。（2）两个最主要的特征：一是计算机内部信息流动

是由指令驱动的，而指令执行顺序由指令计数器决定；二是计算机的

应用仍主要面向数值计算和数据处理。（3）发展：①数据流计算机

DFM。只要所需的操作数齐备就可以执行，