计算机系统结构

计算机系统结构是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性，主要研究计算机系统的基本工作原理，以及在硬件、软件界面划分的权衡策略，建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念。

简介计算机系统结构（Computer Architecture）也称为计算机体系结构，它是由计算机结构外特性，内特性，微外特性组成的。经典的计算机系统结构的定义是指计算机系统多级层次结构中机器语言机器级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面，是由机器语言程序、汇编语言源程序和高级语言源程序翻译生成的机器语言目标程序能在机器上正确运行所应具有的界面结构和功能。1

计算机系统结构指的是什么? 是一台计算机的外表? 还是是指一台计算机内部的一块块板卡安放结构? 都不是，那么它是什么? 计算机系统结构就是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性。用一个不恰当的比喻一，比如动物吧，它的"系统结构"是指什么呢? 它的概念性结构和功能特性，就相当于动物的器官组成及其功能特性，如鸡有胃，胃可以消化食物。至于鸡的胃是什么形状的、鸡的胃部由什么组成就不是"系统结构"研究的问题了。

发展冯·诺依曼计算机的主要特点是：存储程序方式；指令串行执行，并由控制器加以集中控制；单元定长的一维线性空间的存储器；使用低级机器语言，数据以二进制表示；单处理机结构，以运算器为中心。2

改进后的冯·诺依曼计算机使其从原来的以运算器为中心演变为以存储器为中心。从系统结构上讲，主要是通过各种并行处理手段提高计算机系统性能。

分类按"流"分类的方法，这是Flynn教授提出的按指令流和数据流的多倍性概念进行分类的方法。共有四大类，即：（S-single 单一的 I-instruction 指令 M-multiple 多倍的 D-data 数据）

SISD 单指令流单数据流，传统的单处理机属于SISD计算机。

SIMD 单指令流多数据流，并行处理机是SIMD计算机的典型代表。中国的YH-I型是此类计算机型。

MISD 多指令流单数据流，实际上不存在，但也有学者认为存在。

MIMD 多指令流多数据流，包括了大多数多处理机及多计算机系统。中国的YH-Ⅱ型计算机是这种类型的计算机。

一般将标量流水机视为SISD类型，把向量流水机视为SIMD类型。

按"并行级"和"流水线"分类：这是在计算机系统中的三个子系统级别上按并行程度及流水线处理程度进行分类的方法。

设计准则部件

这是最重要也是最广泛采用的计算机设计准则。因为加快处理频繁出现事件对系统的影响远比加速处理很少出现事件的影响要大。

定律

这个定律就是一个公式：即

应会运用此公式做一些计算或分析，所以要记住并理解其意义。

程序访问的局部性规律

程序访问的局部性主要反映在时间和空间局部性两个方面，时间局部性是指程序中被访问的信息项可能马上将被再次访问，空间局部性指那些在访问地址上相邻近的信息项很可能被一起访问。

实例以常见的冯·诺伊曼计算机的设计为例，体系结构设计包括了：

指令集架构（Instruction set architecture；简称ISA）：被视为一种机器语言，包含了许多相关的指令集（存储器定址、处理器控制，寄存器控制等等……）。

微体系结构/微架构（Microarchitecture）或称计算机组织（Computer organization）：是更详细的叙述系统内部各元素如何进行合作与沟通。

数据表示，即硬件能直接识别和处理的数据类型和数据格式；

寻址方式，包括最小寻址单位和地址运算等；

寄存器定义，包括操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器等的定义、数量和使用方式；

指令系统，包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机制等；

异常机制，包括中断、NMI和内部异常等；

机器工作状态的定义和切换，如管态和目态等；

输入输出结构，包括处理机、存储器与输入输出设备之间的连接方式、数据传送方式、数据流量、以及数据交换过程的控制等；

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所