现代通用计算机系统是由硬件和软件组成的一个复杂系统，按其功能可划分为多级层次结构，如图1.1所示。层次结构由上往下依次为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器级和微程序机器级。对于一个具体的计算机系统，层次的多少会有所不同。

各机器级的实现主要靠翻译或解释，或者是这两者的结合：

• 翻译 Translation 是先用转换程序将上一级机器级上的程序，整个地变换成下一级机器级上可运行的等效程序，然后再在下一级机器级上去实现的技术。
• 解释 Interpretation 则是在下一级机器级上用它的一串语句或指令，仿真上一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过对上一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。

简要介绍各个层次如下：

• 应用语言机器级是为了满足信息管理、人工智能、图像处理、辅助设计等专门的应用来设计的。使用面向某种应用环境的应用语言 L5 编写的程序，一般是经应用程序包翻译成高级语言 L4 程序后，再逐级向下实现的。
• 高级语言机器级上的程序，可以先用编译程序整个地翻译成汇编语言 L3 程序或机器语言 L1 程序，再逐级或越级向下实现，也可以用汇编语言 L3 程序、机器语言 L1 程序，甚至微指令语言 L0 程序解释实现。
• 汇编语言级上的汇编语言 L3 源程序，则先用汇编程序，将其整个变换成等效的二进制机器语言 L1 目标程序，再在传统机器级上实现。
• 操作系统程序虽然已发展成用高级语言（如面向编写操作系统软件的C语言）编写，但最终还是要用机器语言程序或微指令程序来解释的。它提供了传统机器级所没有，但为汇编语言和高级语言使用和实现所用的基本操作、命令和数据结构，例如，处理机管理、进程管理、文件管理、存储管理、设备管理、多道程序共行、多重处理、作业控制等所用到的操作命令、语句和数据结构等。因此，操作系统机器级放在传统机器级和汇编语言机器级之间是适宜的。
• 传统机器级采用组合逻辑电路控制，其指令可直接用硬件来实现，也可以采用微程序控制，用微指令 L0 程序来解释实现。
• 微指令直接控制硬件电路的动作。 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-dl46Fo59-1644076074317)(https：//img-blog.csdnimg.cn/abd60653e3fc441fa9057badf8b1d794.png)]

就目前的状况来看，第 0 0 0 级用硬件实现，第 1 级用微程序（固件）实现，第 2 2 2 级到第 5 5 5 级大多用软件实现。我们称以软件为主实现的机器为虚拟机器，以区别于由硬件或固件实现的实际机器。虚拟机器不一定全都由软件实现，有些操作可以用固件或硬件实现。如操作系统中的某些命令可由比它低两级的微程序解释，或全部用硬件来实现；高级语言机器则直接用微程序解释或用硬件实现，没有编译软件。

计算机系统结构作为一门学科，主要研究软件、硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定，即哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件完成。采用何种实现方式，要从整个计算机系统的效率、速度、价格、资源状况等方面考虑，对软件、硬件、固件取舍进行综合平衡——软件和硬件在逻辑功能上是等效的。原理上，软件实现的功能完全可以用硬件或固件完成，硬件实现的功能也可以由软件的模拟来完成，只是其性能、价格、实现的难易程度等有所不同。具有相同功能的计算机系统，其软、硬件功能分配比例可以在很宽的范围内变化。

“计算机系统结构”这个名词来源于英文 Computer Architecture ，也有译成“计算机体系结构”的。architecture 这个词原来用于建筑领域，其意义是“建筑学”、“建筑物的设计或式样”，它是指一个系统的外貌。20世纪60年代这个名词被引入计算机领域，“计算机系统结构”一词已经得到普遍应用，它研究的内容不但涉及计算机硬件，也涉及计算机软件，已成为一门学科。但对“计算机系统结构”一词的含义仍有多种说法，并无统一的定义。

计算机系统结构这个词是 Amdahl 等人在1964年提出的。他们把系统结构定义为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。这实际上是计算机系统的外特性。按照计算机层次结构，不同程序设计者所看到的计算机有不同的属性。例 如：

• 对于使用FORTRAN高级语言程序员来讲，一台IBM3090大型机、一台VAX11/780小型机或一台PC微型机，看起来都是一样的，因为在这三台计算机上运行他所编制的程序，所得到的结果是一样的。
• 但对于使用汇编语言程序的程序员来讲，由于这三台机器的汇编语言指令完全不一样，他所面对的计算机的属性就也会不一样。
• 另外，即使对同一台机器来讲，处在不同级别的程序员，例如应用程序员、高级语言程序员、系统程序员和汇编程序员，他们所看到的计算机外特性也是完全不一样的。

那么通常所讲的「计算机系统结构的外特性」，应该是处在哪一级的程序员所看到的外特性呢？比较一致的看法，是机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性，这种外特性是指由他们所看到的计算机基本属性，即计算机的概念性结构和功能特性，这是机器语言程序员或编译程序编写者，为使其所编写、设计或生成的程序，能在机器上正确运行所必须遵循的。由机器语言程序员或编译程序编写者，所看到的计算机的基本属性，是指传统机器级的系统结构；在传统机器级之上的功能被视为属于软件功能，而在其之下的则属于硬件和固件功能。因此，计算机系统的概念性结构和功能属性，实际上是计算机系统中软、硬件之间的界面。

在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。通常，在一个计算机系统中，低层机器级的概念性结构和功能特性，对高级语言程序员来说是透明的。由此看出，在层次结构的各个级上都有它的系统结构。

就目前的通用机来说，计算机系统结构的属性应包括以下几个方面：

• 「硬件能直接识别和处理的数据类型和格式」等的数据表示；
• 最小可寻址单位、寻址种类、地址计算等的寻址方式；
• 通用/专用寄存器的设置、数量、字长、使用约定等的寄存器组织；
• 二进制或汇编级指令的操作类型、格式、排序方式、控制机构等的指令系统；
• 内存的最小编址单位、编址方式、容量、最大可编址空间等的存储系统组织；
• 中断的分类与分级、中断处理程序功能及入口地址等的中断机构；
• 系统机器级的管态和用户态的定义和切换；
• 输入/出设备的连接、使用方式、流量、操作结束、出错指示等的机器级 I/O 结构；
• 各部分的信息保护方式和保护机构等。

计算机组成 Computer Organization 指的是计算机系统结构的逻辑实现，也常称为计算机组织。它包括机器级内的数据流、控制流的组成以及逻辑设计等，着眼于机器级内各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能及各部件间的联系。计算机组成设计要解决的问题是在所希望达到的性能和价格下，怎样最佳、最合理地把各种设备和部件组织成计算机，以实现所确定的系统结构。计算机组成设计主要是围绕提高速度，着重从提高操作的并行度、重叠度以及分散功能和设置专用功能部件来进行的。

计算机组成设计要确定的方面一般应包括：

• 数据通路宽度（在数据总线上一次并行传送的信息位数多少）；
• 专用部件的设置（设置哪些专用部件，如乘除法专用部件、浮点运算部件、字符处理部件、地址运算部件等，每种专用部件设置的数量等，这些都与机器所需达到的速度、专用部件的使用频度高低及允许的价格等有关）；
• 各种操作对部件的共享程度（共享程度高，即使操作在逻辑上不相关也只能分时使用，限制了速度，但价格便宜；可以设置多个部件降低共享程度，提高操作并行度来提高速度，但价格也将提高）；
• 功能部件的并行度（功能部件的控制和处理方式是采用顺序串行，还是采用重叠、流水或分布处理）；
• 控制机构的组成方式（事件、操作的排序机构是采用硬联控制还是用微程序控制，是采用单机处理还是用多机处理或功能分布处理）；
• 缓冲和排队技术（在不同部件之间怎样设置及设置多大容量的缓冲器来弥补它们的速度差异；是采用随机方式，还是先进先出、先进后出、优先级或循环方式来安排等待处理事件的先后顺序）；
• 预估、预判技术（为优化性能和优化处理，采用什么原则来预测未来的行为）；
• 可靠性技术（采用什么样的冗余技术和容错技术来提高可靠性）

计算机实现 Computer Implementation 指的是计算机组成的物理实现。它包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度、速度和信号，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术。

计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。计算机系统结构是指令系统及其执行模型；计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现； 计算机实现是计算机组成的物理实现。它们各自包含不同的内容和采用不同的技术，但又有紧密的联系。在学习和理解时有两点需要注意：

研究计算机系统的分类方法，有助于认识计算机系统结构的组成和特点，理解计算机系统的工作原理和性能。常用的计算机系统结构分类方法有三种：

1966年 M. J. Flynn 提出了按照指令流和数据流的多倍性概念进行分类的方法，其定义如下：

• 指令流 instruction stream ———机器执行的指令序列。
• 数据流 data stream ———由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。
• 多倍性 multiplicity ———在系统最受限制的部件（瓶颈）上，同时处于同一执行阶段的、可并行执行的指令或数据的最大可能个数。

按照指令流和数据流的不同组织方式，把计算机系统的结构分为以下四类：

• 单指令流单数据流 Single Instruction stream Single Data stream, SISD；
• 单指令流多数据流 Single Instruction stream Multiple Data stream, SIMD ；
• 多指令流单数据流 Muhiple Instruction stream Single Data stream, MISD ；
• 多指令流多数据流 Muhiple Instruction stream Multiple Data stream, MIMD 。

对应于这四类计算机的基本结构框图，如图1.2所示。SISD 是传统的顺序处理计算机。SIMD 以阵列处理机或并行处理机为代表。MISD 在实际上代表何种计算机，也存在着不同的看法，有的文献把流水线结构机器看做是 MISD 结构，多处理机属于 MIMD 结构。

1972年美籍华人冯泽云 Tse-yun Feng 教授，提出了用最大并行度 Pm 来定量描述各种计算机系统特性的冯氏分类法。最大并行度 Pm 的定义为：计算机系统在单位时间内能够处理的最大的二进制位数。

图1.3描述了用最大并行度对计算机系统分类的方法。用平面直角坐标系中的一个点代表一个计算机系统，横坐标代表字宽 n n n 位，即在一个字中同时处理的二进制位数；纵坐标代表位片宽度 m m m 位，即在一个位片中能同时处理的字数。

由图1.3可得出四类不同处理方法的计算机系统结构：

• 字串位串 Word Serial and Bit Serial, WSBS ，其中 n = 1 , m = 1 n = 1, m = 1 n=1,m=1 。这是第一代计算机发展初期的纯串行计算机。
• 字并位串 Word Parallel and Bit Serial, WPBS ，其中 n > 1 , m = 1 n > 1, m = 1 n>1,m=1 。这是传统并行单处理机。
• 字串位并 Word Serial and Bit Parallel, WSBP ，其中 n = 1 , m > 1 n = 1, m > 1 n=1,m>1 。STARAN, MPP, DAP 属于这种结构。
• 字并位并 Word Parallel and Bit Parallel, WPBP ，其中 n > 1 , m > 1 n > 1, m > 1 n>1,m>1 。PEPE, ILLIAC Ⅳ, Cmmp 属于这种结构。

1977年 Wolfgan Handler 根据并行度和流水线提出了另一种分类法。这种分类方法把计算机的硬件结构分成三个层次，并分别考虑它们的可并行-流水处理程度。这三个层次是： ① 程序控制部件 PCU 的个数 k k k ； ② 算术逻辑部件 ALU 或处理部件 PE 的个数 d d d ； ③ 每个算术逻辑部件包含基本逻辑线路 ELC 的套数 w w w 。

这样我们可以把一个计算机系统的结构用如下公式表示：t(系统型号) = (k, d, w) 。为了进一步揭示流水线的特殊性，一个计算机系统的结构可用如下公式表示：t(系统型号) = (k×k′, d×d′, w×w′) ，其中 k′ 表示宏流水线中程序控制部件的个数，d′ 表示指令流水线中算术逻辑部件的个数，w′ 表示操作流水线中基本逻辑线路的套数。

例如，Crayl 有 1 1 1 个CPU， 12 12 12 个相当于 ALU 或 PE 的处理部件，可以最多实现 8 8 8 级流水线。字长为 64 64 64 位，可以实现 1 ～ 14 1～14 1～14 位流水线处理。所以 Crayl 的系统结构可表示为： t ( C r a y l ) = ( 1 ,   12 × 8 ,   64 ( 1 ～ 14 ) ) t(Crayl) = (1,\ 12×8,\ 64( 1～14) ) t(Crayl)=(1, 12×8, 64(1～14))

下面是用这种分类法的例子： t ( P D P 11 ) = ( 1 ,   1 ,   16 ) t ( I L L I A C Ⅳ ) = ( 1 ,   64 ,   64 ) t ( S T A R A N ) = ( 1 ,   8192 ,   1 ) t ( C m m p ) = ( 16 ,   1 ,   16 ) t ( P E P E ) = ( 1 × 3 ,   288 ,   32 ) t ( T I A S C ) = ( 1 ,   4 ,   64 × 8 ) \begin{aligned} &t( PDP11 ) = ( 1,\ 1,\ 16 ) \\ &t( ILLIAC Ⅳ) = (1,\ 64,\ 64 ) \\ &t( STA RAN) = (1,\ 8192,\ 1) \\ &t(Cmmp) = (16,\ 1,\ 16 )\\ &t( PEPE) = ( 1×3,\ 288,\ 32) \\ &t( TIASC) = ( 1,\ 4,\ 64×8) \end{aligned} ​t(PDP11)=(1, 1, 16)t(ILLIACⅣ)=(1, 64, 64)t(STARAN)=(1, 8192, 1)t(Cmmp)=(16, 1, 16)t(PEPE)=(1×3, 288, 32)t(TIASC)=(1, 4, 64×8)​

下面介绍计算机系统设计中经常用到的几个定量原理。

这是计算机设计中最重要也最广泛采用的设计准则。使经常性事件的处理速度加快，能明显提高整个系统的性能。一般说来，经常性事件的处理比较简单，因此比不经常出现的事件处理要快。例如，在CPU中两个数进行相加运算时，相加结果可能出现溢出现象，也可能无溢出发生，显然经常出现的事件是不发生溢出的情况，而溢出是偶然发生的事件。因此，在设计时应优化不发生溢出的情况，使这个经常性事件的处理速度尽可能快，而对溢出处理则不必过多考虑优化。因为发生溢出的概率很小，即使发生了，处理得慢一些也不会对系统性能产生很大的影响。

在计算机设计中经常会遇到上述情况，那么，如何确定经常性事件以及如何加快处理它，这就是下面介绍的 Amdahl 定律要解决的问题。

Amdahl 定律：系统中对某一部件采用某种更快的执行方式后，整个系统性能的改进程度，取决于「这种执行方式被使用的频率」或「所占总执行时间的比例」。 系 统 加 速 比 = 系 统 改 进 后 的 性 能 系 统 改 进 前 的 性 能 = 系 统 改 进 前 执 行 某 一 任 务 的 总 时 间 系 统 改 进 后 执 行 同 一 任 务 的 总 时 间 系统加速比 \\ {} \\ =\displaystyle \dfrac{系统改进后的性能}{系统改进前的性能} \\ {} \\=\dfrac{ 系统改进前执行某一任务的总时间} {系统改进后执行同一任务的总时间} 系统加速比=系统改进前的性能系统改进后的性能​=系统改进后执行同一任务的总时间系统改进前执行某一任务的总时间​

Amdahl 定律定义了改进（加速）某部分功能后，可获得的性能改进或执行时间的加速比。系统加速比取决于两个因素：

1. 可改进部分在原系统计算时间中所占的比例。例如，一个需运行 60 s 60s 60s 的程序中，有 20 s 20s 20s 的运算可以加速，那么该比例就是 20 60 \dfrac{20}{60} 6020​。这个值用“可改进比例”表示，它总是小于或等于 1 1 1 的。
2. 可改进部分改进以后的性能提高。例如，系统改进后执行程序，其中可改进部分花费的时间为 2 s 2s 2s ，而改进前该部分需花费的时间为 5 s 5s 5s ，则性能提高为 5 2 \dfrac{5}{2} 25​ 。用“部件加速比”表示性能提高比，一般情况下它是大于 1 的。

若以 T o T_o To​ 和 T e T_e Te​ 分别表示采取某种改进措施前后，完成同一任务所需的总时间，用