2024年4月9日发(作者：夕如仪)
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
Instruction Stream Single Data Stream，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Word Serial and Bit Serial。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。
2024年4月9日发(作者：夕如仪)
计算机体系结构
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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
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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
Instruction Stream Single Data Stream，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Word Serial and Bit Serial。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。