淺析計算機系統結構發展

【摘要】：從二十世紀初開始第一臺計算機誕生起，計算機在近七十年中得到了迅猛發展。計算機的更新換代從一定程度上可以說是計算機體系結構的發展。計算機系統結構是一個有多個層次組合而成的有機整體，隨著科技的不斷發展，未來的計算機將會朝著微型化、網絡化和智能化的方向發展，文章就計算機的一些基本概念、計算機系統結構的發展、歷史、分類等進行研究，來淺述計算機系統構的發展現狀和發展趨勢。

【關鍵詞】：計算機系統結構；分類；發展現狀；

1.計算機系統結構基本概念

計算機體系結構指軟、硬件的系統結構，有兩方面的含義：一是從程序設計者的角度所見的系統結構，它是研究計算機體系的概念性結構和功能特性，關系到軟件設計的特性；二是從硬件設計者的角度所見的系統結構，實際上是計算機體系的組成或實現，主要著眼于性能價格比的合理性。亞當等人為了說明和研究從程序設計角度所看到的計算機的屬性，在1964年最先提出計算機系統結構的概念。

概念性結構與功能特性，這是從程序設計者角度所看到的計算機屬性。它包括機器內的數據表示、尋址方式以及對這些數據的運算和控制這些運算的執行等。對于通用型機器，一般包括數據表示、尋址方式、寄存器定義、指令系統、中斷機構、機器工作狀態的定義和狀態切換、機器級的輸入、輸出結構以及對信息保護的支持等計算機軟、硬件功能分配，主要應從實現費用、對速度的影響和其他性能要求來考慮，亦即計算機體系結構。

考慮如何分配能提高性能價格比。操作系統的基本的、通用的功能的硬化或固化，有利于提高操作系統的執行效率和速度，減少開銷；而功能不穩定，即需要不斷變化的，用軟件實現有利于提供應有的靈活性。實現費用包括研制費用和重復生產費用。硬件的設計費用和重復生產費用都比軟件大，宜于硬件實現的功能應該是穩定的、常用的、比較小的，而且是軟件實現的速度下降會對計算機系統性能有較大影響的那些功能。硬件實現只是對產量大的計算機系統才有經濟效益。

2.計算機系統結構概述

計算機系統結構的經典定義是阿姆達爾提出的：計算機系統結構是程序員所看到的計算機屬性，即概念性結構與功能特性。因為計算機系統的多層次結構存在，所以不用開發人員所看到的計算機具有不同的屬性。這些屬性主要表現在指令系統、數據表示、尋址規則、信息保護和I/O結構等。

現代計算機系統是由硬件和軟件組合而成的一個有機整體，如果繼續細分可以分成7層。LO：硬聯邏輯電路；L1：微程序機器級；L2：機器語言級；L3：操作系統級；L4：匯編語言級；LS：高級語言級；L6：應用語言級。

3.計算機的發展歷史

第一代，電子計算機。這一階段計算機的主要特征是采用電子管元件作基本器件，體積大、耗電量大、速度慢、存儲容量小、可靠性差、維護困難且價格昂貴。

第二代，晶體管計算機。由晶體管代替電子管作為計算機的基礎器件，用磁芯或磁鼓作存儲器，在整體性能上比第一代計算機有了很大程度上的提高。

第三代，中小規模集成電路計算機。中小規模集成電路成為計算機的主要部件，主存儲器也漸漸過渡到半導體存儲器，使計算機的體積更小，大大降低了計算機計時的功耗。

第四代，大規模和超大規模集成電路計算機。集成更高的大容量半導體存儲器作為內存儲器，發展了并行技術和多機系統，出現了精簡指令集計算機（RISC），軟件系統工程化、理論化，程序設計自動化。

4.計算機系統結構的分類

常見的計算機系統結構分類方法有兩種：Flynn分類法和馮氏分類法。Flynn分類法史按照指令流和數據流的多倍性進行分類。馮氏分類法是用系統的最大并行度對訓一算機進行分類。

4.1Flynn分類法

Flynn分類法把計算機系統結構分為四類。

（1）單指令流單數據流（SISD）；

（2）單指令流多數據流（SIMD）；

（3）多指令流單數據流（MISD）；

（4）多指令流多數據流（MIMD）。

4.2馮氏分類法。

馮澤云教授在1972年提出了用最大并行度（Pm）對計算機系統結構子以分類的分類方法。最大并行度Pm的定義是：計算機系統在單位時間內能夠處理的最大的二進制位數。運用馮氏分類法可將計算機系統結構分為四類，分別是：

（1）字串位串（WSBS）；

（2）字并位（WPBS）；

（3）字串位并（WSBP）；

（4）字并位并（WPBP）。

5.計算機系統結構的發展現狀

5.1馮·諾依曼結構

馮·諾依曼結構是最早的存儲程序式訓一算機。它由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分組成。存儲程序原理的基本點是程序驅動。

5.2對馮·諾依曼結構的改進

（1）對輸入/輸入方式的改進。采用馮·諾依曼結構的計算機中，所有部件的操作都是以運算器為中心的，這使得輸入/輸出操作與運算操作只能串行進行。改進方法是把輸入/輸出管理工作從CPU中分離出來。

（2）可以在微操作級、指令級、線程級、進程級、任務級等采用并行處理技術。

（3）存儲器組織結構的發展。按內容訪問的相聯存儲器把

查找、比較的操作交由存儲器完成。

（4）指令級的發展。出現了兩種相對對立的發展方向，復雜指令集計算機和精簡指令集計算機。

6.計算機系統結構的發展趨勢

計算機系統結構是有關計算模型的一個具體體現。計算模型有關的控制機制可分為控制驅動、數據驅動、需求驅動和模式匹配四種類型。從計算模型來看，傳統的系統結構是基于控制驅動和共享數據的

計算模型，將來的系統結構主要有三個研究趨勢：數據流系統結構、歸約系統結構、智能系統結構。由此產生了數據流計算機、歸約計算機和智能計算機。其中，數據流系統結構是基于數據驅動和消息傳送的計算模型，歸約系統結構有圖歸約和串歸約兩種，其中，圖歸約系統結構是基于需求驅動和共享數據的計算模型，串歸約系統結構是基于需求驅動和消息傳送的計算模型，智能機主要是一個知識信息處理系統。

7.結語

總而言之，計算機系統結構是一個有多個層次組合而成的有機整體，隨著科技的不斷發展，未來的計算機將會朝著微型化、網絡化和智能化的方向發展。

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