淺析計算機系統(tǒng)結構發(fā)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(fā)展。計算機的更新?lián)Q代從一定程度上可以說是計算機體系結構的發(fā)展。計算機系統(tǒng)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(fā)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(fā)展，文章就計算機的一些基本概念、計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展、歷史、分類等進行研究，來淺述計算機系統(tǒng)構的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

【關鍵詞】：計算機系統(tǒng)結構；分類；發(fā)展現(xiàn)狀；

1.計算機系統(tǒng)結構基本概念

計算機體系結構指軟、硬件的系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)結構，實際上是計算機體系的組成或實現(xiàn)，主要著眼于性能價格比的合理性。亞當?shù)热藶榱苏f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(tǒng)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(shù)據(jù)表示、尋址方式以及對這些數(shù)據(jù)的運算和控制這些運算的執(zhí)行等。對于通用型機器，一般包括數(shù)據(jù)表示、尋址方式、寄存器定義、指令系統(tǒng)、中斷機構、機器工作狀態(tài)的定義和狀態(tài)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(xiàn)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(tǒng)的基本的、通用的功能的硬化或固化，有利于提高操作系統(tǒng)的執(zhí)行效率和速度，減少開銷；而功能不穩(wěn)定，即需要不斷變化的，用軟件實現(xiàn)有利于提供應有的靈活性。實現(xiàn)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(xiàn)的功能應該是穩(wěn)定的、常用的、比較小的，而且是軟件實現(xiàn)的速度下降會對計算機系統(tǒng)性能有較大影響的那些功能。硬件實現(xiàn)只是對產量大的計算機系統(tǒng)才有經濟效益。

2.計算機系統(tǒng)結構概述

計算機系統(tǒng)結構的經典定義是阿姆達爾提出的：計算機系統(tǒng)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(tǒng)的多層次結構存在，所以不用開發(fā)人員所看到的計算機具有不同的屬性。這些屬性主要表現(xiàn)在指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、尋址規(guī)則、信息保護和I/O結構等。

現(xiàn)代計算機系統(tǒng)是由硬件和軟件組合而成的一個有機整體，如果繼續(xù)細分可以分成7層。LO：硬聯(lián)邏輯電路；L1：微程序機器級；L2：機器語言級；L3：操作系統(tǒng)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(fā)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(guī)模集成電路計算機。中小規(guī)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(guī)模和超大規(guī)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(fā)展了并行技術和多機系統(tǒng)，出現(xiàn)了精簡指令集計算機（RISC），軟件系統(tǒng)工程化、理論化，程序設計自動化。

4.計算機系統(tǒng)結構的分類

常見的計算機系統(tǒng)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(shù)據(jù)流的多倍性進行分類。馮氏分類法是用系統(tǒng)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(tǒng)結構分為四類。

（1）單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）；

（2）單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）；

（3）多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）；

（4）多指令流多數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)在單位時間內能夠處理的最大的二進制位數(shù)。運用馮氏分類法可將計算機系統(tǒng)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(tǒng)結構的發(fā)展現(xiàn)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(fā)展。按內容訪問的相聯(lián)存儲器把

查找、比較的操作交由存儲器完成。

（4）指令級的發(fā)展。出現(xiàn)了兩種相對對立的發(fā)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(tǒng)結構的發(fā)展趨勢

計算機系統(tǒng)結構是有關計算模型的一個具體體現(xiàn)。計算模型有關的控制機制可分為控制驅動、數(shù)據(jù)驅動、需求驅動和模式匹配四種類型。從計算模型來看，傳統(tǒng)的系統(tǒng)結構是基于控制驅動和共享數(shù)據(jù)的

計算模型，將來的系統(tǒng)結構主要有三個研究趨勢：數(shù)據(jù)流系統(tǒng)結構、歸約系統(tǒng)結構、智能系統(tǒng)結構。由此產生了數(shù)據(jù)流計算機、歸約計算機和智能計算機。其中，數(shù)據(jù)流系統(tǒng)結構是基于數(shù)據(jù)驅動和消息傳送的計算模型，歸約系統(tǒng)結構有圖歸約和串歸約兩種，其中，圖歸約系統(tǒng)結構是基于需求驅動和共享數(shù)據(jù)的計算模型，串歸約系統(tǒng)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(tǒng)。

7.結語

總而言之，計算機系統(tǒng)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(fā)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(fā)展。

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