浅谈计算机系统结构的发展
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指令集计算机 （ Ｒ Ｉ Ｓ Ｃ ） ， 软件系统工程化 、 理论化 ， 程序设计 自
动化 。
（ ３ ）存储 器是按地址访 问、 按顺序线性编址 的一堆结构 ，
每 个 存 储 单元 的位 数 都 是 固 定 的 ；
（ ４ ） 指令是顺序执行 的； （ ５ ） 指令 由操作码和地 址码 组成 ； （ ６ ） 指令和数据均 以二进制编码表示 ， 采用二进制运算 。
摘要 ： 从１ ９ ４ ６年 第一台计算机诞 生起 ， 计算机在近 ７ ０年 中得到 了飞速的发展 。现在的计算机 多采 用冯 ・ 诺依 曼结构 ， 即存储程序 的基本 思想来设 计计算机 。计 算机 的发展 更新换代从 一定程度上可 以说是计算机体 系结构 的发展 。文章就 计 算机 的发展 历史、 分类 、 层次结构 以及发展现状和方 向进行研 究， 来浅述计算机 系统结构的发展现状和发展趋 势。 关键 词： 计算机 系统结构 ； 层 次结构 ； 分 类； 发展现状和趋 势 中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ３ ０ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３ ． １ １ ３ ｌ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ ． ０ １ ４ ４ ． ０ １
４计算机 系统结构 的分类
常见的计算机系统结构分类方法有两种 ： Ｆ ｌ ｙ ｎ ｎ 分类法 和
冯 氏分类法 。冯 氏分类法是用系统 的最大并行度对计算机进 行分类 。Ｆ ｌ ｙ ｎ ｎ 分类法史按照指令流 和数据流 的多倍性 进行 分类 。Ｆ ｌ ｙ ｎ ｎ分类法把计算机 系统 结构分为四类 。 （ １ ）单指令流单数据流 （ Ｓ Ｉ Ｓ Ｄ） ； （ ２ ）单指令流 多数据流 （ Ｓ Ｉ ＭＤ） ； （ ３ ）多指令流单数据流 （ ＭＩ Ｓ Ｄ） ； （ ４ ）多指 令 流 多数 据 流 （ ＭＩ ＭＤ） 。
５计算 机 系统 结构 的发 展
５ ． １冯 ・ 诺依 曼结构
冯 ・ 诺 依 曼 结 构 是 最 早 的存 储 程 序 式 计 算 机 。它 由运 算
晶体管计算机 （ １ ９ ５ ８ ． １ ９ ６ ４ ） 。 由晶体管代 替电子管作为计算机
的基础器件 ， 用磁芯或磁鼓作存储器 ， 在整体性 能上， 比第 一
５ ． ２ 冯 ・诺依 曼结构 的特 点
（ １ ）以运算器为 中心 ；
（ ２ ）在 存 储 器 中 ， 指令 和数 据 同 等 对 待 ；
大 大降低了计算机计算时的功耗 。第四代 ，大规模和超大规 模集成 电路 计算机（ １ ９ ７ １ ． ２ ０ １ ４ ） 。 集成更高的大容量半导体存 储 器作为 内存储器， 发展 了并行技术和 多机 系统， 出现 了精简
指 令系统、 数据表示 、 寻址规则 、 信 息保护和 Ｙ Ｏ结构等 。
２ 计 算机 的发 展历 史
第一代 ， 电子计算机 （ １ ９ ４ ６ ． １ ９ ５ ７ ） 。这一阶段计算机 的主 要特征是采用 电子管元件作基本器件 ， 体积大 、 耗 电量大 、 速
度慢、 存储容量 小、 可靠性差 、 维 护 困 难 Байду номын сангаас 价 格 昂贵 。第 二 代 ，
０ 引言
１ ９ ４ ６年， 在美 国宾夕法尼亚大学， 世界上第一 台通用计 算 机诞生 。近 ７ ０年来， 其 发展 速度 令人赞叹 。今天 ， 计 算机 已 经进入到千家万户 ， 用三五千块钱就可 以买到个人计算机 。 这
种惊人 的发展和两个 方面 的因素密 不可分，其一是以半导体 技术 的发展 为代表 的计算机制造技 术的发展 ；其二是计算机 系统结构在 随着制造 工艺的发 展而不断地更新换代 。
解释和执 行的。
（ １ ） 对输入／ 输入方式 的改进 。采用冯 ・ 诺依曼结 构的计
算机中， 所有部件的操作 都是 以运算器为 中心的 ， 这使得输入／ 输 出操作与运算操作 只能 串行进行 。 改进方法是把输入／ 输 出 管理工作从 Ｃ Ｐ Ｕ 中分离 出来 。 （ ２ ） 可 以在 微操 作级、 指令级 、 线程级、 进程级 、 任 务级等 采用并行处理技术 。 （ ３ ） 存储器组织结构的发展 。 按内容访 问的相联存储器把 查找 、 比较的操作交 由存储器完成 。 （ ４ ） 指令级 的发展 。出现 了两种相对对立 的发展方向， 复
序语 言， 然后 由相应 的机器执行 。 （ ６ ） 高级语言级 ， 程 序员经常使用的高级语言是本级 的机 器语 言， 将高级语 言翻译成相应 的低级语 言才可 以执行 ， 例如 翻译 成汇 编语言或者翻译成操作系统虚拟机 。 （ ７ ） 应用程序级 ， 这一级是计算机为 了满足不 同用户 的需 求而专门设计的。可 以应用到人工智能、物联网、 在 线教育、
代计算机有 了很 大的提 高。第 三代 ，中小规模集成 电路计算 机（ １ ９ ６ ５ ． １ ９ ７ １ ） 。中小规模集成 电路成为计算机 的主要部件 ，
主存储器也渐渐 过渡 到半导体存储器， 使计算机 的体积更 小，
器、 控制器、 存储器、 输入设备和输 出设备五部分组成 。存储
程序原理的基本点是程序驱动 。
５ ． ３对 冯 ・ 诺依 曼结 构 的改进
３计 算 机 系统结 构 的层次 结构
（ １ ） 硬联逻辑级 ， 第零级是硬联逻辑 级， 这 是计算机 的 内
核， 由门 ， 触 发 器 等 逻 辑 电路 组 成 。
（ ２ ） 微程序级 ， 微指令集是微程 序级的机 器语言， 计算机 设计 人员用微指令编 写的微程序 通常是由硬件或者固件直接
２ ０ １ ５年第 ５期 （ 总第 １ ４ ９ 期）
信 息 通 信
Ｉ ＮＦ ＯＲ Ｍ ＡＴＩ ｏＮ ＆ ＣＯＭ Ｍ ＵＮＩ ＣＡＴ１ ０ＮＳ
２Ｏ１ ５
（ Ｓ ｕ ｍ ． Ｎ ｏ １ ４ ９ ）
浅谈计 算机 系统结构 的发展
何 志 超
（ 西北 民族大学数学与计算机科学 学院， 甘肃 兰州 ７ ３ ０ １ ２ ４ ）
云计算等多个领域 。
１计算 机 系统 结构概 述
计 算机 系统结构的经典定义是阿姆达尔提 出的：计算机 系统结构是程序 员所 看到的计 算机属性 ，即概念性结构与功 能特性 。因为计算机 系统的多层次结构存在 ，所 以不用开发
人 员所看 到的计 算机具有不同的属性 。这些属性主要表现在
动化 。
（ ３ ）存储 器是按地址访 问、 按顺序线性编址 的一堆结构 ，
每 个 存 储 单元 的位 数 都 是 固 定 的 ；
（ ４ ） 指令是顺序执行 的； （ ５ ） 指令 由操作码和地 址码 组成 ； （ ６ ） 指令和数据均 以二进制编码表示 ， 采用二进制运算 。
摘要 ： 从１ ９ ４ ６年 第一台计算机诞 生起 ， 计算机在近 ７ ０年 中得到 了飞速的发展 。现在的计算机 多采 用冯 ・ 诺依 曼结构 ， 即存储程序 的基本 思想来设 计计算机 。计 算机 的发展 更新换代从 一定程度上可 以说是计算机体 系结构 的发展 。文章就 计 算机 的发展 历史、 分类 、 层次结构 以及发展现状和方 向进行研 究， 来浅述计算机 系统结构的发展现状和发展趋 势。 关键 词： 计算机 系统结构 ； 层 次结构 ； 分 类； 发展现状和趋 势 中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ３ ０ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３ ． １ １ ３ ｌ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ５ ． ０ １ ４ ４ ． ０ １
４计算机 系统结构 的分类
常见的计算机系统结构分类方法有两种 ： Ｆ ｌ ｙ ｎ ｎ 分类法 和
冯 氏分类法 。冯 氏分类法是用系统 的最大并行度对计算机进 行分类 。Ｆ ｌ ｙ ｎ ｎ 分类法史按照指令流 和数据流 的多倍性 进行 分类 。Ｆ ｌ ｙ ｎ ｎ分类法把计算机 系统 结构分为四类 。 （ １ ）单指令流单数据流 （ Ｓ Ｉ Ｓ Ｄ） ； （ ２ ）单指令流 多数据流 （ Ｓ Ｉ ＭＤ） ； （ ３ ）多指令流单数据流 （ ＭＩ Ｓ Ｄ） ； （ ４ ）多指 令 流 多数 据 流 （ ＭＩ ＭＤ） 。
５计算 机 系统 结构 的发 展
５ ． １冯 ・ 诺依 曼结构
冯 ・ 诺 依 曼 结 构 是 最 早 的存 储 程 序 式 计 算 机 。它 由运 算
晶体管计算机 （ １ ９ ５ ８ ． １ ９ ６ ４ ） 。 由晶体管代 替电子管作为计算机
的基础器件 ， 用磁芯或磁鼓作存储器 ， 在整体性 能上， 比第 一
５ ． ２ 冯 ・诺依 曼结构 的特 点
（ １ ）以运算器为 中心 ；
（ ２ ）在 存 储 器 中 ， 指令 和数 据 同 等 对 待 ；
大 大降低了计算机计算时的功耗 。第四代 ，大规模和超大规 模集成 电路 计算机（ １ ９ ７ １ ． ２ ０ １ ４ ） 。 集成更高的大容量半导体存 储 器作为 内存储器， 发展 了并行技术和 多机 系统， 出现 了精简
指 令系统、 数据表示 、 寻址规则 、 信 息保护和 Ｙ Ｏ结构等 。
２ 计 算机 的发 展历 史
第一代 ， 电子计算机 （ １ ９ ４ ６ ． １ ９ ５ ７ ） 。这一阶段计算机 的主 要特征是采用 电子管元件作基本器件 ， 体积大 、 耗 电量大 、 速
度慢、 存储容量 小、 可靠性差 、 维 护 困 难 Байду номын сангаас 价 格 昂贵 。第 二 代 ，
０ 引言
１ ９ ４ ６年， 在美 国宾夕法尼亚大学， 世界上第一 台通用计 算 机诞生 。近 ７ ０年来， 其 发展 速度 令人赞叹 。今天 ， 计 算机 已 经进入到千家万户 ， 用三五千块钱就可 以买到个人计算机 。 这
种惊人 的发展和两个 方面 的因素密 不可分，其一是以半导体 技术 的发展 为代表 的计算机制造技 术的发展 ；其二是计算机 系统结构在 随着制造 工艺的发 展而不断地更新换代 。
解释和执 行的。
（ １ ） 对输入／ 输入方式 的改进 。采用冯 ・ 诺依曼结 构的计
算机中， 所有部件的操作 都是 以运算器为 中心的 ， 这使得输入／ 输 出操作与运算操作 只能 串行进行 。 改进方法是把输入／ 输 出 管理工作从 Ｃ Ｐ Ｕ 中分离 出来 。 （ ２ ） 可 以在 微操 作级、 指令级 、 线程级、 进程级 、 任 务级等 采用并行处理技术 。 （ ３ ） 存储器组织结构的发展 。 按内容访 问的相联存储器把 查找 、 比较的操作交 由存储器完成 。 （ ４ ） 指令级 的发展 。出现 了两种相对对立 的发展方向， 复
序语 言， 然后 由相应 的机器执行 。 （ ６ ） 高级语言级 ， 程 序员经常使用的高级语言是本级 的机 器语 言， 将高级语 言翻译成相应 的低级语 言才可 以执行 ， 例如 翻译 成汇 编语言或者翻译成操作系统虚拟机 。 （ ７ ） 应用程序级 ， 这一级是计算机为 了满足不 同用户 的需 求而专门设计的。可 以应用到人工智能、物联网、 在 线教育、
代计算机有 了很 大的提 高。第 三代 ，中小规模集成 电路计算 机（ １ ９ ６ ５ ． １ ９ ７ １ ） 。中小规模集成 电路成为计算机 的主要部件 ，
主存储器也渐渐 过渡 到半导体存储器， 使计算机 的体积更 小，
器、 控制器、 存储器、 输入设备和输 出设备五部分组成 。存储
程序原理的基本点是程序驱动 。
５ ． ３对 冯 ・ 诺依 曼结 构 的改进
３计 算 机 系统结 构 的层次 结构
（ １ ） 硬联逻辑级 ， 第零级是硬联逻辑 级， 这 是计算机 的 内
核， 由门 ， 触 发 器 等 逻 辑 电路 组 成 。
（ ２ ） 微程序级 ， 微指令集是微程 序级的机 器语言， 计算机 设计 人员用微指令编 写的微程序 通常是由硬件或者固件直接
２ ０ １ ５年第 ５期 （ 总第 １ ４ ９ 期）
信 息 通 信
Ｉ ＮＦ ＯＲ Ｍ ＡＴＩ ｏＮ ＆ ＣＯＭ Ｍ ＵＮＩ ＣＡＴ１ ０ＮＳ
２Ｏ１ ５
（ Ｓ ｕ ｍ ． Ｎ ｏ １ ４ ９ ）
浅谈计 算机 系统结构 的发展
何 志 超
（ 西北 民族大学数学与计算机科学 学院， 甘肃 兰州 ７ ３ ０ １ ２ ４ ）
云计算等多个领域 。
１计算 机 系统 结构概 述
计 算机 系统结构的经典定义是阿姆达尔提 出的：计算机 系统结构是程序 员所 看到的计 算机属性 ，即概念性结构与功 能特性 。因为计算机 系统的多层次结构存在 ，所 以不用开发
人 员所看 到的计 算机具有不同的属性 。这些属性主要表现在