计算机组成与系统结构 陈泽宇 副教授
第1章 计算机系统概论 第2章 运算方法和运算器 第3章 存储系统 第4章 指令系统 第5章 中央处理器（CPU） 第6章 总线系统 第7章 输入输出（I/O）系统 第8章 并行计算机系统
1.3 计算机系统的概念 1.3.1 计算机系统的层次结构 1.3.2 计算机系统的3个术语 1.3.3 计算机体系结构的分类
1.3.1 计算机系统的层次结构 现代计算机系统是硬件、固件和软件组成的一个复杂整体 为了对计算机系统进行描述、分析、设计和使用，人们从语言的角度出发，把计算机系统按功能分成5个层次级别 每一级以一种不同的语言为特征 每一级都能进行程序设计
第1级是微程序设计级，属于硬件级，由机器硬件直接执行微指令 第2级是机器语言级，属于硬件级，由微程序解释机器指令系统 第3级是操作系统级，属于（软硬件）混合级，由操作系统程序实现 第4级是汇编语言级，属于软件级，由汇编程序支持和执行 第5级是高级语言级，属于软件级，由各种高级语言编译程序支持和执行
各层次之间关系紧密，上层是下层功能的扩展，下层是上层的基础 第1级 微程序设计级 由机器硬件直接执行微指令 硬件级 二进制语言 第2级 机器语言级 由微程序解释机器指令系统 第3级 操作系统级 由操作系统程序实现 混合级 第4级 汇编语言级 由汇编程序支持和执行 软件级 符号语言 第5级 高级语言级 由各种高级语言编译程序支持和 执行
1.3.2 计算机系统的3个术语 1．计算机体系结构 2．计算机组成 3．计算机实现
1．计算机体系结构 计算机体系结构（Computer Architecture）定义为机器语言程序员所看到的计算机系统的属性 是计算机系统中由硬件或固件完成的功能 主要包括：数据表示、寻址规则、寄存器定义、指令集、终端系统、存储系统、信息保护、I/O结构等 计算机体系结构概念的实质 确定计算机系统中软硬件的界面 界面之上是软件的功能，界面之下是硬件和固件的功能
2．计算机组成 计算机组成（Computer Organization）指的是计算机体系结构的逻辑实现 包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等 着眼于机器内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件的联系
3．计算机实现 计算机实现（Computer Implementation）指的是计算机组成的物理实现 包括处理机、存储器等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等 着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中占主导作用
具有相同计算机体系结构（如指令系统相同）的计算机，可以采用不同的计算机组成 取指令、指令译码、指令执行、访存取数、结果写回5个阶段，可以在时间上顺序进行，也可以在时间上重叠进行（即时间并行），以提高执行速度 一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现 存储器件可以采用静态RAM芯片，也可以采用动态RAM芯片，可以采用单片大规模集成电路，也可以采用中小规模集成电路进行构建 取决于性能价格比的要求与器件技术的现状
1966年，Michael J. Flynn从计算机体系结构的并行性能出发，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4类： 1.3.3 计算机体系结构的分类 1966年，Michael J. Flynn从计算机体系结构的并行性能出发，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4类： Single Instruction （单指令） Multiple Instruction （多指令） Single Data （单数据） SISD （单指令流单数据流） MISD （多指令流单数据流） Multiple Data （多数据） SIMD （单指令流多数据流） MIMD （多指令流多数据流）
1．SISD体系结构 SISD计算机是传统的顺序执行的计算机（FLASH演示） 在同一时刻只能执行一条指令（即只有一个控制流）、处理一个数据（即只有一个数据流） 由一个处理器和一个存储器组成 主要缺点 单个处理器处理能力有限 没有发挥数据处理中的并行性潜力
2．SIMD体系结构 SIMD计算机属于并行结构计算机（FLASH演示） 一条指令可同时对多个数据进行运算 单一指令部件，多个处理单元 由一个控制器、多个处理器、 多个存储模块和一个互连网络组成 以阵列处理机和向量处理机为代表
3．MISD体系结构 MISD计算机（FLASH演示） 有多个处理单元，分 别执行不同的指令流 同一个数据流顺次通 过各个处理单元 只适用于某些特定算法，在常见计算机系统中很少见
4．MIMD体系结构 MIMD计算机属于并行结构计算机（FLASH演示） 多个处理单元根据不同的控制流程执行不同的操作，处理不同的数据 由多台处理机、多个存储 模块和一个互连网络组成 每台处理机执行自己的指 令，操作数也是各取各的， 每个处理器都可单独编程 以多处理机和机群系统为代表
本讲到此结束，谢谢！