计算机系统结构computer system architecture

从系统程序设计的角度研究计算机的概念性结构和功能特性。
概念 美国计算机设计专家阿姆德尔(G.M.Amdahl)等人于1964年最先提出计算机系统结构的概念。计算机系统结构是程序员所看到的计算机的属性，即其概念性结构和功能特性。按计算机系统的层次概念，程序员从不同层次（级）观察时，计算机会具有不同的属性。例如，使用高级语言的程序员看不到NOVA机和PDP-11机的差别而认为它们具有相同的属性；但使用机器语言或汇编语言的程序员却看出两者的指令系统和输入/输出设备的连接方式的不同，认为它们具有不同的属性。计算机系统结构已发展成为一门内容广泛的学科，它的研究内容包括指令系统、存储体系、输入/输出系统、中央处理机结构、多机系统、人机通讯联系、微程序设计技术等。
计算机系统层次结构 计算机系统可被看成是按功能划分的多层次结构。由高级语言虚拟机器、汇编语言虚拟机器、传统机器语言机器和微程序语言机器所构成的多级层次结构（见图）。机器语言是最基本的，但使用者需用二进制数编写程序，极不方便。实际机器级可分为微程序机器级M₀和传统机器级M₁,M₀的功能用硬件实现，M₁的功能用微程序（固件）实现。操作系统是实际机器的引伸，为使用汇编语言和高级语言提供文件管理、存储系统管理、多道程序等基本操作，构成操作系统机器级M₂。20世纪50年代出现了汇编语言，使用较为方便，在实际机器级上出现了汇编语言机器级M₃。随后出现了面向问题的高级语言，如BASIC、FORTRAN、ALGOL、PASCAL等，在M₃之上又形成高级语言机器级M₄。为适应用户使用计算机的特殊需要，出现了专用语言，在M₄之上又增添了应用语言机器级M₅。M₂～M₅的功能由软件实现，由软件实现其功能的机器称为虚拟机器。

计算机系统的多层次结构

计算机系统结构设计 它的主要任务是确定机器级界面(即软、硬件功能分配)和定义各界面。主要内容有需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价等。需求分析是分析系统所用语言的种类、所用外部设备的特性和应用环境，以及技术经济和市场。需求说明包括所用器件性能、设计准则和功能的说明。概念性设计是按设计准则分配软、硬件功能。具体设计是确定机器级界面的定义，如指令系统、数据表示和寻址方式等。计算机系统的设计有“由上往下”、“由下往上”和“由中间开始”三种方法。用“由上往下”方法时先确定计算机系统的多层次结构中面对使用者的那级虚拟机器的基本特性，而后再逐级往下设计。如图中，先确定应用语言机器级M₅的基本特性，而后设计或选择面向高级语言机器级M₄的高级语言，以及适用于所选高级语言的翻译程序等等。“由下往上”的设计方法是根据当时能得到的器件状况，参照或吸收已有各种机器的优点，首先研制出微程序机器级M₀和传统机器级M₁，而后再在已有硬件基础上，逐步配操作系统和翻译程序等软件。“由中间开始”的设计方法要求先定义好软、硬件的交界面(决定计算机系统的哪些功能由软件实现，哪些功能由硬件实现)，再由中间点分别往上、往下设计。中间点通常取在传统机器级M₁与操作系统机器级M₂之间。
目前绝大多数的计算机系统结构属于诺伊曼(John Von Neuman)等人于1946年提出的范畴，它奠定了计算机发展的基础。该系统中传统机器级M的结构由运算器、控制器、存储器和输入/输出设备组成。设计者当初并未考虑到采用高级语言、操作系统以及应用领域的各种要求，由此引起的矛盾日益突出。计算机系统结构的变革包括：❶从串行算法变为并行算法，出现了向量计算机、并行处理计算机、分布计算机系统等；
❷从传统的指令驱动型变为数据和要求驱动型，出现了数据流机器和归约机；
❸为了缩小高级语言与机器语言的语义差距，出现了面向高级语言机器和直接执行高级语言的机器；
❹为了获得高可靠性的计算机，出现了容错计算机；
❺为适应人工智能的需要，出现了知识信息处理系统（非诺伊曼体系结构）等。新一代计算机的开发和研究，将加速社会的计算机化和信息化的进程。