第七章考试要点
一、体系结构的基本概念
（一） 体系结构的定义
1.Amdahl的定义
1964年G.M.Amdahl（阿姆达尔）在介绍IBM360系统时指出:计算机体系结构是站在程序员的角度所看到的计算机属性，即程序员要能编写出可在机器上正确运行的程序所必须了解的概念性结构和功能特性。这是关于体系结构的早期定义，从此，计算机体系结构（computer architecture）一词便广泛地使用起来。
2.Myers的定义
1982年，梅尔斯（G.J.Myers）在他所著《计算机体系结构的进展》（advances in Computer Architecture）一书中，定义了组成计算机系统的若干层次，每一层都提供一定的功能支持它上面的一层，并把不同层之间的界面定义为某种类型的体系结构。Myers的定义发展了Amdahl的概念性结构的思想，明确了传统体系结构就是指硬件与软件之间的界面，即指令集体系结构。根据这个层次模型，我们可以进一步引入虚拟机的概念，例如，系统虚拟机就是把操作系统提供的命令和功能调用当作该虚拟机的机器语言。又如，高级语言虚拟机就是把某种高级语言当作它的机器语言。从这个观点来看，说“BASIC就是计算机”也不无道理。从Myers的定义可以看出，计算机系统组织包括了各种体系结构，因此指令集体系统构就成为计算机系统组织的一个子集。
3.Baer的定义
1984年拜尔（J.L.Baer）在一篇题为“计算机体系结构”（Computer Architecture）的文章中，给出了一个含义更加广泛的定义:体系结构是由结构、组织、实现、性能四个基本方面组成。其中，结构指计算机系统各种硬件的互连;组织指各种部件的动态联系与管理;实现指各模块设计的组装完成;性能指计算机系统的行为表现。这个定义发展了Amdahl的功能特性思想。显然，这里的计算机系统组织又成为体系结构的一个子集。
4.我们的观点
目前，国内流行的几本体系结构的教材，大多采用Myers的说法。因而，常对计算机体系结构、计算机组织、计算机实现三者的关系加以区别:
（1）计算机体系结构（computer architecture）是指计算机的概念性结构和功能属性。
（2）计算机组织（computer organization）是指计算机体系结构的逻辑实现，包括机器内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。我们平常也把它称为计算机组成原理。
（3）计算机实现（computer implementation）是指计算机组织的物理实现。
（二） 体系结构的继承与发展
1.传统体系结构的形成
1964年Amdahl在宣布IBM360系统时，也就是提出前述体系结构的定义时，还提出了采用系列机的思想。系列机的出现被认为是计算机发展史上的一个重要里程碑。采用系列机的思想后，比较好地解决了硬件技术飞速发展与软件环境要求相对稳定的矛盾。这就要求在比较长的时间内，保证系列机的体系结构基本不变。其中，最重要的是确定好它的指令系统、数据表示以及其它概念性的结构。
2.IBM对体系结构继承性的贡献
IBM系列机的出现对体系结构继承性的形成产生过很大的影响。
（1）IBM第一代计算机1953年4月7日，IBM公司IBM701大型科学计算机面世。
（2）IBM第二代计算机1958年IBM推出了它的第二代主流产品7000系列晶体管计算机。
（3）IBM第三代计算机1961年IBM公司提出了“360系统计划”。360系统的主要贡献是:确立了体系结构的概念。1971年IBM公司又推出370系统取代360系统。它继承了360的体系结构，并且进一步实施“微码决策”。1977年IBM公司又推出3030系列，继承了370系统的体系结构，进一步实施“微码决策”，大幅度改善了多虚存操作系统MVS/SE，增强了安全保密性和神秘色彩，使兼容厂家难以仿制。
（4）IBM第四代计算机1979年IBM公司又推出4300系列、3080系列，1985年又推出3090系列。90年代它又推出IBM9000系列。
3.冯?诺依曼结构的特点
把冯?诺依曼计算机（Von Neumann computer）的特点归纳如下:
（1）使用单一处理部件来完成计算、存储及通信工作。
（2）使用线性组织的定长存储单元来存储程序，存储时对指令和数据不加区别。
（3）存储空间的单元是直接寻址的。
（4）使用二进制机器语言，其指令完成基本操作码的简单操作。
（5）对计算进行集中的顺序的控制。
4.普林斯顿结构与哈佛结构
有人就把冯?诺依曼结构称为普林斯顿体系结构（Princetion architecture）。与此相对的一种结构则称为哈佛体系结构（Harvard architecture）。哈佛体系结构的主要特点是把指令和数据分开进行存储。今天，我们所说的哈佛结构主要是指在单一的主存储器情况下，带有两个分离的指令高速缓存（instruction cache）和数据高速缓存（data cache）。
5.非冯?诺依曼结构的发展
冯结构既为计算机的发展铺平了道路，又因“集中的、顺序的控制”而成为性能提高的瓶颈。因此，计算机科学家仍在不断地探索各种非冯?诺依曼结构的计算机。例如，函数式编程语言计算机、数据流计算机就是著名的非冯?诺依曼结构。
（三） 体系结构的分类
1.宏观上按处理机数量的分类
（1）单处理系统单处理系统（uniprocessing system）是利用一个处理单元与其它外部设备结合起来，实现存储、计算、通信、输入与输出等功能的系统。
（2）并行处理与多处理系统并行处理与多处理系统（parallel processing and multiprocessing system）是为了充分发挥问题求解过程中处理的并行性，利用两个以上的处理机互连起来，彼此进行通信协调，以便共同求解一个大问题的计算机系统。
（3）分布式处理系统分布式处理系统（distributed processing system）是指物理上远距离而松耦合的多计算机系统。其中，物理上的远距离意味着通信时间与处理时间相比已不可忽略，在通信线路上的数据传输速率要比在处理机内部总线上传输慢得多，这也正是松耦合的含义。
2.微观上按并行程度的分类
（1）Flynn的分类法1966年M.J.Flynn提出按指令流和数据流的多少进行分类的方法。他首先定义了:指令流是机器执行的指令序列;数据流是由指令调用的数据序列。然后，他把计算机系统分为四类。
①单指令流、单数据流（SISD）计算机
②单指令流、多数据流（SIMD）计算机
③多指令流、单数据流（MISD）计算机
④多指令流、多数据流（MIMD）计算机
（2）冯泽云分类法1972年美籍华人冯泽云（Tse-yun Feng）教授提出按并行度（degree of parallelism）对各种计算机系统进行结构分类的方法。他把计算机系统分成四类:①字串行、位串行（WSBS）计算机②字并行、位串行（WPBS）计算机③字串行、位并行（WSBP）计算机④字并行、位并行（WPBP）计算机
（3）Handler分类法1977年德国的汉德勒（Wolfgang Handler）提出一个基于硬件并行程度的计算并行度的方法。他把计算机的硬件结构分为三个层次:处理机级、每个处理机中的算逻单元级、每个算逻单元中的逻辑门电路级。分别计算机这三级中可以并行或流水处理的程序，即可算出某系统的并行度。
（4）Kuck分类法1978年美国的库克（David J.Kuck）提出与Flynn分类法类似的方法，只是他用了指令流和执行流（execution stream）及其多重性来描述计算机系统控制结构的特征。他把系统结构分为四类:
①单指令流、单执行流（SISE）
②单指令流、多执行流（SIME）
③多指令流、单执行流（MISE）
④多指令流、多执行流（MIME），它们是典型的多处理机系统。一种好的分类法能帮助我们深入地理解体系结构的特点，使人们能更好掌握计算机的工作原理以及发展趋势。但很难说已经有令人满意的分类法被学术界一致认可。
二、指令系统
（一） 指令集体系结构的分类
1.分类的依据
从体系结构的观点对指令集进行分类，可以根据下述五种尺度:
（1）操作数在CPU中的存储方式，即操作数从主存中取来后要把它保存在什么地方。
（2）显式操作数的数量，即在条典型的指令中有多少个显式命名的操作数。
（3）操作数的位置，即任一个ALU指令的操作数能否放在主存中，或者必须把某些操作甚至全部操作数都放在CPU的内部存储器中?如果某操作数要放在主存中，那么它是如何定位的?
（4）指令的操作，即在指令集中提供哪些操作?
（5）操作数的类型与大小，即每个操作数是什么类型、尺寸大小，以及怎样对它规定。
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