浅记计算机系统结构、组成及实现之间的区别与关系

计算机系统结构(Computer Architecture)、计算机组成(Computer Organization)和计算机实现(Computer Implementation)是三个不同而又重要的概念, 它们有各自不同的内容定义和技术层面，又有紧密的关联关系。随着计算机的不断普及和大众对相关学术概念的淡化, 这三者的界限变得越来越模糊，极易产生混淆。

一、计算机系统结构

计算机系统结构 (Computer Architecture)，也称为计算机体系结构，是一个系统在其所处环境中最高层次的概念；是对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下的功能进行分配。1964 年，由G.M.Amdahl、G.A.Blaauw、F.P.Brooks 等人首先提出，并为计算机系统结构下了定义，即“程序员（系统程序员，涵盖汇编语言、机器语言、编译程序、操作系统）所看到的（编写出能在机器上正确运行的程序所必须了解到的）系统的一些属性: 概念性的结构和功能上的表现，这些属性既不同于数据流和控制的组织，也不同于逻辑设计和物理实现”。也就是说，计算机系统结构就是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性（从应用程序设计者角度），而计算机系统结构的内特性就是将那些外特性在逻辑上加以实现的基本属性（从计算机系统设计者，主要研究如何合理地实现分配给硬件的功能）。在所有系统结构的特性中，指令系统的外特性是最关键的，因此计算机系统结构有时就简称为指令集系统结构。

计算机系统结构作为一门重要学科，主要研究软件、硬件功能的分配和对软件、硬件界面的确定，因此机器级内部的数据流和控制流的组成，逻辑设计和器件设计等都不包含在计算机系统结构中，与之有关的课程包括计算机组成、操作系统原理、编译原理、汇编语言、高级语言、微机原理与接口、嵌入式系统等，对该学科的学习也有助于理解不同时期出现的新概念和新技术
比如缓存(Cache)、相联、CISC、RISC、云计算、多核技术等。

二、计算机组成

计算机组成(Computer Organization)，也常译为计算机组织或称为计算机原理、计算机组成原理。在计算机系统结构确定了分配给硬件子系统的功能及其概念之后，计算机组成的任务是研究硬件子系统各部分的内部结构和相互联系，以实现机器指令级的各种功能和特性。由此可知它是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成等。计算机组成着眼于机器级内各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能及各部件间的联系。计算机组成设计要解决的问题是在所希望达到的性能和价格下，怎样更好、更合理地把各种设备和部件组织成计算机，来实现所确定的系统结构。计算机组成设计主要是围绕提高速度，着重从提高操作的并行度、重叠度，以及功能的分散和设置专用功能部件来设计的。计算机组成设计要确定的方面一般应包括: 数据通道宽度的确定，各种功能部件的相互连接及性能参数的匹配、功能部件的并行性确定、控制机构的设计、缓冲器和排队的使用、可靠性技术的采用等。即核心目标是最合理的方式将各种设备和部件连接为计算机，以达到最优的性价比，从而实现所确定的系统结构。

三、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，主要研究各部件的物理结构、机器的制造技术和工艺等，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度、速度和信号，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术。计算机实现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起着主导作用。

四、举例

1.指令系统  

指令系统的确定--------------------------------计算机系统结构

指令的实现--------------------------------------计算机组成

具体电路、器件设计及装配技术-----------计算机实现

2.乘法指令

是否设乘法指令--------------------------------计算机系统结构

用高速乘法器还是加法器移位器实现-----计算机组成

器件的类型、数量及组装技术的确定-----计算机实现

3.主存系统 

主存容量与编址方式的确定-----------------计算机系统结构

主存速度的确定、逻辑结构的模式--------计算机组成

器件的选定、电路的设计、组装技术-----计算机实现

4.什么样的系列机属系统结构，系列内的不同型号计算机的组织属组成

五、相互联系

计算机组成的设计，其上决定于计算机系统结构，其下又受限于所用的实现技术，它的发展促进了实现技术的发展，也促进了结构的发展；
计算机实现，特别是器件技术的发展是计算机系统结构和组成的基础，促进了组成与结构的发展；
随着技术的发展，三者关系融合于一体，难以分开，在相互促进中发展。
学习方法

从内到外：数字逻辑-> 组成-> 系统结构

从外到内：系统结构-> 组成

建议

计算机专业，从内到外

软件工程专业，从外到内

六、概念补充

1.透明性: 本来存在的事务或属性，从某个角度上看不到，则为透明。反之，不透明。

比如：

对计算机系统结构来说，存储器采用交叉存取还是并行存取、CPU内部的数据通路的宽度是8位还是16位，这些都是透明的，而对计算机组成来说这些不是透明的。

指令执行采用串行、重叠还是流水控制方式，对系统结构来说是透明的，但对计算机组成来说不是透明的。

乘法指令采用专用乘法器实现。对系统结构来说是透明的，而对计算机组成来说不是透明的。

存储器采用哪种芯片，对计算机系统结构和组成来说是透明的，而对计算机实现来说不是透明的。