計算機組織指的是計算機的主要功能部件，包括運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備等之間的相互連接和相互作用，從而實現機器指令級的各種功能和特性。
系統結構與發展
系統結構
計算機系統結構是從程序設計者的角度來看待計算機的屬性，位于計算機系統的層次結構中的機器語言級別。計算機組織則是計算機系統結構的邏輯實現和物理實現，旨在提高性能價格比，實現計算機在機器指令級的功能和特性。計算機組織的任務包括研究和建立各功能部件間的相互連接和相互作用，以及完成各個功能部件內部的邏輯設計。當邏輯設計深入到元件、器件級時，便是物理實現的內容。有時，前者被稱為計算機組織，后者被稱為計算機實現。然而，隨著集成電路規模的不斷擴大，這兩步實現的內容難以明確區分，因此通常將兩者統稱為計算機組織。
發展原則
計算機組織的發展遵循了幾項基本原則，包括信息流量平衡、層次化、模塊化和功能分散化。這些原則不僅體現在計算機系統的全局，也存在于各個局部。例如，層次存儲系統和虛擬存儲器的出現是為了追求中央處理器和存儲器之間信息流量的平衡。虛擬存儲器是在層次組織的基礎上發展起來的，使得用戶能夠以接近高速緩沖存儲器的速度使用比主存容量更大的存儲空間。此外，模塊化的思想也被廣泛應用于計算機系統的各個層面，以便于組件的增減或替換，不影響整個系統的正常運行。
功能組成
現代計算機的功能部件包括中央處理器、控制器、存儲器和輸入輸出子系統。中央處理器一般包括運算器和控制器，負責基本算術邏輯操作和復雜操作。運算器可以根據具體需求采用不同的實現方法，如流水線運算部件或陣列乘法器等并行處理組織形式。控制器實現了對指令的時序控制，而存儲器則提供了可按地址訪問的一級地址空間。輸入輸出子系統包括電腦鍵盤、盒式錄音磁帶設備等，通過運算器完成輸入輸出操作的控制。
技術原理
計算機組織的發展過程中體現了一些技術原理，如信息流量平衡、層次化、模塊化和功能分散化。這些原則不僅適用于計算機系統的全局，也適用于各個局部。例如，層次存儲系統和虛擬存儲器的引入是為了平衡中央處理器和存儲器之間的信息流量。虛擬存儲器正是在這種層次結構的基礎上發展起來的，允許用戶以接近高速緩沖存儲器的速度使用比主存儲器更大容量的存儲空間。此外，模塊化的思想也在計算機系統的各個層級得到了廣泛應用，使得組件可以方便地添加或替換，而不會影響整個系統的正常運作。
性能提升
計算機組織的發展歷程反映了不斷提高運算速度、存儲容量、處理能力和降低機器成本的趨勢。為了充分發揮所有功能部件的整體效能，必須確保各部件之間信息流量的平衡。例如，層次和并行存儲系統的出現就是為了平衡中央處理器和存儲器之間的信息流量。此外，采用層次概念可以使外部標準化與內部多樣性相結合，如通過標準的輸入/輸出通道或接口經過設備控制器驅動多種特性和類型的外圍設備。這種虛擬系統的設計理念類似于計算機系統結構中實現各層虛擬機器的原理。
結構改進
傳統計算機結構中，中央處理器扮演著核心角色，負責所有的指令操作和輸入輸出控制。然而，隨著處理任務的集中和數據流量的增長，這種結構不再適用。新型的計算機組織采用了以存儲器為中心的互連方式，使得批量的輸入輸出數據可以越過中央處理器直接進出主存儲器，只有在必要時才會通過中斷方式請求中央處理器進行短暫干預。在設備數量較多的情況下，所有外圍設備可以通過統一的總線和標準接口與中央處理器和存儲器模塊相連，這種總線互連方式大大提高了計算機系統的靈活性和通用性。
參考資料 >
計算機系統的硬件組成和主要部件.電子發燒友.2024-11-07
計算機系統結構.知乎專欄.2024-11-07