明、清时期，特别是明代，大同是以军事重镇而扬名四海。由于它在北部边防中占据十分重要的地位，在多次的军事斗争中发挥了重要作用，即所谓“屏全晋而拱神京”。再加之其布防之严密，设施之坚固，建筑之高大，在我国古代城防建设史上也属少见。囚此，一直享有“巍然重镇”和“北方锁钥”之誉。
镇城兴建
明朝刚刚建立的第二年（洪武二年，即公元１３６９年）农历十月，明朝名将、副将军常遇春率领郭英、汤和、耿炳义、汪兴祖、陈德、谢成、郭子兴等攻打大同。当时在大同的元朝右丞相扩廓帖木儿闻风直奔甘肃，守将竹贞也仓惶弃城而逃，使大同不战而克。从此，大同纳入明朝版图。
但是，明朝从它诞生的那一天起，北元蒙古就成为它的北边心腹要患。元裔及北万其它蒙古游牧部落的贵族频频入犯，迫使明王朝东起鸭绿江、西迄嘉峪关，沿长城边线陆续设置了九个边防重镇，委派将领，统兵守御。而大同就是九边之一。所以，大同府也称之为大同镇。
洪武五年（公元１３７２年），大将军徐达督率军民在辽、金、元土城的基础上“增筑”大向城。大同镇城的规制便于此奠定。
此时的大同镇城略呈正方形，东西边长约１．５公里，南北边长１．７５公里，周长６．５公里，面积约２．６３平方公里。大同城墙修建得高大雄伟，坚固险峻，各种城防设施齐备，自成一个防御体系。城墙一律以规整有制的石条、石板、石方、石柱等为基，墙体用“三合土”逐段逐层夯成，外围砌以青砖。青砖分大、中、小三种，根据部位不同分别选用。据实地考察，中等型号的城砖一般长约４０厘米，宽约２０厘米，厚约１０厘米，重约１８公斤，相当于现代常用砖重的七倍。由此可以想见当年建城工程的艰巨。大同的城墙高约１４米，最宽处约有１６．６米左右。其中大墙的正墙高约１２米，垛墙（亦称女墙）高约２米。垛墙之上又砌以砖垛，高约０．８米、厚约０．５米、长约５米。垛间距离约为０．５米，垛与垛之间称为垛口，这是守御将士的了望孔和射击口，借此可以较好地隐蔽自己、打击对方。据传，四面城墙共建有五百八十多对垛子，代表着当时大同所辖的村庄数目。在平坦如砥的城墙之上，共有六十二座雄伟的门楼、角楼、望楼，间隔而立。门楼亦称城楼，共有四座，位于四面城墙的中心，平面均呈“凸”字形，城楼均为重檐九脊歇山式屋顶。外有廊柱围绕，下临马道。其中南门城楼最为宽敞雄壮，为三层重楼，面宽６１米，进深２３．３５米，与西门城楼同为明初北方典型的木结构建筑。城墙四角，雄峙着四座俊秀精巧的角楼，它们战时既能观察敌情和打击敌人，平时又可以供游人欣赏塞外的雄伟气象和秀丽景色，两者得以巧妙的结合。其中，以西北角楼尤为高大瑰丽。此楼因其位于八卦十二方位之首——“乾”位上，所以称为“乾楼”；又因它是城内最高的楼阁，作为“镇城之物”，所以又称为“镇楼”；还由于它呈八角形，也称为“八角楼”。因为平时游人常常于此登高览胜，所以又有“镇楼秋爽”的盛誉。明、请两代许多著名文人学士登临此楼时，写下了不少咏怀之作。
此外，还有五十四座望楼伫立在城墙的四面，并建有九十六座窝铺，颇为壮观。其中，“乾楼”之东的望楼——洪字楼，结构和造型颇为精美，为望楼之最。望楼的建造，这是我国其他一些著名古城的城墙建设中所少有的，是研究城垣建筑的珍贵实物。
诸多矗立于城墙上的楼台建筑物在战争中起到了观察、隐蔽、机动、射击、接应、制高和前线指挥所等重要作用。同时，它们也是一组极为珍贵的明代建筑艺术群体。
大同城墙的特点之一，是它的外轮廓并未采用通常的平直做法，而是象齿轮一样，凸凹相间排列有序。凸出的部分为城墙墩子。每一边计有十二个，外加角墩四个，共五十二个。墩距一般为１１３米。每个墙墩作梯形结构，底边长约２３米，顶边长约２０米，顶面积为４００平方米。在四个角墩的外围，还各建有控军台（或称望军台）一座，宽约１６．６米，纵约１５米，与角墩的间距约６６米，上架踏板与城墙相通。这在各地城墙中也是不多见的。这些墩台的设置，主要是从战争上需要考虑的，它可以很好地发挥侧射、策应和了望作用，防止“死角”部位的出现；并且还可以根据观察到的敌情变化，迅速采取应变措施，以增强城防的稳固和应变能力。
另一个特点是，在南城墙的东部，建有“雁塔”一座，俗称了望塔。这在我国城墙建设史上也是仅见的。该塔始建于明代天启年间，高度约１７米，为八角七级砖构宝塔。其形制端庄稳重、秀丽玲珑，底部每面石碣上还镌刻着全城历朝举子姓名及其功名，以激励后人奋进。塔内设踏垛砖梯，可攀登至顶层了望城郊原野，也是战时重要的观察点。
大同城墙很高，所以站在城墙上的任何一个部位，都可以俯瞰全城。东、南、西、北四条主街成“十”字形，将城区划分为四片，每片又由次十字街将其分为四块，每块再由两层十字街分为若干小块。因此，以四条大街为主干的规整十字路，是大同城街道格局的主要特色。俗云：“四大街，八小巷，七十二条绵绵巷”就是指这种格局而言。四大街的中段各建有一楼，诸如钟楼、鼓楼、太平楼、魁星楼等等。在城中心四条大街的交点，树立着一座由四个牌坊连成一体的牌楼，称作“四牌楼”，是木结构建筑，颇为精美。据说是大将军徐达在“增筑”大同城墙竣工之后，为玄耀其功德而树立的。每条大街都通至城门。东门名和阳、南门名永泰、西门名清远、北门名武定，四条大街都按城门名定名。四门之外是瓮城。每个瓮城的建筑面积约为１７６００平方米，与城墙成“凸”字形。瓮城旁辟有偏门，门洞一般进深约３０米。瓮城之外，又修有一道弧形城墙，将瓮城圈在内，称作“月城”。月城又辟有城门。这样，出城或入城必须经过三道门卡。在各门之上还建有“箭楼”或二层“匾楼”。
为了更加有效地防御，还在城墙外侧修有壕堑，深约５米，宽约１０米，即护城河。每当夏、秋之际，护城河象一条彩带似的围绕着大同城，波光潋艳，荡漾着城墙的倒影。它的壮美气势和秀丽景色，足以使人忘却军事重镇的战争硝烟，而作长日的观赏留连。
大同城内除设有府、县两衙负责地方行政、司法、财务以及治安外，主要守御任务由“行都指挥使司”承担，最高军事长官为总兵，兼挂征西前将军印，职衔可达正二品，姓高级武职。总镇署设于城内西北隅，今之帅府街北端，统八卫、七所、额军十三万五千，驻军总数达到全国兵力的十二分之一。
洪武二十四年（公元１３９１年）十月，朱元璋为了加强对大同一线的防卫力量，同时监督大同镇、府的军、政、财务，将其第十三子豫王朱桂改封为代正坐镇大同。代王实际上是大同地区的最高统治者和指挥者。他上马管军、下马管臣，代皇帝行使职权。富丽堂煌的代王府巍峨屹立在城内东北隅。
代王府座北向南，占地面积约为十五万平方米至二十万平方米左右，共辟有四门：东曰东华门、西曰西华门、北曰后宰门、南曰端礼门。端礼门为王府的正门。现今皇城街、东华门、西华门、后宰门四条街皆缘此而得名。王府四周围有土夯砖砌的高大围墙，使它成为一个与外界隔绝的独立大地，当时老四姓称之为“皇城”。现在还残留有一段皇城的北墙垣。皇城的平面轮廓基本是正方形，城内主要建筑沿三条轴线铺开，分为左、中、右三组。其中，中组的建筑规模最为宏大，从南向北依次为端礼门、承运门、承运殿、崇信门、存心殿、长春殿和北门。左边一组依次为广瞻仓、长春宫、望亲楼、清署殿、宗庙、燕居之殿。右边一组戟门之内东西两侧屹立着社稷坛和风云雷坛，其后为大成之殿、谨德殿等。今之主殿街便是当年的“银安殿”（古时王府的主殿，俗称银安殿）的遗址。王府前有金碧辉煌的照壁——九龙壁，极为威严显赫。
综观大同城内的军事布局和守备设置，无疑是一座上下左右、前后内外、布防周严、协调得当的坚城固垒，在我国历代军事重镇的规划建设中，可以说是最杰出的典范之一。这些众多的城防设施浑然一体，好象一盘棋局，井井有条，是我国历史上罕有的“巍然天镇”。
镇城扩建
明英宗时，蒙古族瓦刺部逐渐强盛起来，并乘势南下。明王朝开始实行“羁縻之策”，开放马市拢络蒙古贵族；继因太监王振干政专权，指使官员削减给瓦刺的贡马价五分之四，而成为战争的导火线。
正统十四年（公元１４４９年）七月，瓦刺部在太师也先的率领下，兵分四路，大举南下，也先亲统中路大军直扑入同。明军仓猝应战，屡战失利，边陲告紧，形势危殆。七月十六日，明英宗在太监王振的怂恿挟持下，贸然亲征大同，于是酿成震动朝野的“土木堡”惨败。明军五十万人全军覆没，英宗朱祁镇被俘蒙辱，随行大臣百余名被杀戮殆尽，瓦刺铁骑深入北京城下。
当也先亲自率军直扑大同之时，大同的将士死伤惨重，到后来，“士卒可战者才数百，马百余匹”。新任大同副镇守参将郭登（后为大同镇总兵）以“吾誓与此城共存亡，不令诸君独死”的忠勇之志激励将士，使全城军民同仇敌忾，协力守御，在半年之内连续击退也先六次大规模攻击。其间郭登还不断出击，在沙窝、北水头、栲栳山等地接连重创也先，“军气为之一振”。由于大同的有效抵御，使也先时有腹背受敌的后顾之忧，牵制了也先的兵力，致使其不能全力攻取北京。在这次抵御瓦刺的入侵中，大同充分发挥了屏障三晋、藩卫京师的犄角作用。景帝朱祁钰感慨地对于谦说：“大同，吾藩篱也。”这是很确切的评价。大同将士屡败也先，挫败了瓦刺“欲取大同为巢穴”的野心，也先才“始有还上皇意”。对于英宗的回归明廷，大同无疑起了重要作用。所以当时的大同镇享有“大同士马甲天下”的美誉。
“土木之变”的前前后后，更加显示出大同在抵御北方“边患”中的重要地位和作用。因此，大同城也随之进一步扩建起来。在代宗景泰年间（公元１４５０——１４５７年），巡抚年富首于城北筑起一座小城，名曰操场城，即北关（分东、西两部分，本地人谓之东、西营盘）。该小城城墙周长为３公里，高１２米以上，东、南、北各辟一门。东曰长春门、北曰元冬门（又称玄冬门）、南曰大夏门，与主城门相对。南、北二门之上皆建有门楼，四角也筑有角楼。接着是英宗天顺年间（１４５７——１４６４年），巡抚韩雍续筑东小城、南小城，周长各为２．５公里；并围以护城河，深约５米。东小城即东关，辟有四门。东曰迎恩门、北曰北园门、南曰南园门，西门连接吊桥与主城相通，东、南、北三门之上都建有楼阁。南小城即南关，辟有四门，门洞进深约１３米。东门名迎晖，西门名永丰，南门名永和，北门与主城之月城门合一。其后是嘉靖三十九年（１５６０年），巡抚李文进加高南小城２．６米；到隆庆年间（公元１５６７——１５７２年），巡抚刘应箕又将城墙增高３．３米，增厚２．６米，“石砌砖包”，并建起四座门楼。这时的南关城墙也颇为雄壮了，高达三、四丈。后来，南小城的北门楼改建为文昌阁，东、西门楼也易名为四仙阁和三星阁，南城墙东西两角也各建角楼一座。
北、东、南三关象卫星城一样环列在大同主城的三面，互成犄角之势，然而没有建西关，因此从大同城的外形看，便产生了一段有趣的神话：传说在古时候，有一只美丽的凤凰降落于大同一带，羽毛美丽，光华灿烂。一位勇士用弓箭射折了凤凰的右翅。凤凰受伤落地后就化作大同城。所以，大同又有“凤凰城”之称。南关像风头，北关似凤尾，东关类凤之左翅，唯独没有右翅——西关，人们形象地把大同说成是“凤凰单展翅”。
兴建了三关之后，又因“镇城孤峙，旁无辅卫”，所以又于天顺时，分别在城东和城西修筑了聚乐、高山二堡。聚乐堡位于城东３０公里处，宏治十三年（公元１５００年）复加扩展。该堡呈正方形，堡墙周长１．５公里、高１０米余、厚５米多，辟二门，并建门楼。这两个堡城作为左右两翼，与大同城作犄角之势。至此，大同周围不仅筑起了“三关”，而且又插上了“两翼”，使其军事布防较明初就更加严密了。
镇城强化
明朝中叶以后，蒙古族鞑靼部逐渐兴起，成为明王朝北方的又一“边患”。鞑靼贵族时常骚扰，大同地区人民深受其害。其中鞑靼小王子、俺答为害尤甚。据《大同县志》记载，从成化（公元１４６５——１４８８年）至嘉靖（公元１５２２——１５６７年）年间，蒙古贵族骚扰大同地区就达二十四次之多。成化十九年（公元１４８３年），小王子率兵大举入犯，直抵大同城下，大肆掳掠，焚毁代王别墅。总兵许宁与巡抚郭镗在代王的胁迫下冒险出战，结果大败而归，“死者千余人”。其后数月之内，小王子又先后两次进犯大同，明军每战皆失利，损伤严重。嘉靖十三年正月（公元１５３４年），吉囊青把都以五万精骑兵入犯大同地区，明军坚守城池不敢出战，饷道被断，大同几乎被陷。嘉靖二十九年（公元１５５０年），俺答又以数万骑入犯，巡按御史胡宗宪轻率迎敌，督派大同总兵张达、副总兵林椿出战，深陷重围，全军覆没，二人也皆战死。嘉靖年间，俺答还数次深入大同邻近的浑源、灵邱、怀仁、应县、朔州等地，朝野上下惶惶不可终日。鉴于大同地区的紧张局势，明王朝又一次不得不破费巨资，大兴土木，以加强大同镇的防务。其中，主要采取了两项较为得力的强化防御措施：一是在大同城的西北部，大力修筑长城（即外长城）和屯兵堡；二是实行“召军佃作”，以解决戍守军士和军饷的不足。
在修筑长城和屯兵堡中，主要有这样几次大的行动：成化二十一年（公元１４８５年），负责大同、宣府军务的兵部尚书余子俊奏请修筑长城，东起大同中路，西迄偏头关，长达三百公里，并修建了井坪堡。
嘉靖十八年（公元１５３９年），修建“边墙五堡”，即大同西北部外长城沿线的“镇边堡、镇川堡、镇鲁堡、镇河堡、宏赐堡”。其中镇川堡位于东北２５公里处，北距长城２．５公里，面积０．５平方公里，高８米，厚５．３米，设门楼一座。五堡由东南向西北逐次延伸，绵长５２．５公里，每堡设守备一员率兵驻守，分段戌卫。接着，又陆续修建了得胜、镇羌、拒墙诸堡。得胜堡位于城北４０公里处，距长城１．５公里，面积１平方公里，高８米，厚５．３米，筑门楼二座。并设得胜路，驻参将一员，统领附近诸堡。镇羌堡位于镇城４１．５公里处，距长城５００米，面积约０．５平方公里，厚５．３米，筑门楼一座。拒墙堡位于城西北４０公里处，面积０．５平方公里，高８米，厚５０３米，筑门楼一座。
嘉靖二十三年（公元１５４４年），巡抚詹荣修筑东路长城９０公里，城堡七个，墩台一百五十四个。二十六年（公元１５４７年）三月，又增修长城１５０公里，增筑保安堡，并多筑土堡于内，以屯伏兵。
嘉靖三十七年（公元１５５８年）秋，兵部尚书杨博组织军民整修长城，筑牛心堡（右玉县牛心村）等大小寨堡九座，烽堠二千九百多个，形成一条东起宣府、中经大同，西达右卫（石玉县）的军事防线，并于冲要处深挖壕沟，长达五百余公里。
在翟鹏总督宣（宣化）大（大同）期间，还挑挖大同壕沟一道，长１９５公里，深、宽各６．６米，而且把壕沟的出土垒以为墙。同时，添筑新墩二百九十座，护墩堡十四座，添设守备、操守十四员。另外还盖起营房一千五百间。
翁万达总督宣大时，又修筑了宣大边垣千余里，烽堠三百六十三所。
嘉靖年间，明政府又在边墙冲口等处，添设了空心砖台三百座。
就这样，几经修整，使大同西北边垣地带的防务得到了很大的增强。据统计，明代大同镇所管辖的边墙，东自冀晋两省分界起，西至大同市西北一带，长达３２３．５公里，城堡五百八十三座。这条带形的防御线，蜿蜒于大同北部丛岭沟壑之间，真有如道道重障，严紧地护卫着大同。明代著名的政治家、爱国将领于谦在诗中曾对此赞叹道：“百二连营秦壁垒，五原封锁汉封疆。”诗人李贽游览大同后，在诗中也感慨地说：“此城真与铁城同。”实在不为过誉。
为了解决戌守军士的军需、粮饷困难，大同在明初时便开始实行了军屯和商屯的办法。所谓军屯，就是号令戍守军士开荒种田。其办法是根据明初制定的“军事屯田则例”规定：戍守军士“三分守城，七分屯种”；每个军士受田五十亩，由朝廷供给其耕牛、农具、籽种等，三年内免税，其后每亩纳税一斗。后来，朝廷又屡次放宽和修改“屯出赋税条例”，更加刺激了军士屯田的积极性。所们商屯，就是让商人募民屯垦。当时有规定：商人运粮一石交大同粮仓，发给领淮盐的凭证“一小引”（合二白五十市斤），然后凭此“引”赴产盐地领盐，再运到指定地点销售。这样，道途艰远，运费昂贵，商人就设法在大同地区募民屯垦，就地生产粮食以换取凭证。实行军屯、商屯的结果，在一定程度上解决了大同戍守军士的粮饷、军需以及代王的食俸。
但是，明代中叶以后，由于镇守、太监和军官横行不法，大同军屯趋于崩溃，商屯也因明政府政策的变更而随之衰废。
嘉靖年间，为了解决上述问题，一些有见识的总督和巡抚向皇帝上书，建议在大同地区实行“召军佃作”。据《大同县志·关隘》篇载：嘉靖二十三年（公元１５４４年），巡抚詹荣“以近边宏赐诸堡三十所，延亘五百余里膏腴田，奏诸召军佃作。”所谓“召军佃作”，实际上也就是军屯。《明史·翟鹏传》说：当时曾将修筑长城“得地一万四千九百余顷”“以地募军”，“每军给地五十亩，”被招募者，免除租赋、徭役，春夏农耕，秋冬戍守。采取这些措施，曾经在巩固大同的边防，解决大同卫所军的军需中，起过一定的积极作用。如《明史·翟鹏传》中说，因此而“得军一千五百名，事半功倍，省费数十万计。”
镇城衰退
明末，烽火连年的大同古战场，发生了戏剧性的变化。穆宗皇帝接受了右都御史、宣大总督王崇古和大学士高拱的建议和主张，封俺答之孙拔汉那吉为三品职衔的指挥使，并与蒙古鞑靼部重行“互市”（互相往来贸易），从而打开了与西北少数民族关系的新局面，化干戈为玉帛，变敌对为睦邻。大同便是“互市”点之一。此时，象征着刀剑、战火的千里边垣，化作通往西北各少数民族，以及中亚邻邦的友谊彩虹，这种可喜的局面一直延续了五十多年之久。但是另一方面却使得长城、屯兵堡、烽火台等大同西北部的许多防御设施，因失去了其原有的防御作用，或遭到人为的毁损，或年久失修，而受到严重破坏。
１６４４年农历正月，李自成率领农民起义军五十万，从禹门口渡过黄河，挥师北上。农历三月一日，大同总兵姜（王襄）射杀永庆王，开门迎接闯王入城。义军在大同休整六天，杀死了代王朱传（火齐）及其全家。大同巡抚卫景瑗自缢身亡。义军占据大同镇城，从而打开了通往明朝都城的门户，使义军得以长驱直入北京，推翻了明王朝的统治。
公元１６４４年５月，清王朝派恭顺侯吴顺华率兵进攻大同，姜（王襄）看到难以为守，便投降了清军。
顺治五年（公元１６４８年），江南七省先后燃起了熊熊的反清烈火。姜（王襄）看到清王朝对他并不信任，同时也在这熊熊的反清烈火的推动下，于这一年的十二月宣布反清，归附明桂王。顺治六年（公元１６４９年）的正月，姜（王襄）以大同为基地，派出大军南下，攻克朔州、交城、文水，很快克复晋中各县，使反清烈火燃遍全省。清王朝对此十分惊恐，摄政王多尔衮急忙调兵遣将，派端正郡王博洛、敬谨郡王尼堪率领大军攻大同。在坚城固垒面前，博洛、尼堪屡次受挫，不得不向清廷求援。于是多尔衮亲自出征，严令精兵四面围攻大同。“红夷大炮”和枪弹的爆炸声震撼山岳，但由于大同城高池深，布防设施齐全而严密，众多的楼台、窝铺、壕堑，一道道的纵深防线，加之军民的坚决抵抗，清军围攻了长达九个月之久，也没有攻下这座坚城，使多尔衮一筹莫展。最后因城内粮尽矢绝，部将杨振威临危叛变，刺杀姜（王襄），开门降清，清军才得以进城。当时的清军统帅英王阿济格曾因“久攻大同不下”，而一度被罢除过统帅之职。为此，当他进城后，便把一肚子的羞怒倾泄在大同军民和大同的城防上，他强令清军把原来的城墙一律削掉五尺（名为“斩城”）；同时又进行了血腥的大屠杀（名为“屠城”）。除去一些寺观的僧人道士以外，将城内的军民几乎全部杀光斩绝。使整个大同城陷入了一片血海之中。姜（王襄）的住所被掘盈丈，后成为臭水池塘，今称兰池。大同镇府治也就东移到３０公里外的阳和卫（今阳高县）、县治移于西安（大同郊外）。四年后，才由总督马之先、总兵彭有德，以及知府曹振彦（曹雪芹的高祖）等人，上疏朝廷，又复城移治。经过这次洗劫，大同城便元气大伤，容光大减了。
二百年后，直到清道光年间，尽管中间几经修葺，大同的城防包括东、南、北三关，仅存四座角偻、十座城楼、二十一座望楼、八座窝铺，主城墙也只有十一、二米高了。但由于大同重要的战略地位，炽热的宗教气氛，其后，大同城又逐渐繁华起来，仍然不失为北方的一座军事重镇。
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