計算機組成與體系結(jié)構(gòu)

1、第 1 章 計算機組成與體系結(jié)構(gòu) 根據(jù)考試大綱，本章內(nèi)容要求考生掌握 3 個知識點。 （1）構(gòu)成計算機的各類部件的功能及其相互關(guān)系； （2）各種體系結(jié)構(gòu)的特點與應(yīng)用（SMP、MPP） ； （3）計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。 1.1 計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 馮·諾依曼等人于 1946 年提出了一個完整的現(xiàn)代計算機雛形，它由運算器、控制器、存儲器和輸入/輸出設(shè)備組成?，F(xiàn)代的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與馮·諾依曼等人當(dāng)時提出的計算機系統(tǒng)結(jié)

2、構(gòu)相比，已發(fā)生了重大變化，雖然就其結(jié)構(gòu)原理來說，占有主流地位的仍是以存儲程序原理為基礎(chǔ)的馮·諾依曼型計算機，但是，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了許多改進，主要包括以下幾個方面。 （1）計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從基于串行算法改變?yōu)檫m應(yīng)并行算法，從而出現(xiàn)了向量計算機、并行計算機、多處理機等。 （2）高級語言與機器語言的語義距離縮小，從而出現(xiàn)了面向高級語言機器和執(zhí)行高級語言機器。 （3）硬件子系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件相適應(yīng)，從而出現(xiàn)了面向?qū)ο蟛?/p>

3、作系統(tǒng)機器和數(shù)據(jù)庫計算機等。 （4）計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動型和需求驅(qū)動型，從而出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流計算機和歸約機。 （5）為了適應(yīng)特定應(yīng)用環(huán)境而出現(xiàn)了各種專用計算機。 （6）為了獲得高可靠性而研制容錯計算機。 （7）計算機系統(tǒng)功能分散化、專業(yè)化，從而出現(xiàn)了各種功能分布計算機，這類計算機包括外圍處理機、通信處理機等。 （8）出現(xiàn)了與大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路相適應(yīng)的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 （9） 出現(xiàn)了處理非數(shù)值化信息的智能計算機

4、。 例如自然語言、 聲音、 圖形和圖像處理等。1.2 構(gòu)成計算機的各類部件的功能及其相互關(guān)系 計算機由控制器、運算器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。 第 1 章 計算機組成與體系結(jié)構(gòu) 3 1.3 各種體系結(jié)構(gòu)的特點與應(yīng)用 1.3.1 復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機 復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機（CISC）的主要特點如下。 ① 指令數(shù)量眾多：指令系統(tǒng)擁有大量的指令，通常有 100～250 條。 ② 指令使用頻率相差懸殊：指令使用頻率相差懸殊，最常使

5、用的是一些比較簡單的指令，僅占指令總數(shù)的 20%，但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占 80%，而大部分復(fù)雜指令卻很少使用。 ③ 支持很多種尋址方式：支持的尋址方式通常為 5～20 種。 ④ 變長的指令：指令長度不是固定的，變長的指令增加指令譯碼電路的復(fù)雜性。 ⑤ 指令可以對存儲器單元中的數(shù)據(jù)直接進行處理： 典型的 CISC 處理器通常都有指令能夠直接對內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)進行處理，其執(zhí)行速度較慢。 1.3.2 精簡指令系統(tǒng)計算機 精簡指令系統(tǒng)計算機

6、（RISC）不是簡單地把指令系統(tǒng)進行簡化，而是通過簡化指令的途徑使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理，以減少指令的執(zhí)行周期數(shù)，從而提高運算速度。 RISC 的主要特點： （1）指令數(shù)量少：優(yōu)先選取使用頻率最高的一些簡單指令以及一些常用指令，避免使用復(fù)雜指令。大多數(shù)指令都是對寄存器操作，對存儲器的操作僅提供了讀和寫兩種方式。 （2）指令的尋址方式少：通常只支持寄存器尋址方式、立即數(shù)尋址方式以及相對尋址方式。 （3）指令長度固定、格式種類少：因為 R

7、ISC 指令數(shù)量少，格式相對簡單，其指令長度固定，指令之間各字段的劃分比較一致，譯碼相對容易。 （4） 只提供了 Load/Store 指令訪問存儲器： 只提供了從存儲器讀數(shù) Load 和把數(shù)據(jù)寫入存儲器 Store 兩條指令，其余所有的操作都在 CPU 的寄存器間進行。 （5）以硬布線邏輯控制為主：為了提高操作的執(zhí)行速度，通常采用硬布線邏輯（組合邏輯）來構(gòu)建控制器。而 CISC 的指令系統(tǒng)很復(fù)雜，難以用組合邏輯電路實現(xiàn)控制器，通常采用