計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)

1、第 1 章 計(jì)算機(jī)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(gè)知識(shí)點(diǎn)。 （1）構(gòu)成計(jì)算機(jī)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(diǎn)與應(yīng)用（SMP、MPP） ； （3）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。 1.1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 馮·諾依曼等人于 1946 年提出了一個(gè)完整的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)雛形，它由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備組成。現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與馮·諾依曼等人當(dāng)時(shí)提出的計(jì)算機(jī)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(chǔ)程序原理為基礎(chǔ)的馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)，但是，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了許多改進(jìn)，主要包括以下幾個(gè)方面。 （1）計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)、并行計(jì)算機(jī)、多處理機(jī)等。 （2）高級(jí)語言與機(jī)器語言的語義距離縮小，從而出現(xiàn)了面向高級(jí)語言機(jī)器和執(zhí)行高級(jí)語言機(jī)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(jī)器和數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)等。 （4）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的指令驅(qū)動(dòng)型改變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型和需求驅(qū)動(dòng)型，從而出現(xiàn)了數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)和歸約機(jī)。 （5）為了適應(yīng)特定應(yīng)用環(huán)境而出現(xiàn)了各種專用計(jì)算機(jī)。 （6）為了獲得高可靠性而研制容錯(cuò)計(jì)算機(jī)。 （7）計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，這類計(jì)算機(jī)包括外圍處理機(jī)、通信處理機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)

4、。 例如自然語言、 聲音、 圖形和圖像處理等。1.2 構(gòu)成計(jì)算機(jī)的各類部件的功能及其相互關(guān)系 計(jì)算機(jī)由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備組成。 第 1 章 計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu) 3 1.3 各種體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與應(yīng)用 1.3.1 復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) 復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CISC）的主要特點(diǎn)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(jiǎn)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(zhǎng)的指令：指令長(zhǎng)度不是固定的，變長(zhǎng)的指令增加指令譯碼電路的復(fù)雜性。 ⑤ 指令可以對(duì)存儲(chǔ)器單元中的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行處理： 典型的 CISC 處理器通常都有指令能夠直接對(duì)內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其執(zhí)行速度較慢。 1.3.2 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)

6、（RISC）不是簡(jiǎn)單地把指令系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，而是通過簡(jiǎn)化指令的途徑使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理，以減少指令的執(zhí)行周期數(shù)，從而提高運(yùn)算速度。 RISC 的主要特點(diǎn)： （1）指令數(shù)量少：優(yōu)先選取使用頻率最高的一些簡(jiǎn)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(duì)寄存器操作，對(duì)存儲(chǔ)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(duì)尋址方式。 （3）指令長(zhǎng)度固定、格式種類少：因?yàn)?R

7、ISC 指令數(shù)量少，格式相對(duì)簡(jiǎn)單，其指令長(zhǎng)度固定，指令之間各字段的劃分比較一致，譯碼相對(duì)容易。 （4） 只提供了 Load/Store 指令訪問存儲(chǔ)器： 只提供了從存儲(chǔ)器讀數(shù) Load 和把數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器 Store 兩條指令，其余所有的操作都在 CPU 的寄存器間進(jìn)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(shí)現(xiàn)控制器，通常采用