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 個知識點(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 年提出了一個完整的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)雛形，它由運(yùn)算器、 控制器、 存儲器和輸入/輸出設(shè)備組成?，F(xiàn)代的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與馮·諾依曼等人當(dāng)時提出的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，已發(fā)

2、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(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)了面向高級語言機(jī)器和執(zhí)行高級語言機(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蟛僮飨到y(tǒng)機(jī)器和數(shù)據(jù)庫

3、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(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)。 例如自然語言、 聲音、 圖形

4、和圖像處理等。第 1 章 計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)（2）Handler 分類法：由 WolfganHandler 在 1977 年提出，Handler 分類法根據(jù)計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行的并行度和流水線來對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分類。（3）Kuck 分類法：由 DavidJ．Kuck 在 1978 年提出，Kuck 分類法與 Flynn 分類法相似，也是用指令流、執(zhí)行流和多倍性來描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特征，但其強(qiáng)調(diào)執(zhí)行流的概念，而不是數(shù)據(jù)流。1.3 各種體系結(jié)構(gòu)

5、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

6、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(jìn)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(jìn)行處理，其執(zhí)行速度較慢。 1.3.2 精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）不是簡單地把指令系統(tǒng)進(jìn)行簡化，而是通過簡化指令的途徑使計(jì)算機(jī)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(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單指令以及一些常用指令，避免使用復(fù)

7、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?yàn)?RISC 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