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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?,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(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(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 精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) 精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)
6、(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)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(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
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