第1章计算机组成和体系结构

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1、11第1章计算机组成与体系结构第1章计算机组成与体系结构根据考试大纲，本章内容要求考生掌握3个知识点。（1）构成计算机的各类部件的功能及其相互关系；（2）各种体系结构的特点与应用（SMP、MPP）；（3）计算机体系结构的发展。1.1计算机体系结构的发展冯·诺依曼等人于1946年提出了一个完整的现代计算机雏形，它由运算器、控制器、存储器和输入/输出设备组成。现代的计算机系统结构与冯·诺依曼等人当时提出的计算机系统结构相比，已发生了重大变化，虽然就其结构原理来说，占有主流地位的仍是以存储程序原理为基础的冯·诺依曼型计算机，但是，计算机系统结构有了

2、许多改进，主要包括以下几个方面。（1）计算机系统结构从基于串行算法改变为适应并行算法，从而出现了向量计算机、并行计算机、多处理机等。（2）高级语言与机器语言的语义距离缩小，从而出现了面向高级语言机器和执行高级语言机器。（3）硬件子系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应，从而出现了面向对象操作系统机器和数据库计算机等。（4）计算机系统结构从传统的指令驱动型改变为数据驱动型和需求驱动型，从而出现了数据流计算机和归约机。（5）为了适应特定应用环境而出现了各种专用计算机。（6）为了获得高可靠性而研制容错计算机。（7）计算机系统功能分散化、专业化，从

3、而出现了各种功能分布计算机，这类计算机包括外围处理机、通信处理机等。（8）出现了与大规模、超大规模集成电路相适应的计算机系统结构。（9）出现了处理非数值化信息的智能计算机。例如自然语言、声音、图形和图像处理等。11第1章计算机组成与体系结构1.2构成计算机的各类部件的功能及其相互关系计算机由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备组成。1966年，Michael.J.Flynn提出根据指令流、数据流的多倍性特征对计算机系统进行分类（通常称为Flynn分类法），有关定义如下：n指令流：指机器执行的指令序列。n数据流：指由指令流调用的数据序列，

4、包括输入数据和中间结果，但不包括输出数据。n多倍性：指在系统性能瓶颈部件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。Flynn根据不同的指令流-数据流组织方式，把计算机系统分成4类。（1）单指令流单数据流（SISD）：SISD其实就是传统的顺序执行的单处理器计算机，其指令部件每次只对一条指令进行译码，并只对一个操作部件分配数据。流水线方式的单处理机有时也被当作SISD。值得注意的是，Intel公司的PⅡ中开始采用MMX技术，引进了一些新的通用指令，从某种意义上使用了单指令流多数据流的思想，但是，与Intel公司的前几代产品（X86/Pe

5、ntium）相比，其指令序列的执行方式和调用数据的方式没有发生根本性的变化，所以从整体上来看，采用PⅡ芯片的PC仍属于SISD。（2）单指令流多数据流（SIMD）：SIMD以并行处理机（阵列处理机）为代表，并行处理机包括多个重复的处理单元PU1-PUn，由单一指令部件控制，按照同一指令流的要求为它们分配各自所需的不同数据。相联处理机也属于这一类。（3）多指令流单数据流（MISD）：MISD具有n个处理单元，按n条不同指令的要求对同一数据流及其中间结果进行不同的处理。一个处理单元的输出又作为另一个处理单元的输入，这类系统实际上很少见到。有文献把

6、流水线看做多个指令部件，称流水线计算机是MISD。（4）多指令流多数据流（MIMD）：MIMD是指能实现作业、任务、指令等各级全面并行的多机系统。多处理机属于MIMD。当前的高性能服务器与超级计算机大多具有多个处理机，能进行多任务处理，称为多处理机系统。不论是大规模并行处理机MPP（MassivelyParallelProcessor）还是对称多处理机SMP（SymmetricalMultiProcessor），都属于这一类。Flynn分类法是最普遍使用的。其他的分类法还有：（1）冯氏分类法：由冯泽云在1972年提出，冯氏分类法以计算机系统在

7、单位时间内所能处理的最大二进制位数来对计算机系统进行分类。11第1章计算机组成与体系结构（2）Handler分类法：由WolfganHandler在1977年提出，Handler分类法根据计算机指令执行的并行度和流水线来对计算机系统进行分类。（3）Kuck分类法：由DavidJ．Kuck在1978年提出，Kuck分类法与Flynn分类法相似，也是用指令流、执行流和多倍性来描述计算机系统特征，但其强调执行流的概念，而不是数据流。1.3各种体系结构的特点与应用1.3.1复杂指令系统计算机复杂指令系统计算机（CISC）的主要特点如下。①指令数量众多

8、：指令系统拥有大量的指令，通常有100～250条。②指令使用频率相差悬殊：指令使用频率相差悬殊，最常使用的是一些比较简单的指令，仅占指令总数的20%，但在程序中出现