软考（中级-软件设计师）计算机系统篇（0921）

六、计算机系统组成（五大部件）

（冯.诺依曼)
冯.诺依曼计算机的特点：

1. 计算机有五大部件组成：输入设别，输出设备，控制器，运算器，存储器;
2. 指令和疏忽都以同等地位存于存储器，可按地址寻访；
3. 指令和数据用二进制表示；
4. 指令由操作码和地址码组成；
5. 存储程序；
6. 以运算器为中心

输入输出设备与存储器之间的数据传送通过运算器完成。

6.1 主存储器

• 存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码。
• 存储字（word）：存储单元中二进制代码的组合。
• 存储字长：存储单元中二进制代码的位数。
• 存储元：即存储二进制的电子元件，每个存储元可存1bit.
• MAR:地址寄存器
• MDR：数据寄存器

**注意 **

• 1个字节（Byte） = 8bit
• 1B = 1个字节， 1 b = 1个 bit
• `MAR = 4位 —-> 总共有$2^4$个存储单元
• MDR = 16位 —-> 每个存储单元可存放16bit，1个字（word) = 16bit

6.2 CPU-运算器

运算器：用于实现算数运算（如：加减乘除）、逻辑运算（如：与或非）

• ACC：累加器，用于存放操作数，或运算结果。
• MQ：乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作或运算结果。
• X:通用的操作数寄存器，用于存放操作数。
• ALU：算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算。
• DR：数据缓存寄存器。
• PSW：状态条件寄存器，用来保存指令运行标志。

6.3 CPU- 控制器

• CU:控制单元，分析指令，给出控制信号。
• IR：指令寄存器，存放当前执行的指令。
• PC：程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加1功能。
• AR：地址寄存器，保存当前CPU所访问的内存单元地址。
• ID：指令译码器，对操作码进行分析。

6.4 小结

七、计算机体系结构（Flynn分类法)

• Single 单一的
• Multiple 倍数，多种多样的

体系机构类型	结构	关键特性	代表
单指令流单数据流SISD	控制部分：一个 处理器：一个 主存模块：一个		单处理器系统
单指令流多数据流SIMD	控制部分：一个 处理器：多个 主存模块：多个	各处理器以异步的形式执行同一条指令	并行处理机 阵列处理机 超级向量处理机
多指令流单数据流MISD	控制部分：多个 处理器：一个 主存模块：多个	被证明不可能，至少是不实际的	目前没有，有文献称流水线计算机为此类
多指令流多数据流MIMD	控制部分：多个 处理器：一个 主存模块：多个	能够实现作业、任务、指令等各级全面并行	多处理系统，多计算机

八、指令系统

8.1 指令

• 指令（又称机器指令）：是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。
• 一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也好吃呢各位指令集。

8.3 指令格式

一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。

一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分。

操作码：指明操作的类型

地址码：主要指明操作数及运算结构存放的地址

8.3 七种寻址方式

寻找指令中操作数有效地址的方式称为寻址方式

• 立即寻址：操作数作为指令的一部分直接写在指令中，这种操作数称为立即数。
• 寄存器寻址：指令所要的操作数已存储在某寄存器中，或把目标操作数存入寄存器。
• 直接寻址：指令所要的操作数存放在内存中，在指令中直接给出该操作数的有效地址。
• 寄存器间接寻址：操作数在存储器中，操作数的有效地址用SI,DI,BX和BP四个寄存器之一来指定。
• 寄存器相对寻址：操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器或变址寄存器中的内容和指令中的8位或16位偏移量之和。
• 基址加变址寻址方式：操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器和一个变址寄存器的内容之和。
• 相对基址加变址寻址：操作数在存储器中，其有效地址是一个基址寄存器的值，一个变址寄存器的值和指令中的8位或16位偏移量之和。

8.4 复杂指令集计算机（CISC） 和精简指令集计算机RISC

	CISC（Complex）	RISC（Reduced)
指令系统	复杂，庞大	简单，精简
指令数目	一般大于200条	一般小于100条
指令字长	不固定	定长
可访存指令	不加限制	只有Load/Store指令
各种指令执行时间	相差较大	绝大多数一个周期内完成
各种指令使用频度	相差较大	都比较常用
通用寄存器数量	较少	多
控制方式	绝大多数为微程序控制	绝大多数为组合逻辑控制
指令流水线	可以通过一定方式实现	必须实现

8.5 指令的流水处理

指令控制方式理由顺序方式、重叠方式和流水方式。

在概念上，“流水”可以看成时“重叠”的延伸。

差别仅在于“一次重叠”只是把一条指令解释为两个子过程，而”流水“则是分解为更多的子过程。

8.6 流水线的计算

例：若指令流水线把一条指令分为取指、分析和执行三个部分，且三部分的时间分别是取指2ns,分析2ns，执行1ns.

那么，流水线周期是多少？100条指令全部执行完需要的时间是多少？

解题思路：

流水线周期为执行时间最长的一段
流水线计算公式为：
1条指令执行时间+（指令条数-1）*流水线周期
流水线的吞吐率(Though Put rate ,TP)：是指在单位时间内流水线所完成的任务 数量或输出的结果数量。

计算流水线吞吐率的基本公式如下：

​ $TP=\frac{指令条数}{流水线执行时间}$

流水线的加速比：完成同一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线的时间之比。

计算流水线加速比的基本公式如下：

​ $S=\frac{不使用流水线执行时间}{使用流水线执行时间}$

九、输入输出技术——CPU 与外设之间的数据传送方式

CPU与外设之间的数据传送方式：

1、直接程序控制方式：

直接程序控制方式是指在完成数据的输入/输出中，整个输入\输出过程是在CPU执行程序的控制下完成的。这种方式还可以分为以下两种：

（1）无条件传送方式：无条件地与CPU交换数据。

（2）程序查询方式：先通过CPU查询外设状态，准备好之后再与CPU交换数据。

2. 中断方式

中断方式利用中断机制，使I/O系统在与外设交换数据时，CPU无须等待，也不必查询I/O状态，即可以抽身出来处理其他任务，因此提高了系统效率。

3. 直接存储器存取的方式

直接存储器存取（Direct Memory Access,DMA)方式实在存储器与I/O 设备间直接传送数据，即在内存与I/O 设备之间传送一个数据块的过程中，不需要CPU的任何干涉，是一种**完全由DMA硬件完成**I/O操作的方式。

4. 输入/输出处理机

输入/输出处理机（IOP）是一个专用处理机，用于完成主机的输入/输出操作，IOP根据主机的I/O命令，完成对外设数据的输入/输出。

计算机系统中常用的输入/输出控制方式有无条件传送、中断、程序查询和DMA方式等。当采用______方式时，不需要CPU执行程序指令来传送数据。

A.中断 B.程序查询 C.无条件查询 D.DMA

D

下期见~~~