【软考中级备考笔记】计算机体系结构

计算机体系结构 2月19日 – 天气：阴转小雪

1. 冯诺依曼计算机体系结构

冯诺依曼将计算机分为了五大部分，分别是：

• 控制器：主要负责协调指令到执行
• 运算器：负责算数和逻辑运算
• 存储器：负责存储在指令执行过程中产生的一些中间变量
• 输出输出设备：用于接收用户输入并将结果显示给用户

冯诺依曼计算机体系结构由一下特点：

• 冯·诺依曼计算机主要由五大部件组成，分别是：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备；

• 冯诺依曼体系结构的指令和数据均采用二进制码表示；

• 指令和数据以同等地位存放于存储器中，均可按地址寻访；

• 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数所在存储器中的位置；

• 指令在存储器中按顺序存放，通常指令是按顺序执行的，特定条件下，可以根据运算结果或者设定的条件改变执行顺序；

• 机器以运算器为中心，输入输出设备和存储器的数据传送通过运算器。

其中，控制器和运算器成为CPU，而CPU+主存成为主机。

2. 主存储器

主存储体有三部分组成：

• 存储体：实际保存内容的记忆体
• MAR：地址寄存器。
• MDR：数据寄存器。

还有一些其他的概念需要知道：

• 存储单元：用于存储一串二进制的数据，是寻址的最小单元
• 存储字长：存储单元中二进制数据的位数
• 存储字：存储单元中存储的二进制的数据
• 机器字长：CPU一次所能处理的最大二进制位数

其中，MAR的位数决定了存储单元的长度。比如一个长度为4的MAR，那么对应的存储单元的个数就是16个。

MDR决定了每一个存储单元可以存储的二进制的位数。因此对于一个长度为16位的MDR，所对应的存储字长位16。

3. CPU

CPU主要由运算器和控制器组成，下面是运算器的一些基本结构：

• ACC：累加器
• MQ：乘商寄存器，用于在乘除运算时存放操作数和运算结果
• X：通用操作数寄存器，用于存放操作数
• ALU：算数逻辑单元，使用复杂电路实现算数和逻辑运算
• DR：数据缓存寄存器
• PSW：程序状态字，用于保存程序运行的状态

对于控制器来说，主要组成由：

• CU：控制单元，负责分析指令并给出控制信号
• IR：指令寄存器，存放当前正在执行的指令
• PC：程序计数器，存放下一条待执行的指令，有自动加一的功能
• AR：地址寄存器，存放当前CPU所要访问的内存地址
• ID：指令译码器，对操作码进行分析

4. Flynn分类法

主要就是记住不同类型的英文缩写。重点掌握第三条的特点是仅仅理论存在，在实际上不可行。

5. 指令系统

指令指的是计算机执行某一种操作的命令，是计算机运行的最小单位。

一台计算机中所有的指令的集合称为指令系统，也叫做指令集。

指令建立了计算机软件与硬件之间沟通的桥梁。

一条指令由两部分构成：

• 操作码：指定要进行的操作，可以是加减运算，系统中断等等
• 地址码：指定要操作的对象的，可能是对象本身，也可能是对象在内存中或寄存器中的存储的地址

指令可以没有地址码,但是必须有操作码。比如系统中断指令就不需要地址码

寻找指令的方式由叫做寻址方式，分为一下两步：

• 指令寻址：指令寻址就是从PC中获取下一条需要执行的指令
• 数据寻址：当分析完毕需要执行的指令时，如果指令中包含了操作码，则需要根据操作码去获取到真正要操作的数据，这一过程称之为地址寻址。

常见的七种寻址方式：

在计算机科学中，寻址方式是指计算机处理器中用于获取内存地址的方法。以下是七种常见的寻址方式：

• 立即寻址（Immediate Addressing）：指令中包含要操作的数据本身的值，而不是该数据的地址。例如，ADD #5 意味着将寄存器中的值与立即数5相加。

  • 实际操作的数据即不存储在内存中，也不存储于内存中。
  • 不访问内存和寄存器。

• 直接寻址（Direct Addressing）：指令中包含要操作数据的内存地址。例如，LOAD 500 意味着从内存地址500中加载数据到寄存器中。

  • 实际操作的数据存储于内存中。
  • 访问一次内存。

• 间接寻址（Indirect Addressing）：指令中包含一个地址，该地址存储了要操作数据的内存地址。例如，LOAD (500) 意味着从存储在地址500处的内存中加载数据到寄存器中。

  • 实际操作的数据存储于内存中。
  • 访问两次内存。第一次取地址，第二次根据地址找到操作数。

• 寄存器寻址（Register Addressing）：指令中包含一个寄存器的编号，该寄存器中存储了要操作的数据。例如，LOAD R1 意味着将寄存器R1中的数据加载到另一个寄存器中。

  • 实际操作的数据存储于寄存器中。
  • 只访问一次寄存器。

• 寄存器间接寻址（Register Indirect Addressing）：指令中包含一个寄存器的编号，该寄存器中存储了要操作数据的内存地址。例如，LOAD (R1) 意味着从寄存器R1中存储的内存地址中加载数据到寄存器中。

  • 实际操作的数据存储于内存中。
  • 需要首先访问寄存器获取到内存地址。然后根据内存地址获取操作数。

• 相对寻址（Relative Addressing）：指令中包含一个相对于程序计数器（PC）的偏移量，该偏移量用于计算要操作数据的地址。例如，JUMP 10 意味着将程序控制转移到当前位置加上10的地址处。

  • 实际操作的数据存储于内存中。
  • 需要访问一次内存

• 基址寻址（Base Addressing）：指令中包含一个基址寄存器的编号和一个偏移量，该偏移量用于计算要操作数据的地址。例如，LOAD 10(R1) 意味着从存储在寄存器R1中的基址加上偏移量10处加载数据到寄存器中。

  • 实际操作的数据存储于内存中。
  • 需要首先从寄存器中获取基址，根据基址和偏移量获取内存地址。然后访问内存根据地址取出操作数。

一般计算机的指令系统主要分为了CISC和RISC，下面是一个简答的对比：

6. 流水线计算题

7. 存储系统的层次结构

根据距离CPU的远近程度，划分了一下层级：

其中cache的作用是为了解决CPU和主存不一致的问题而建立的。

需要注意的问题

• cache的作用是为了解决CPU和主存不一致的问题而建立的。
• cache中存储的是内存中的部分数据
• CPU先去cache中搜索数据，如果存在则直接返回。如果不存在，则到内存中搜索。同时将搜索到的数据存放到cache中