第 1 章 計算機組成與體系結構 1.1計算機系統組成

第 1 章 計算機組成與體系結構

 

 

也許有人認爲系統架構設計師不須要硬件或計算機底層原理的知識。由於這個層面的一些處理每每已經封裝好，不須要架構師從新進行規劃。然而，事實並不是如此，系統構建 於硬件與操做系統之上，若是咱們不對計算機底層原理有必定認識，會致使一系列安全與性能問題。本章將從計算機的組成，計算機的指令系統，存儲系統等方面展開論述。

 

1.1 計算機系統組成

 

計算機系統是一個硬件和軟件的綜合體，能夠把它當作按功能劃分的多級層次結構。

 

 

1.1.1 計算機硬件的組成

 

 

硬件一般是指一切看得見，摸獲得的設備實體。原始的馮•諾依曼（VonNeumann）計算機在結構上是以運算器爲中心的，而發展到如今，已轉向以存儲器爲中心了。圖 1-1 所示爲計算機最基本的組成框圖。

 

 

（1） 控制器。控制器是分析和執行指令的部件，也是統一指揮並控制計算機各部件協調工做的中心部件，所依據的是機器指令。控制器的組成包含以下。

① 程序計數器 PC：存儲下一條要執行指令的地址；

 

② 指令寄存器 IR：存儲即將執行的指令；

 

③ 指令譯碼器 ID：對指令中的操做碼字段進行分析解釋；

 

④ 時序部件：提供時序控制信號。

 

（2） 運算器。運算器也稱爲算術邏輯單元（ArithmeticandLogicUnit，ALU），其主要功能是在控制器的控制下完成各類算術運算和邏輯運算。運算器的組成包含以下。

① 算術邏輯單元 ALU：數據的算術運算和邏輯運算；

 

② 累加寄存器 AC：通用寄存器，爲 ALU 提供一個工做區，用在暫存數據；

 

③ 數據緩衝寄存器 DR：寫內存時，暫存指令或數據；

 

④ 狀態條件寄存器 PSW：存狀態標誌與控制標誌（爭議點：也有將其歸爲控制器的）。

 

（3） 主存儲器。主存儲器也稱爲內存儲器（一般簡稱爲「內存」或「主存」）。存儲現場操做的信息與中間結果，包括機器指令和數據。

（4） 輔助存儲器。輔助存儲器也稱爲外存儲器，一般簡稱爲外存或輔存。存儲須要長期保存的各類信息。

（5） 輸入設備。輸入設備的任務是把人們編好的程序和原始數據送到計算機中去，並且將它們轉換成計算機內部所能識別和接受的信息方式。按輸入信息的形態可分爲字符

（包括漢字）輸入、圖形輸入、圖像輸入及語音輸入等。目前，常見的輸入設備有鍵盤、 鼠標、掃描儀等。

（6） 輸出設備。輸出設備的任務是將計算機的處理結果以人或其餘設備所能接受的  形式送出計算機。目前，最經常使用的輸出設備是打印機和顯示器。有些設備既能夠是輸入 設備，同時也能夠是輸出設備，例如，輔助存儲器、自動控制和檢測系統中使用的數模轉換裝置等。

 

1.1.2 計算機系統結構的分類

 

計算機的發展經歷了電子管和晶體管時代、集成電路時代（中小規模、大規模、超大規模、甚大規模、極大規模）。目前，世界最高水平的單片集成電路芯片上所容納的元器件數量已經達到 80 多億個。

1. 存儲程序的概念

 

「存儲程序」的概念是馮•諾依曼等人於 1946 年 6 月首先提出來的，它能夠簡要地歸納爲如下幾點：

（1） 計算機（指硬件）應由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大基本部件組成。

 

（2） 計算機內部採用二進制來表示指令和數據。

 

（3） 將編好的程序和原始數據事先存入存儲器中，而後再啓動計算機工做。這就是存儲程序的基本含義。馮•諾依曼對計算機世界的最大貢獻在於「存儲程序控制」概念的提出和實現。六十多年來，雖然計算機的發展速度驚人，但就其結構原理來講，目前絕大多數計算機仍創建在存儲程序概念的基礎上。一般把符合存儲程序概念的計算機統稱爲馮•諾依曼型計算機。固然，現代計算機與早期計算機相比，在結構上仍是有許多改進的。

隨着計算機技術的不斷髮展，也暴露出了馮•諾依曼型計算機的主要弱點：存儲器訪問會成爲瓶頸。目前，已出現了一些突破存儲程序控制的計算機，統稱爲非馮•諾依曼型計算機，例如，數據驅動的數據流計算機、需求驅動的歸約計算機和模式匹配驅動的智能計算機等。

　　2.Flynn 分類

 

1966 年，Michael．J．Flynn 提出根據指令流、數據流的多倍性特徵對計算機系統進行分類（一般稱爲 Flynn  分類法），有關定義以下。

（1） 指令流：指機器執行的指令序列；

 

（2） 數據流：指由指令流調用的數據序列，包括輸入數據和中間結果，但不包括輸出數據。

Flynn 根據不一樣的指令流-數據流組織方式，把計算機系統分紅如下四類。

 

（1） 單指令流單數據流（Single Instruction stream and Single Data stream，SISD）：SISD  其實就是傳統的順序執行的單處理器計算機，其指令部件每次只對一條指令進行譯碼，並只對一個操做部件分配數據。

（2） 單 指 令 流 多 數 據 流 （Single Instruction stream and Multiple Data stream，SIMD）：SIMD以並行處理機（矩陣處理機）爲表明，並行處理機包括多個重複的處理單元，由單一指令部件控制，按照同一指令流的要求爲它們分配各自所需的不一樣數據。

（3） 多 指 令 流 單 數 據 流 （Multiple Instruction stream and Single Data stream，MISD）：MISD具備 n 個處理單元，按 n  條不一樣指令的要求對同一數據流及其中間結果進行不一樣的處理。一個處理單元的輸出又做爲另外一個處理單元的輸入。這類系統實際上不多見到。有文獻把流水線看做多個指令部件，稱流水線計算機是 MISD。

（4） 多指令流多數據流（Multiple Instruction stream and Multiple Data stream，MIMD）： MIMD 是指能實現做業、任務、指令等各級全面並行的多機系統。如多核處理器、多處理機屬於 MIMD。

 

1.1.3 複雜指令集系統與精簡指令集系統

 

在計算機系統結構發展的過程當中，指令系統的優化設計有兩個截然相反的方向，一個是加強指令的功能，設置一些功能複雜的指令，把一些原來由軟件實現的、經常使用的功能改用硬件的指令系統來實現，這種計算機系統稱爲複雜指令系統計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC）；另外一個是儘可能簡化指令功能，只保留那些功能簡單，能在一個節拍內執行完成指令，較複雜的功能用一段子程序來實現，這種計算機系統稱爲精簡指令系統計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。

 

1. CISC 指令系統的特色

 CISC 指令系統的主要特色以下：

 （1） 指令數量衆多。指令系統擁有大量的指令，一般有 100～250 條。 

（2） 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，僅佔指令總數的 20%，但在程序中出現的頻率卻佔 80%。而大部分複雜指令卻不多使用。

（3） 支持不少種尋址方式。支持的尋址方式一般爲 5～20 種。 

（4） 變長的指令。指令長度不是固定的，變長的指令增長指令譯碼電路的複雜性。 

（5） 指令能夠對主存單元中的數據直接進行處理。典型的 CISC 一般都有指令可以直接對主存單元中的數據進行處理，其執行速度較慢。

（6） 以微程序控制爲主。CISC 的指令系統很複雜，難以用硬佈線邏輯（組合邏輯）電路實現控制器，一般採用微程序控制。

 

1. RISC 指令系統的特色 

RISC 要求指令系統簡化，操做在單週期內完成，指令格式力求一致，尋址方式儘量減小，並提升編譯的效率，最終達到加快機器處理速度的目的。

RISC 指令系統的主要特色以下：

（1） 指令數量少。優先選取使用頻率最高的一些簡單指令和一些經常使用指令，避免使用複雜指令。只提供了 LOAD（從存儲器中讀數）和 STORE（把數據寫入存儲器）兩條指令對存儲器操做，其他全部的操做都在 CPU 的寄存器之間進行。

（2） 指令的尋址方式少。一般只支持寄存器尋址方式、當即數尋址方式和相對尋址方式。 

（3） 指令長度固定，指令格式種類少。由於 RISC 指令數量少、格式少、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） 以硬佈線邏輯控制爲主。爲了提升操做的執行速度，一般採用硬佈線邏輯（組合邏輯）來構建控制器。

（5） 單週期指令執行，採用流水線技術。由於簡化了指令系統，很容易利用流水線技術，使得大部分指令都能在一個機器週期內完成。少數指令可能會須要多週期，例如， LOAD/STORE 指令由於須要訪問存儲器，其執行時間就會長一些。

（6） 優化的編譯器：RISC 的精簡指令集使編譯工做簡單化。由於指令長度固定、格式少、尋址方式少，編譯時沒必要在具備類似功能的許多指令中進行選擇，也沒必要爲尋址方式的選擇而費心，同時易於實現優化，從而能夠生成高效率執行的機器代碼。

（7） CPU 中的通用寄存器數量多，通常在 32 個以上，有的可達上千個。

 

大多數 RISC 採用了 Cache 方案，使用 Cache 來提升取指令的速度。並且，有的 RISC 使用兩個獨立的 Cache 來改善性能。一個稱爲指令 Cache，另外一個稱爲數據 Cache。這樣， 取指令和取數據能夠同時進行，互不干擾。

 

1.1.4 總線

 

總線是一組能爲多個部件分時共享的公共信息傳送線路。共享是指總線上能夠掛接多個部件，各個部件之間相互交換的信息均可以經過這組公共線路傳送；分時是指同一時刻只容許有一個部件向總線發送信息，若是出現兩個或兩個以上部件同時向總線發送信息，勢必致使信號衝突。固然，在同一時刻，容許多個部件同時從總線上接收相同的信息。

按總線相對於 CPU 或其餘芯片的位置可分爲內部總線和外部總線兩種。在 CPU 內部， 寄存器之間和算術邏輯部件 ALU 與控制部件之間傳輸數據所用的總線稱爲內部總線；外部總線是指 CPU 與內存 RAM、ROM 和輸入/輸出設備接口之間進行通訊的通路。因爲 CPU 經過總線實現程序取指令、內存/外設的數據交換，在 CPU 與外設必定的狀況下，總線速度是制約計算機總體性能的最大因素。

按總線功能來劃分，又可分爲地址總線、數據總線、控制總線三類，人們一般所說的總線都包括這三個組成部分，地址總線用來傳送地址信息，數據總線用來傳送數據信息，控制總線用來傳送各類控制信號。