軟考：軟件設(shè)計(jì)師（中級）

根據(jù)考試大綱，計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)的考點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

• 計(jì)算機(jī)組成：包括計(jì)算機(jī)的基本組成、Flynn分類、RISC和CISC計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、多處理機(jī)、總線和接口等。
• 數(shù)據(jù)運(yùn)算：包括數(shù)據(jù)的表示（含浮點(diǎn)數(shù)的表示）、邏輯運(yùn)算。
• 尋址方式：包括指令的各種尋址方式。
• 中斷：主要考查中斷的概念，以及中斷響應(yīng)的過程。
• 存儲體系：包括內(nèi)存編址、內(nèi)存容量的計(jì)算、Cache（高速緩沖存儲器）、磁盤參數(shù)的計(jì)算。
• 流水線：主要考查流水線的概念、性能，以及有關(guān)參數(shù)的計(jì)算。
• 性能評估：主要考查系統(tǒng)可靠性的計(jì)算、時(shí)鐘頻率等。

一、計(jì)算機(jī)組成

計(jì)算機(jī)組成：對于本知識點(diǎn)的考查，主要掌握計(jì)算機(jī)的基本組成、Flynn分類、RISC和CISC計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)、多處理機(jī)的關(guān)鍵特性等。

1.1 計(jì)算機(jī)的基本組成

在一臺計(jì)算機(jī)中，主要有6種部件，分別是控制器、運(yùn)算器、內(nèi)存儲器、外存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。

控制器（Control Unit）：是分析和執(zhí)行指令的部件，也是統(tǒng)一指揮并控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作的中心部件，所依據(jù)的是機(jī)器指令。控制器的組成包含程序計(jì)數(shù)器（PC）、指令寄存器
（IR）、指令譯碼器、時(shí)序部件、微操作控制信號形成部件（PSW）和中斷機(jī)構(gòu)。

運(yùn)算器：也叫做算術(shù)邏輯單元（Arithmetic and Logic Unit,ALU），對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。通常由ALU（算術(shù)/邏輯單元，包括累加器、加法器等）、通用寄存器（不包含地址寄存器）、多路轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線組成。

內(nèi)存儲器（Memory或Primary storage,簡稱內(nèi)存或主存）：存儲現(xiàn)場操作的信息與中間結(jié)果，包括機(jī)器指令和數(shù)據(jù)。

外存儲器（Secondary storage或Permanent storage,簡稱外存或輔存）：存儲需要長期保存的各種信息。

輸入設(shè)備（Input devices）：接收外界向計(jì)算機(jī)輸入的信息。

輸出設(shè)備（Output devices）：將計(jì)算機(jī)中的信息向外界輸送。

現(xiàn)在的控制器和運(yùn)算器是被制造在同一塊超大規(guī)模集成電路中，統(tǒng)稱為中央處理器，即CPU（Central Processing Unit）。

1.2 Flynn的分類

1966年，Michael.J.Flynn提出根據(jù)指令流、數(shù)據(jù)流的多倍性特征對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了分類（通常稱為Flynn分類法），有關(guān)概念的定義如下：
（1）指令流：指機(jī)器執(zhí)行的指令序列。
（2）數(shù)據(jù)流：指由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，但不包括輸出數(shù)據(jù)。
（3）多倍性：指在系統(tǒng)性能瓶頸部件上同時(shí)處于同一執(zhí)行階段的指令或數(shù)據(jù)的最大可能個(gè)數(shù)。

Flynn根據(jù)不同的指令流和數(shù)據(jù)流組織方式，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分成如下4類：

單指令流單數(shù)據(jù)流（Single Instruction stream and Single Data stream,SISD）：SISD其實(shí)就是傳統(tǒng)的順序執(zhí)行的單處理器計(jì)算機(jī)，其指令部件每次只對一條指令進(jìn)行譯碼，并只對一個(gè)操作部件分配數(shù)據(jù)。流水線方式的單處理機(jī)有時(shí)也被當(dāng)作SISD.

單指令流多數(shù)據(jù)流（Single Instruction stream and Multiple Data stream,SIMD）：
SIMD以并行處理機(jī)（陣列處理機(jī)）為代表，并行處理機(jī)包括多個(gè)重復(fù)的處理單元，由單一指令部件控制，按照同一指令流的要求為它們分配各自所需的不同數(shù)據(jù)。相聯(lián)處理機(jī)也屬于這一類。

多指令流單數(shù)據(jù)流（Multiple Instruction stream and Single Data stream,MISD）：
MISD具有n個(gè)處理單元，按n條不同指令的要求對同一數(shù)據(jù)流及其中間結(jié)果進(jìn)行不同的處理。一個(gè)處理單元的輸出又作為另一個(gè)處理單元的輸入。這類系統(tǒng)實(shí)際上很少見到。有文獻(xiàn)把流水線看作多個(gè)指令部件，稱流水線計(jì)算機(jī)是MISD.

多指令流多數(shù)據(jù)流（Multiple Instruction stream and Multiple Data stream,MIMD）：MIMD是指能實(shí)現(xiàn)作業(yè)、任務(wù)、指令等各級全面并行的多機(jī)系統(tǒng)。多處理機(jī)屬于MIMD.當(dāng)前的高性能服務(wù)器與超級計(jì)算機(jī)大多具有多個(gè)處理機(jī)，能進(jìn)行多任務(wù)處理，稱為多處理機(jī)系統(tǒng)，不論是大規(guī)模并行處理機(jī)或?qū)ΨQ多處理機(jī)，都屬于MIMD。

1.3 并行處理 -> 常見多處理機(jī)系統(tǒng)

超級標(biāo)量處理機(jī)

在超級標(biāo)量處理機(jī)中，配置了多個(gè)功能部件和指令譯碼電路，采取了多條流水線，還有多個(gè)寄存器端口和總線，因此可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作，以并行處理來提高機(jī)器速度。它可以同時(shí)從存儲器中取出幾條指令同時(shí)送入不同的功能部件。超級標(biāo)量機(jī)的硬件是不能重新安排指令的前后次序的，但可以在編譯程序時(shí)采取優(yōu)化的辦法對指令的執(zhí)行次序進(jìn)行精心安排，把能并行執(zhí)行的指令搭配起來。

超級流水線處理機(jī)

超級流水線處理機(jī)的周期比其他結(jié)構(gòu)的處理機(jī)短。與超級標(biāo)量計(jì)算機(jī)一樣，硬件不能調(diào)整指令的執(zhí)行次序，而由編譯程序解決優(yōu)先問題。

超長指令字處理機(jī)

超長指令字處理機(jī)是一種單指令流多操作碼多數(shù)據(jù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，編譯程序在編譯時(shí)把這個(gè)能并行執(zhí)行的操作組合在一起，成為一條有多個(gè)操作段的超長指令，由這條超長指令控制計(jì)算機(jī)中多個(gè)互相獨(dú)立的功能部件，每個(gè)操作段控制一個(gè)功能部件，相當(dāng)于同時(shí)執(zhí)行多條指令。

向量處理機(jī)

向量處理機(jī)是一種具有向量數(shù)據(jù)表示、并設(shè)置有相應(yīng)的指令和硬件、能對向量的各個(gè)元素進(jìn)行并行處理的計(jì)算機(jī)。當(dāng)進(jìn)行向量運(yùn)算時(shí)，它的性能要比大型機(jī)好得多。

向量處理機(jī)有巨型計(jì)算機(jī)和向量協(xié)處理機(jī)（或稱為數(shù)組處理機(jī)）兩種類型，巨型計(jì)算機(jī)能對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，同時(shí)它還是可以進(jìn)行標(biāo)量計(jì)算和一般數(shù)據(jù)處理的通用計(jì)算機(jī)。向量處理機(jī)一般采用流水線工作，當(dāng)它處理一條數(shù)組指令時(shí)，對數(shù)組中的每個(gè)元素執(zhí)行相同的操作，而且各元素間是互相無關(guān)的，因此流水線不會阻塞，能以每個(gè)時(shí)鐘周期送出一個(gè)結(jié)果的速度運(yùn)行。為了存儲系統(tǒng)能及時(shí)提供數(shù)據(jù)，向量處理器配有一個(gè)大容量的、分成多個(gè)模塊交錯(cuò)工作的主存儲器。為了提高運(yùn)算速度，在向量處理機(jī)的運(yùn)算部件中可采用多個(gè)功能部件，例如向量部件、浮點(diǎn)部件、整數(shù)運(yùn)算部件和計(jì)算地址用的地址部件。向量協(xié)處理機(jī)是專門處理浮點(diǎn)和向量運(yùn)算的數(shù)組處理機(jī)，它連接到主機(jī)總線上。

多處理機(jī)系統(tǒng)

多處理機(jī)具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的處理機(jī)，共享輸入/輸出子系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)統(tǒng)一控制下，通過共享主存或高速通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，協(xié)同求解一個(gè)個(gè)復(fù)雜的問題。多處理機(jī)通過利用多臺處理機(jī)進(jìn)行多任務(wù)處理來提高速度，利用系統(tǒng)的重組能力來提高可靠性、適應(yīng)性和可用性。

多處理機(jī)結(jié)構(gòu)多處理機(jī)具有共享存儲器和分布存儲器兩種不同的結(jié)構(gòu)。具有共享存儲器的多處理機(jī)中，程序員無數(shù)據(jù)劃分的負(fù)擔(dān)，編程容易；系統(tǒng)處理機(jī)數(shù)目較少，不易擴(kuò)充。具有分布式存儲器的多處理機(jī)結(jié)構(gòu)靈活；容易擴(kuò)充；難以在各個(gè)處理單元之間實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳送；任務(wù)動態(tài)分配復(fù)雜；現(xiàn)有軟件可繼承性差，需要設(shè)計(jì)新的并行算法。

多處理機(jī)系統(tǒng)屬于MIMD系統(tǒng)，與SIMD的并行處理機(jī)相比，有很大的差別。其根源就在于兩者的并行性的層次不同，多處理機(jī)要實(shí)現(xiàn)的是更高一層的作業(yè)任務(wù)間的并行。

大規(guī)模并行處理機(jī)

并行處理機(jī)有時(shí)也稱為陣列處理機(jī)，并行處理機(jī)使用按地址訪問的隨機(jī)存儲器，以SIMD方式工作。主要用于要求大量高速進(jìn)行向量矩陣運(yùn)算的應(yīng)用領(lǐng)域。并行處理機(jī)制并行性來源于資源重復(fù)，把大量相同的處理單元通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來，在統(tǒng)一的控制器控制下，對各自分配來的數(shù)據(jù)并行完成同一條指令所規(guī)定的操作。

并行處理機(jī)有兩種基本結(jié)構(gòu)類型：采用分布式存儲器的并行處理結(jié)構(gòu)和采用集中式共享存儲器的并行處理結(jié)構(gòu)。分布式存儲器的并行處理結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)處理機(jī)都有自己局部的存儲器，只要控制部件將并行處理的程序分配至各處理機(jī)，它們便能并行處理，各自從自己的局部存儲器中取得信息。而共享存儲多處理機(jī)結(jié)構(gòu)中的存儲器是集中共享的，由于多個(gè)處理機(jī)共享，在各處理機(jī)訪問共享存儲器時(shí)會發(fā)生競爭。因此，需采取措施盡可能避免競爭的發(fā)生。大規(guī)模并行處理機(jī)（Massively Parallel Processor,MPP）是由眾多的微處理器
（從幾百到上萬）組成的大規(guī)模的并行系統(tǒng)。MPP的出現(xiàn)成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中一個(gè)研發(fā)熱點(diǎn)，被用作開發(fā)萬億次甚至更高速的巨型機(jī)的主要結(jié)構(gòu)。MPP可以采用市場上的出售的RISC處理器，所以有很高的性價(jià)比。

對稱多處理機(jī)

對稱多處理機(jī)（Symmetrical Multi Processor,SMP）目前也基于RISC微處理器。它與MPP最大的差別在于存儲系統(tǒng)。SMP有一個(gè)統(tǒng)一共享主存空間，而MPP則是每個(gè)微處理器都擁有自己的本地存儲器。

總結(jié)

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