软件设计师：计算机硬件基础

蔚落 2023-01-15 10:29 133阅读 0赞

> [**软考：软件设计师（中级）**][Link 1]

根据考试大纲，计算机硬件基础的考点主要有以下几个方面：

*  **计算机组成**：包括计算机的基本组成、Flynn分类、RISC和CISC计算机的特点、多处理机、总线和接口等。
 *  **数据运算**：包括数据的表示（含浮点数的表示）、逻辑运算。
 *  **寻址方式**：包括指令的各种寻址方式。
 *  **中断**：主要考查中断的概念，以及中断响应的过程。
 *  **存储体系**：包括内存编址、内存容量的计算、Cache（高速缓冲存储器）、磁盘参数的计算。
 *  **流水线**：主要考查流水线的概念、性能，以及有关参数的计算。
 *  **性能评估**：主要考查系统可靠性的计算、时钟频率等。

## 一、计算机组成 ##

计算机组成：对于本知识点的考查，主要掌握计算机的基本组成、Flynn分类、RISC和CISC计算机的特点、多处理机的关键特性等。

## 1.1 计算机的基本组成 ##

在一台计算机中，主要有6种部件，分别是控制器、运算器、内存储器、外存储器、输入设备和输出设备。

1.  **控制器（Control Unit）**：是分析和执行指令的部件，也是统一指挥并控制计算机各部件协调工作的中心部件，所依据的是机器指令。控制器的组成包含程序计数器（PC）、指令寄存器  
    （IR）、指令译码器、时序部件、微操作控制信号形成部件（PSW）和中断机构。
2.  **运算器**：也叫做算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit,ALU），对数据进行算术运算和逻辑运算。通常由ALU（算术/逻辑单元，包括累加器、加法器等）、通用寄存器（不包含地址寄存器）、多路转换器、数据总线组成。
3.  **内存储器**（Memory或Primary storage,简称内存或主存）：存储现场操作的信息与中间结果，包括机器指令和数据。
4.  **外存储器**（Secondary storage或Permanent storage,简称外存或辅存）：存储需要长期保存的各种信息。
5.  **输入设备**（Input devices）：接收外界向计算机输入的信息。
6.  **输出设备**（Output devices）：将计算机中的信息向外界输送。

现在的控制器和运算器是被制造在同一块超大规模集成电路中，统称为中央处理器，即CPU（Central Processing Unit）。

## 1.2 Flynn的分类 ##

> 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了分类（通常称为**Flynn分类法**），有关概念的定义如下：  
> （1）指令流：指机器执行的指令序列。  
> （2）数据流：指由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果，但不包括输出数据。  
> （3）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根据不同的指令流和数据流组织方式，把计算机系统分成如下4类：

1.  **单指令流单数据流**（Single Instruction stream and Single Data stream,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.
2.  **单指令流多数据流**（Single Instruction stream and Multiple Data stream,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，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**（Multiple Instruction stream and Single Data stream,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。有文献把流水线看作多个指令部件，称流水线计算机是MISD.
4.  **多指令流多数据流**（Multiple Instruction stream and Multiple Data stream,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或对称多处理机，都属于MIMD。

## 1.3 并行处理 -> 常见多处理机系统 ##

1.  **超级标量处理机**

在超级标量处理机中，配置了多个功能部件和指令译码电路，采取了多条流水线，还有多个寄存器端口和总线，因此可以同时执行多个操作，以并行处理来提高机器速度。它可以同时从存储器中取出几条指令同时送入不同的功能部件。超级标量机的硬件是不能重新安排指令的前后次序的，但可以在编译程序时采取优化的办法对指令的执行次序进行精心安排，把能并行执行的指令搭配起来。

1.  **超级流水线处理机**

超级流水线处理机的周期比其他结构的处理机短。与超级标量计算机一样，硬件不能调整指令的执行次序，而由编译程序解决优先问题。

1.  **超长指令字处理机**

超长指令字处理机是一种单指令流多操作码多数据的系统结构，编译程序在编译时把这个能并行执行的操作组合在一起，成为一条有多个操作段的超长指令，由这条超长指令控制计算机中多个互相独立的功能部件，每个操作段控制一个功能部件，相当于同时执行多条指令。

1.  **向量处理机**

向量处理机是一种具有向量数据表示、并设置有相应的指令和硬件、能对向量的各个元素进行并行处理的计算机。当进行向量运算时，它的性能要比大型机好得多。

向量处理机有巨型计算机和向量协处理机（或称为数组处理机）两种类型，巨型计算机能对大量的数据进行浮点运算，同时它还是可以进行标量计算和一般数据处理的通用计算机。向量处理机一般采用流水线工作，当它处理一条数组指令时，对数组中的每个元素执行相同的操作，而且各元素间是互相无关的，因此流水线不会阻塞，能以每个时钟周期送出一个结果的速度运行。为了存储系统能及时提供数据，向量处理器配有一个大容量的、分成多个模块交错工作的主存储器。为了提高运算速度，在向量处理机的运算部件中可采用多个功能部件，例如向量部件、浮点部件、整数运算部件和计算地址用的地址部件。向量协处理机是专门处理浮点和向量运算的数组处理机，它连接到主机总线上。

1.  **多处理机系统**

多处理机具有两个或两个以上的处理机，共享输入/输出子系统，在操作系统统一控制下，通过共享主存或高速通信网络进行通信，协同求解一个个复杂的问题。多处理机通过利用多台处理机进行多任务处理来提高速度，利用系统的重组能力来提高可靠性、适应性和可用性。

多处理机结构多处理机具有共享存储器和分布存储器两种不同的结构。具有共享存储器的多处理机中，程序员无数据划分的负担，编程容易；系统处理机数目较少，不易扩充。具有分布式存储器的多处理机结构灵活；容易扩充；难以在各个处理单元之间实现复杂数据结构的数据传送；任务动态分配复杂；现有软件可继承性差，需要设计新的并行算法。

多处理机系统属于MIMD系统，与SIMD的并行处理机相比，有很大的差别。其根源就在于两者的并行性的层次不同，多处理机要实现的是更高一层的作业任务间的并行。

1.  **大规模并行处理机**

并行处理机有时也称为阵列处理机，并行处理机使用按地址访问的随机存储器，以SIMD方式工作。主要用于要求大量高速进行向量矩阵运算的应用领域。并行处理机制并行性来源于资源重复，把大量相同的处理单元通过互联网连接起来，在统一的控制器控制下，对各自分配来的数据并行完成同一条指令所规定的操作。

并行处理机有两种基本结构类型：采用分布式存储器的并行处理结构和采用集中式共享存储器的并行处理结构。分布式存储器的并行处理结构中，每一个处理机都有自己局部的存储器，只要控制部件将并行处理的程序分配至各处理机，它们便能并行处理，各自从自己的局部存储器中取得信息。而共享存储多处理机结构中的存储器是集中共享的，由于多个处理机共享，在各处理机访问共享存储器时会发生竞争。因此，需采取措施尽可能避免竞争的发生。大规模并行处理机（Massively Parallel Processor,MPP）是由众多的微处理器  
（从几百到上万）组成的大规模的并行系统。MPP的出现成为计算机领域中一个研发热点，被用作开发万亿次甚至更高速的巨型机的主要结构。MPP可以采用市场上的出售的RISC处理器，所以有很高的性价比。

1.  **对称多处理机**

对称多处理机（Symmetrical Multi Processor,SMP）目前也基于RISC微处理器。它与MPP最大的差别在于存储系统。SMP有一个统一共享主存空间，而MPP则是每个微处理器都拥有自己的本地存储器。

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