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1、 软件设计师 http:/ 2 章 计算机硬件基础从历次考试试题来看，计算机硬件知识是软件设计师考试的一个重点。根据考试大纲，计算机硬件基础的考查知识包括以下几个方面：（1）计算机系统的组成、体系结构分类及特性。（2）存储系统。（3）可靠性与系统性能评测基础知识2.1 考点分析本节把历次考试中计算机硬件基础方面的试题进行汇总，得出本章的考点，如表 2-1所示（括号中的数字表示知识点所考查的分数）。表 2-1 计算机硬件基础试题知识点分布根据表 2-1,我们可以得出计算机硬件基础的考点主要有以下几个方面： 软件设计师 http:/ 分类、RISC 和 CISC 计算机的特点、多处理机、总线和接口
2、等。（2）数据运算：包括数据的表示（含浮点数的表示）、逻辑运算。（3）寻址方式：包括指令的各种寻址方式。（4）中断：主要考查中断的概念，以及中断响应的过程。（5）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。（6）流水线：主要考查流水线的概念、性能，以及有关参数的计算。（7）性能评估：主要考查系统可靠性的计算、时钟频率等。对这些知识点进行归类，按照重要程度进行排列，如表 2-2 所示。其中的星号（*）代表知识点的重要程度，星号越多，表示越重要。表 2-2 计算机硬件基础各知识点重要程度在本章的后续内容中，我们将对这些知识点进行逐个讲解。 软件设计师 ht
3、tp:/ 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。2.2.1 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，它们之间的合作关系如图 2-1 所示。（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（
4、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。 软件设计师 http:/ devices）：
5、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）。2.2.2 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，
6、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 软件设计师 http:/ Instruction stream and S
7、ingle 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
8、并行处理机或对称多处理机，都属于 MIMD.2.2.3 并行处理本节主要介绍几种多处理机系统。（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。（2）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
9、题。 软件设计师 http:/ 软件设计师 http:/ 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。（6）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
10、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
11、很高的性价比。（7）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。 软件设计师 http:/ 精简指令系统计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer,精简指令系统计算机）是相对于传统的CISC（Complex Instruction Set Computer,复杂指令系统计算机）而言的。RISC 不是简单地把指令系统进行简化，而是通过简化指令的途径使计算机的结
12、构更加简单合理，以减少指令的执行周期数，从而提高运算速度。在这个知识点，我们主要掌握 RISC 计算机的主要特点，列举如下：（1）指令数量少：优先选取使用频率最高的一些简单指令以及一些常用指令，避免使用复杂指令。大多数指令都是对寄存器操作，对存储器的操作仅提供了读和写两种方式。（2）指令的寻址方式少：通常只支持寄存器寻址方式、立即数寻址方式以及相对寻址方式。（3）指令长度固定，指令格式种类少：因为 RISC 指令数量少，格式相对简单，其指令长度固定，指令之间各字段的划分比较一致，译码相对容易。（4）只提供了 Load/Store 指令访问存储器：只提供了从存储器读数（Load）和把数据写入存储器（Store）两条指令，其余所有
