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1、 网络工程师 http:/ 根据考试大纲，本章要求考生掌握以下知识点。CPU（Centra Processing Unit,中央处理器）和存储器的组成、性能和基本工作原理；常用I/O（Input/Output,输入/输出）设备、通信设备的性能，以及基本工作原理；I/O接口的功能、类型和特点；复杂指令集计算机/精简指令集计算机，流水线操作，多处理机，并行处理。1.1计算机组成 中央处理器是计算机的控制、运算中心，它主要通过总线和其他设备进行联系，另外，在嵌入式系统设计中，外部设备也常常直接接到中央处理器的外部I/O脚的中断脚上。中央处理器的类型和品种异常丰富，各种中央处理器的性能也差别很大，有不
2、同的内部结构、不同的指令系统，但由于都基于冯诺依曼结构，基本组成部分相似。1.1.1运算器运算器的主要功能是在控制器的控制下完成各种算术运算、逻辑运算和其他操作。一个计算过程需要用到加法器/累加器、数据寄存器或其他寄存器，以及状态寄存器等。加法是运算器的基本功能，在大多数的中央处理器中，其他计算是经过变换后进行的。一个位加法的逻辑图如图1-1所示。图1-1位加法逻辑图其中，Xi、Yi是加数和被加数，Ci+1是低位进位，Ci是进位，Zi是和。为完成多位数据加法，可以通过增加电路和部件，使简单的加法器变为串行、并行加法器或超前进位加法器等。运算器的位数，即运算器一次能对多少位的数据做加法，是衡量中
3、央处理器的一个重要指标。1.1.2控制器控制器是中央处理器的核心，它控制和协调整个计算机的动作，其组成如图1-2所示。控制通常需要程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定时与控制电路，以及脉冲源、中断（在图中未表示）等共同完成。图1-2 控制器的组成有关控制器的各组件的简介如下。1）指令寄存器（Instruction Register）显然，中央处理器即将执行的操作码记录在这里。2）指令译码器（Instruction Decoder）将操作码解码，告诉中央处理器该做什么。3）定时与控制电路（Programmable Logic Array）用来产生各种微操作控制信号。4）程序计数器（Progra
4、m Counter）程序计数器中存放的是下一条指令的地址。由于在多数情况下程序是按顺序执行的，所以程序计数器被设计成能自动加1.当出现转移指令、中断等情况时，就必须重填程序计数器。程序计数器可能是下一条指令的绝对地址，也可能是相对地址，即地址偏移量。5）标志寄存器（Flags Register）这个寄存器通常记录运算器的重要状态或特征，典型的有是否溢出、结果为0、被0除等。标志寄存器的典型应用是作为跳转指令的判断条件。6）堆栈和堆栈指针（Stack Pointer）堆栈可以是一组寄存器或在存储器内的特定区域。由于寄存器数量总是有限，所以大多数系统采用了使用存储器的软件堆栈。指向堆栈顶部的指针称
5、为堆栈指针。7）寄存器组上面提及的程序计数器和标志寄存器等为专用寄存器，它们有特定的功能和用途。通用寄存器的功能由程序指令决定，最常见的应用是放置计算的中间结果，减少对存储器的访问次数。通常寄存器的宽度是和运算器的位数相一致的。1.1.3存储器系统这里的存储器是指中央处理器通过总线访问或直接能访问的存储器，通常称为内存。硬盘等需通过I/O接口访问的存储器常称为外存或辅存。存储器的作用显然是存储数据，如指令、指令带的数据（这正是冯诺依曼结构的特点之一）和中央处理器处理后的结果，包括中间结果。中央处理器对存储器的访问必须通过控制地址、数据总线进行。存储器的数组组织是线性的，所存储的数据都有整齐的编
6、号,即访问地址。存储器一般每个存储单元中有8位数据，其容量是其存储单元的总和。存储器的性能指标如下。存取时间：指的是从中央处理器发出指令到操作完成的时间。传输率：或称为数据传输带宽，指单位时间内写入或读取的数据的多少。显然，存取时间越短，则传输率越高。存储密度：在单位面积中的存储容量，人们在不断改进这个值。有关存储器系统的详细内容请阅读本书第2章。1.1.4时序产生器和控制方式为了使得计算机各部件同步工作，计算机中都有一个脉冲源，通常是晶振。这个脉冲源产生主振脉冲，主振脉冲的时间间隔为主振周期，即时钟周期。中央处理器执行指令的时间（包括取址）为指令周期，由于指令可能有不同的复杂度，所以，每种指
7、令的指令周期可能不同。CPU周期也称机器周期，一般是指从内存中读一个指令的最短时间。CPU周期又由若干个时钟周期组成。指令周期与时钟周期的关系如图1-3所示。图1-3 指令周期与时钟周期通常把CPU执行指令的各个微操作遵循的时间顺序叫做时序。时序图是形象地表示信号线上信息变化的时间序列的图形。组合逻辑控制和微程序控制是两种基本的控制方式。1.组合逻辑控制使用专门的逻辑电路的控制方式。它的实现有硬件接线控制和可编程逻辑阵列两种。硬件连线法最直接，可以用较少的元件实现最快的速度，但是如果要更改，只有重新设计。可编程逻辑阵列采用低成本大规模集成电路的方式。组合逻辑控制灵活性很差，在复杂指令系统计算机
8、中难以处理不断增加的复杂指令，但是它使用电子原件少，在精简指令计算机中发挥了很大作用。2.微程序控制为提高控制的灵活性，许多中央处理器采用微程序控制的控制方法。下面介绍几个基本概念。微程序：微程序对应一条机器指令，若干个微指令序列形成一段微程序。而微指令又可细分为若干微操作，控制内存是存放微程序的地方。微操作：是最基本的操作，可分为相容性微操作和不相容性微操作，这两种微操作的区别在于该微操作是否能在一个CPU周期内并行执行。3.微指令格式微指令格式如图1-4所示。操作控制字段顺序控制字段图1-4 微指令的格式在前半部分存放对各种控制门进行激活或关闭的控制信息，后半部分是后续微指令的地址。操作控
9、制字段的格式有两种。水平型微指令：操作控制字段的每一位控制不同的控制门，可以在一个微指令中定义，执行多个并行的微操作的优点是效率高、灵活、执行时间短。垂直型微指令：和水平型相比，其格式要短，一条微指令中包括的微操作少，只有12个，由于其指令字短，所以比较容易掌握。在实践中也常常使用混合型微指令，即是水平型微指令和垂直型微指令的混合。1.1.5指令流、数据流和计算机的分类首先介绍指令流和数据流的定义。指令流：机器执行的指令序列。数据流：由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。1.计算机根据多倍性分类按照计算机在一个执行阶段能执行的指令或能处理数据的最大可能个数，人们把计算机分成四种，如表
10、1-1所示。SISD（Singe Instruction stream and Singe Data stream,单指令流单数据流）：这是最简单的方式，计算机每次处理一条指令，并只对一个操作部件分配数据。表1-1 多倍性分类指令流 数据流 单 多（mutipe）单（singe）SISDMISD多（mutipe）SIMDMIMDSIMD（Singe Instruction stream and Mutipe Data stream,单指令流多数据流）：具备SIMD特点的常常是并行处理机，这种处理机具备多个处理单元，每次都执行同样的指令，对不同的数据单元进行处理。这种计算机非常适合处理矩阵计算等
11、。阵列处理机、超级向量处理机也属于SIMD.MISD（Mutipe Instruction stream and Singe Data stream,多指令流单数据流）：这种处理方式比较难以想象，有多个处理单元，同时执行不同的指令，针对的是单一数据。但有资料认为流水线处理机是由不同操作部件对每个数据进行处理。MIMD（Mutipe Instruction stream and Mutipe Data stream,多指令流多数据流）：这是一种全面的并行处理，典型的是多处理机。这种计算机的设计和控制都很复杂。2.计算机按照程序流程机制分类1）控制流计算机这是通常见到的计算机，使用程序计数器来确定
12、下一条指令的地址。指令程序流由程序员直接控制，其主存是共享的，存储区可以被多指令修改，后面将会提到，这容易产生数据相关性，对并行性不利。2）数据流计算机在冯诺依曼体系中，计算机是由指令流驱动的，而数据流则是处于被动地位的，这看起来合理，但在某些时候也不尽然。相对比的是数据流驱动，即一旦数据准备好，则立即开始执行相关的指令。非冯诺依曼体系仍然在探索中，但对冯诺依曼体系的改良有了相当的成果，即流水线技术和并行计算机。在数据流计算机中，数据不在共享的存储器中，而是在指令间传送，成为令牌。当需要使用该数据的指令收到令牌，开始执行之后，该令牌即消失，执行的指令将执行的结果数据当做新的令牌发送，这种方式不
13、再需要程序计数器和共享的存储器，但是需要检测数据可用性的专门部件，建立、识别、处理数据令牌标记需要时间和空间开销。在其他一些方面，数据流计算机还有一些困难需要克服，例如，在数据流计算机中由于没有程序计数器，使得程序的调试和诊断变得困难，没有共享的存储器，也就无法控制其分配，无法支持数组、递归等操作。3）归约机（Reductions Machine）又称为需求驱动，是由对一个操作结果的需求而起动的。归约机采用一种惰性计算的方式，操作只有在另一条指令需要这个操作的结果时才执行。比如在计算5+（62-10）时，归约机并非先去计算62,而是先计算整个算式，碰到（62-10）再启动一个过程去计算它，最后
14、碰到需要计算62,计算后一层层退回，得到整个算术的值。由于需求驱动可减少那些不必要的求值操作，可以提高系统效率。归约机是一种面向函数式语言或以函数式语言为机器语言的机器，要有函数定义存储器和表达式存储以及操作和数据合并存储，需要大容量物理存储器并采用大虚存容量的虚拟存储器，来满足对动态存储分配和所需存储空间大的需求。1.1.6处理器性能计算机系统是一个极其复杂的系统，不同的指令系统，不同的体系实现方式，不同数量的硬件，不同的部件组合都对计算机的性能造成这样或那样的影响，而且不同的应用对处理器的性能有不同的要求。这使得对处理器性能的评价需要综合考虑各个方面，才能全面地衡量处理器的性能。1.影响处理器性能的因素1）基本字长运算器进行计算的位数称为基本字长，这在运算器中已经提到过。字长越长，处理器能够计算的精度就越高，当然，处理器的复杂度就越高。基本字长增加不但要增加运算器的复杂度，而且需要同时增加寄存器和总线的宽度。2）数据通路宽度数据通路宽度指的是数据总线一次所能并行传送的位数，它体现了信息的传送能力，从而影响计算机的有效处理速度。在处理器内部，数据通路的宽度一般是基本字长，而外部总线的数据通路宽度则不一定。显然，如果外部数据通路宽度小于基本字长，那么运算器需要的数据则要多次通过总线从主存传递到处理器内部。3）指令系统不同的指令系统对处理器的性能也有非常大的影响，我们已
