计算机体系结构的基本概念
计算机四大基础知识点总结
计算机四大基础知识点总结计算机是现代社会不可或缺的一部分，它已经深入到我们的生活中的方方面面。
无论是工作、学习还是娱乐，我们都需要计算机来帮助我们处理数据、提高效率。
而要深入理解计算机，首先需要掌握计算机的四大基础知识点，包括计算机组织与体系结构、操作系统、数据结构与算法，以及编程语言。
一、计算机组织与体系结构1. 计算机的基本组成计算机主要由中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、输入设备、输出设备和存储设备组成。
CPU是计算机的“大脑”，它负责执行指令、控制数据流通。
RAM是计算机的临时存储区域，用来存储数据和程序。
输入设备是用来输入数据和指令的设备，比如键盘、鼠标等。
输出设备是用来展示计算结果的设备，比如显示器、打印机等。
存储设备是用来长期存储数据和程序的设备，比如硬盘、光盘等。
2. 计算机的体系结构计算机的体系结构包括指令系统、总线结构、存储系统和输入/输出系统。
指令系统是CPU执行指令的集合，包括指令格式、寻址方式和指令执行的时序规定。
总线结构用于连接 CPU、内存和输入/输出设备，传输数据和指令。
存储系统包括RAM和存储设备，用来存储数据和程序。
输入/输出系统负责将数据从输入设备传输到存储设备或输出设备，以及从存储设备传输到输出设备。
3. 计算机的工作原理计算机工作的基本原理可以概括为：输入、处理、输出和存储。
首先，计算机通过输入设备接收数据和指令。
然后，CPU根据指令执行相应的运算和逻辑操作，得到结果。
最后，计算机将结果通过输出设备展示给用户，同时也会将数据和程序存储在存储设备里。
4. 计算机的性能指标计算机的性能指标包括速度、存储容量和可靠性。
速度是指计算机执行任务的快慢，通常用处理器的主频来表示。
存储容量是指计算机能够存储数据和程序的大小，通常用RAM和硬盘容量来表示。
可靠性是指计算机运行稳定性和故障率，通常用故障率和平均时间故障间隔来表示。
二、操作系统1. 操作系统的功能操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理计算机的硬件资源和提供用户与计算机的接口。
计算机体系结构与并行处理
计算机体系结构与并行处理计算机体系结构与并行处理是计算机科学领域中的重要概念。
本文将介绍计算机体系结构的基本原理、并行处理的概念及其应用，并附带题库类型的相关问题及解析。
一、计算机体系结构基本原理计算机体系结构是指计算机系统中各个硬件组件之间的结构关系和工作原理。
它包括计算机的各个层次结构，以及指令系统设计、存储器层次结构和总线结构等内容。
1. 数据通路与控制单元计算机体系结构中，数据通路用于处理和传输数据，控制单元则负责指导和协调各个硬件组件的工作。
数据通路包括算术逻辑单元(ALU)、寄存器、数据缓冲器等，而控制单元则由指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)和控制逻辑组成。
2. 存储器层次结构存储器层次结构包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储器等。
其中，寄存器是CPU内部用于保存数据和指令的最快速的存储器。
高速缓存则位于CPU与主存之间，用于加速数据的读写。
主存是计算机中用于存储程序和数据的主要存储设备。
而辅助存储器则用于长期存储数据和程序。
3. 指令系统设计指令系统是计算机体系结构的核心部分，它规定了计算机所能执行的指令集和执行方式。
指令集包括数据传输指令、算术逻辑指令、控制转移指令等。
指令系统设计的关键是平衡指令的功能和数量，以满足计算机的多样化需求。
4. 总线结构总线是计算机中用于数据传输的公共通道。
总线结构包括数据总线、地址总线和控制总线等。
数据总线用于传输数据，地址总线用于定位数据在存储器中的位置，而控制总线则用于传输控制信号。
二、并行处理的概念及应用并行处理是指多个处理器同时执行多个任务或同一任务的不同部分，以提高计算机系统的性能和效率。
它可以分为粗粒度并行和细粒度并行。
1. 粗粒度并行粗粒度并行是指将一个任务分成多个子任务，由多个处理器分别执行。
每个处理器独立地处理自己的子任务，最后将结果合并。
粗粒度并行适用于需要处理的数据量大、计算复杂度高的任务，如科学计算和大规模数据处理。
2. 细粒度并行细粒度并行是指将一个任务分成多个子任务，并行执行它们的不同部分。
计算机体系结构基础
计算机体系结构基础计算机体系结构是计算机科学中的一个重要概念，它定义了计算机硬件和软件之间的交互方式以及如何组织和设计计算机系统的结构。
本文将探讨计算机体系结构的基础知识，包括指令集体系结构、处理器架构和存储器层次结构。
一、指令集体系结构指令集体系结构（Instruction Set Architecture），简称ISA，是计算机体系结构的基础。
它定义了一组与硬件交互的指令集合，并规定了指令的格式、操作码和寻址方式等。
常见的指令集体系结构包括CISC （复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）。
CISC架构的特点是指令集复杂，提供了丰富的指令集合和多种寻址方式，使得每条指令可以执行多个操作。
而RISC架构则强调指令集的精简性和规范性，将更多的工作转移到编译器层面。
两者的选择取决于需求和设计目标，如应用场景的复杂度和对计算速度和资源利用效率的要求。
二、处理器架构处理器架构（Processor Architecture）决定了计算机的运算能力和效率。
处理器是计算机体系结构的核心部件，其结构和设计方式关系到计算机性能的提升和效能的增加。
传统的处理器架构采用单指令流单数据流（SISD）方式，即每次只能执行一条操作指令和一条数据流，效率有限。
而后来出现的多指令流多数据流（MIMD）方式，则能够同时处理多条指令和数据流，提高了计算能力和效率。
此外，处理器架构还包括流水线结构和超标量结构等。
流水线结构将一条指令的执行过程划分为多个阶段，使得各个阶段可以并行进行，从而提高整体执行效率。
超标量结构则允许多条指令并行执行，更进一步提高了计算速度。
三、存储器层次结构存储器层次结构（Memory Hierarchy）是计算机体系结构中的重要组成部分，用于解决计算机存储器访问速度和容量之间的矛盾。
它按照存取速度和容量的大小将存储器划分为多个层次。
存储器层次结构的基本原理是利用不同层次存储介质的速度和容量差异来平衡。
计算机系统结构复习
n
2
pi (pi 表示第 i 种操作码在程序中出现的概率)
4
Copyright 2011
计算机系统结构复习提纲
© 计 081
固定长编码相对于 Huffman 编码的信息冗余量： R 1 必须知道每种操作码在程序中出现的概率
pi log i
1
n
2
pi
log n
2
扩展编码法
Huffman 操作码的主要缺点： 操作码长度很不规整，硬件译码困难 与地址码共同组成固定长的指令比较困难 扩展编码法：由固定长操作码与 Huffman 编码法相结合形成
存在的问题
以硬件为主固件为辅 固件的主要缺点是： 执行速度低。目前，ROM 的速度低于 SRAM 一条机器指令通常要多条微指令解释执行 固件的主要优点是： 便于实现复杂指令，便于修改指令系统 以硬联逻辑为主来实现指令系统 对于少数复杂的指令，目前的许多处理机也用微程序技术实现。 RISC 对编译器造成的困难主要有： (1)必须精心安排每一个寄存器的用法，以便充分发挥每一个通用寄存器的效率，尽量减少访问主存储器的次数。 (2)做数据和控制相关性分析，要调整指令的执行序列，并与硬件相配合实现指令延迟技术和指令取消技术等。 (3)要设计复杂的子程序库，RISC 的子程序库通常要比 CISC 的子程序库大得多。
2. 数据表示的含义及与数据结构的关系
数据表示的定义： 数据表示是指计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的那些数据类型。 例如：定点、逻辑、浮点、十进制、字符、字符串、堆栈和向量等 数据类型：文件、图、表、树、阵列、队列、链表、栈、向量、串、实数、整数、布尔数、字符等 确定哪些数据类型用数据表示实现，是软件与硬件的取舍问题
计算机体系结构的基本概念
长春理工大学计算机学院 高培成 gpc@ 2007.9
第一章 计算机体系结构的基本概念
1.1 引 言
1. 计算机性能的高速增长受益于：
电路技术的发展
体系结构技术的发展
2. 体系结构的重要性
3. 基于微处理器的系统
高培成
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第一章 计算机体系结构的基本概念
系统加速比 =
系统性能 改进后 系统性能 改进前
=
总执行时间 改进前 总执行时间 改进后
系统加速比依赖于两个因素：
可改进比例：可改进部分在原系统计算时间中所占的 比例，它总是小于等于１的。 例如: 一个需运行60秒的程序中有20秒的运算 可以加速，那么该比例就是20/60。
1.5 定量分析技术基础
1.2
计算机体系结构的概念
1.2.1 计算机系统中的层次概念
1. 计算机系统＝软件＋硬件/固件
2. 计算机语言由低级向高级发展
高一级语言的语句相对于低级语言功能更强， 更便于应用，但又都以低级语言为基础。 3. 从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成 多级层次结构。
高培成
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第 6 级：应用语言虚拟机
高培成
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1.3 计算机体系结构的发展
4.根据当前的计算机应用市场的现状和价格特征， 通常把计算机分为服务器、桌面系统和嵌入式计
算三大领域。
高培成
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1.3 计算机体系结构的发展
5. 新型体系结构的设计 (1) 合理地增加计算机系统中硬件的功能比例， 这种体系结构对操作系统、高级语言甚至应 用软件提供更多更好的支持； (2) 通过多种途径提高计算机体系结构中的并行 性等级，使得凡是能并行计算和处理的问题 都能并行计算和处理，使这种体系结构和组
冯诺伊曼提出的计算机体系结构基本思想。
冯诺伊曼提出的计算机体系结构基本思想。
冯诺依曼的计算机体系结构基本思想是：
1、运算与控制:
运算和控制是计算机最基本的功能，也是冯诺伊曼体系结构最基本的思想。
它要求计算机具有一个功能齐全的计算机核心，即通过控制电路结构对指令和数据进行有序处理，以实现指令的输入、数据的运算、结果的存取等功能。
2、记忆与存储：
内存是计算机的核心，也是计算机的一大突破。
所以冯诺依曼计算机体系结构的思想之一就是要求计算机装有内存，以存储中间结果和最终结果，以便在控制系统内及时处理数据。
3、接口：
为了能够将计算机与外部系统连接，冯诺依曼计算机体系结构思想要求计算机必须有专用的接口，使外部系统可由此来为计算机提供输入及输出系统支持。
4、输入和输出：
冯诺伊曼体系结构还要求计算机具备输入和输出设备，可满足外部输入和输出需求。
输入设备可以实现键盘，读写儿磁盘等；输出设备
可以实现显示器，打印机等。
5、通信
由于多台计算机可以实现不同的功能，而且可以相互配合完成特定
的任务，冯诺依曼体系结构思想也要求计算机应有一个网络通信模块，用以实现内外网络通信功能和多台计算机之间的任务调度。
这就是冯诺依曼计算机体系结构基本思想，它将计算机从原来无法解
决实际问题的小发明，变成一种强力的计算机系统，使计算机真正成
为我们日常生活中必不可少的工具和帮助者。
计算机体系结构的基本概念
计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。
Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。
所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。
计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。
可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式，指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。
计算机组成是计算机结构的逻辑实现。
可以包含数据通路宽度，专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。
计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。
包括处理机，主存部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、插件底板的划分和连接。
从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为7级：0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。
3～6级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。
硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。
首先是应用领域对应的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。
如运算速度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。
体系结构设计的方法有三种：由上而下－从考虑如何满足应用要求开始设计；由下而上－基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的方法。
体系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。
计算机体系结构的分类：（1）弗林FL YNN分类法：按指令流和数据流将计算机分为4类：①单指令流、单数据流－Single Instruction Stream Single Data Stream，SISD。
计算机，即传统的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机systolic array；②单指令流、多数据流－Multiple，SIMD。
典型代表是并行处理机。
其并行性在于指令一级。
如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等；③MISD计算机；④MIMD计算机。
计算机系统结构(第三版)张晨曦 课后答案
fi Si
−1
式中，fi 为可加速部件 i 在未优化系统中所占的比例；Si 是部件 i 的加速比。
⎧ f ⎫ f f S = ⎨[1 − ( f1 + f 2 + f 3 )] + 1 + 2 + 3 ⎬ S S S 1 2 3⎭ ⎩
0.3 0.3 f 3 ⎫ ⎧ 10 = ⎨[1 − (0.3 + 0.3 + f 3 )] + + + ⎬ 30 20 30 ⎭ ⎩
课
45000 × 1 + 75000 × 2 + 8000 × 4 + 1500 × 2 = 1.776 129500
答
案 网
计算机体系结构 • 第一章 • 第4页
⎡ f ⎤ Te = To ⎢(1 − f e ) + e ⎥ S e⎦ ⎣
S=
1 (1 − f e ) +
fe Se
S=
i
1 (1 − ∑ f i ) + ∑
对于第三级而言，为了完成 IC 条指令的功能，第三级指令的条数为： 执行第三级
IC 。为了 M2
IC IC 条指令，需要执行 N 条第二级的指令对其进行解释。那么对第二级 2 M M2 IC IC + 2N 2 M M
而言，总的指令条数为：
N⎤ ⎡ = ⎢1 + ⎥ K ⎣ M⎦ N⎤ ⎡ T4 = ⎢1 + ⎥ K ⎣ M⎦
1.5 计算机系统有三个部件可以改进，这三个部件的加速比如下： 部件加速比 1＝30； 部件加速比 2＝20； 部件加速比 3＝10； (1) 如果部件 1 和部件 2 的可改进比例为 30％，那么当部件 3 的可改进比例为多少时， 系统的加速比才可以达到 10？ (2) 如果三个部件的可改进比例为 30％、30％和 20％，三个部件同时改进，那么系统 中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？ 解：在多个部件可改进情况下 Amdahl 定理的扩展:
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1、15、所谓并行性（parallelism）是指在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。只要时间上互相重叠，就存在并行性。严格来讲，把两个或多个事件在同一时刻发生的并行 性
13、名词解析：程序的局部性原理：程序的局部性原理是指程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令，也就是说程序执行时所访问存储器地址分布不是随机的，而是相对的簇聚；这种簇聚包括指令和数据两部分。程序的局部性包括程序的时间局部性和程序的空间局部性。程序的时间局部性是指程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。程序的空间局部性是指程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者邻近。
优点：简单，指令字长固定，是一种简单的代码生成模型，各种指令的执行时钟周期数相近。
缺点：和ALU指令中含存储器操作数的指令集结构相比，指令条数多，因而其目标代码量大。
2）指令集结构类型：寄存器-存储器型（1,2）
优点：可以直接对存储器操作数进行访问，容易对指令进行编码，且其目标代码量较小。
缺点：指令中的操作数的类型不同。在一条指令中同时对一个寄存器操作数和存储器操作数进行编码，将限制指令所能够表示的寄存器个数。由于指令的操作数可以存储在不同类型的存储器单元，所以每条指令的执行时钟周期数也不尽相同。
4、经典的关于“计算机体系结构”的定义三1964年C.M.Amdahl在介绍IBM360系统时提出的，其具体描叙为“计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性”。
5、Amdahi提出的体系结构是指机器语言程序级程序员所看见的计算机属性。
6、经典计算机体系结构概念的实际是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固定的功能来实现。
6、名词解析：一个方向是强化指令功能，实现软件功能向硬件功能转移，基于这种指令集结构而设计实现的计算机系统称为复杂指令集计算机（CISC）。另一个方向是20世纪80年代发展起来的精简指令集计算机（RISC），其目的是尽可能地降低指令集结构的复杂性，以达到简化实现、提高性能的目的，这也是当今指令集结构功能设计的一个主要趋势。
5)在CISC指令集结构中，由于各条指令功能的不均衡，不利于采用先进的体系结构技术（如流水线技术）来提高系统的性能。
3、微处理器出现以后，计算机系统设计、计算机市场和计算机应用都出现了较大的变化。
首先，计算机用户是最直接的收益者。
第二，对于市场而言，微处理器的大批量生产促成了计算机产品的批量化、标准化、和市场化，这种变化也促进了计算机设计、生产和应用的良性发展。
第三、大量兼容的微处理器、标准化的接口、高度兼容的计算机系统的出现，避免了系统程序和应用程序的重复开发。
11、用户关心的是响应时间：从事件开始到结束之间的时间，也称为执行时间。
管理员关心的是如何提高流量：在单位时间内所能完成的工作量。
它们的相同点是都认为能够以最短时间完成指定任务的计算机就是最快的；这两者之间的不同点是响应时间通常针对单任务，而流量往往针对多任务。
12、Amdahl定律指出：加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。
计算机体系结构的基本概念
第一章计算机体系结构的基本概念
1、20世纪50年代，人们认为在银行里用计算机来完成现金存取业务的想法三荒唐可笑的。
2、填空题：计算机的发展始终受到制造技术和计算机体系结构技术的双重影响。
3、目前广泛使用的存储程序计算机的完整概念就是在这个时期产生的，人们通常称之为冯.诺依曼计算机结构。
2、机的指令集结构进行分类：
1）CPU中操作数的存储方法。
2）指令中显示表示的操作数个数。
3）操作数的寻址方式。
4）指令集所提供的操作类型。
5）操作数的类型和大小。
2、填空题：早期的大多数机器都是采用堆栈型或累加器型指令集结构。但是自1980年以来的大多数机器均采用的是通用寄存器型指令集结构。这主要有两个方面的原因，一是寄存器和CPU内部其他存储单元一样，要比存储器快；其次是对编译器而言，可以更容易、有效地分配和使用寄存器。
7、CISC指令集结构存在着如下缺点：
1)在CISC指令集结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。
2)CISC指令集结构的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。
3)CISC指令集结构的复杂性给VLSI设计带来了很大的负担，不利于单片集成。
4)在CISC指令集结构中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。
3）指令集结构类型：存储器-存储器型（3,3）
优点：是一种最紧密的编码方式，无需“浪费”寄存器保存变量。
缺点：指令字长多种多样。每条指令的执行时钟周期数也大不一样，对存储器的频繁访问将导致存储器访问瓶颈问题。
注：表中（m,n）表示指令的n个操作数中有m个存储器操作数。
5、我们把由程序计数器决定的寻址方式，叫做“PC相对寻址”（PC relative），它主要用来在控制转移指令中指定目标指令的地址。
3、通用寄存器型指令集结构进一步细分为3种类型，即寄存器-寄存器型（Register-Register,R-R）、寄存器-存储器型（Register-Memory，R-M）和存储器-存储器型（Memory-Memory，M-M）。
4、常见的3种通用寄存器型指令集结构的优缺点：46页
1）指令集结构类型：寄存器-寄存器型（0,3）
7、系列机的软件兼容还有向上兼容、向下兼容、向前兼容、向后兼容之分。
8、现代计算机实现技术的基础核心是以晶体管为基本单元的平面集成电路。
9、集成电路密度大约每两年翻一番。
10、集成电路制造中的重要技术指标之一是特征尺寸，在现有集成电路制造工艺中，它是指集成电路上一个晶体管的尺寸或者x和y两个维度上的最大制造线宽。