全國計(jì)算機(jī)等級(jí)考試四級(jí)復(fù)習(xí)綱要七

　　第七章考試要點(diǎn)
　　
　　一、體系結(jié)構(gòu)的基本概念

　　（一） 體系結(jié)構(gòu)的定義

　　1.Amdahl的定義

　　1964年G.M.Amdahl（阿姆達(dá)爾）在介紹IBM360系統(tǒng)時(shí)指出:計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是站在程序員的角度所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即程序員要能編寫出可在機(jī)器上正確運(yùn)行的程序所必須了解的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。這是關(guān)于體系結(jié)構(gòu)的早期定義，從此，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（computer architecture）一詞便廣泛地使用起來。

　　2.Myers的定義

　　1982年，梅爾斯（G.J.Myers）在他所著《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的進(jìn)展》（advances in Computer Architecture）一書中，定義了組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的若干層次，每一層都提供一定的功能支持它上面的一層，并把不同層之間的界面定義為某種類型的體系結(jié)構(gòu)。Myers的定義發(fā)展了Amdahl的概念性結(jié)構(gòu)的思想，明確了傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)就是指硬件與軟件之間的界面，即指令集體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)這個(gè)層次模型，我們可以進(jìn)一步引入虛擬機(jī)的概念，例如，系統(tǒng)虛擬機(jī)就是把操作系統(tǒng)提供的命令和功能調(diào)用當(dāng)作該虛擬機(jī)的機(jī)器語言。又如，高級(jí)語言虛擬機(jī)就是把某種高級(jí)語言當(dāng)作它的機(jī)器語言。從這個(gè)觀點(diǎn)來看，說“BASIC就是計(jì)算機(jī)”也不無道理。從Myers的定義可以看出，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組織包括了各種體系結(jié)構(gòu)，因此指令集體系統(tǒng)構(gòu)就成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組織的一個(gè)子集。

　　3.Baer的定義

　　1984年拜爾（J.L.Baer）在一篇題為“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”（Computer Architecture）的文章中，給出了一個(gè)含義更加廣泛的定義:體系結(jié)構(gòu)是由結(jié)構(gòu)、組織、實(shí)現(xiàn)、性能四個(gè)基本方面組成。其中，結(jié)構(gòu)指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各種硬件的互連;組織指各種部件的動(dòng)態(tài)聯(lián)系與管理;實(shí)現(xiàn)指各模塊設(shè)計(jì)的組裝完成;性能指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的行為表現(xiàn)。這個(gè)定義發(fā)展了Amdahl的功能特性思想。顯然，這里的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組織又成為體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)子集。

　　4.我們的觀點(diǎn)

　　目前，國內(nèi)流行的幾本體系結(jié)構(gòu)的教材，大多采用Myers的說法。因而，常對計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組織、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三者的關(guān)系加以區(qū)別:

　�。�1）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)（computer architecture）是指計(jì)算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu)和功能屬性。

　�。�2）計(jì)算機(jī)組織（computer organization）是指計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包括機(jī)器內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。我們平常也把它稱為計(jì)算機(jī)組成原理。

　�。�3）計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)（computer implementation）是指計(jì)算機(jī)組織的物理實(shí)現(xiàn)。

　�。ǘ�） 體系結(jié)構(gòu)的繼承與發(fā)展

　　1.傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的形成

　　1964年Amdahl在宣布IBM360系統(tǒng)時(shí)，也就是提出前述體系結(jié)構(gòu)的定義時(shí)，還提出了采用系列機(jī)的思想。系列機(jī)的出現(xiàn)被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。采用系列機(jī)的思想后，比較好地解決了硬件技術(shù)飛速發(fā)展與軟件環(huán)境要求相對穩(wěn)定的矛盾。這就要求在比較長的時(shí)間內(nèi)，保證系列機(jī)的體系結(jié)構(gòu)基本不變。其中，最重要的是確定好它的指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示以及其它概念性的結(jié)構(gòu)。

　　2.IBM對體系結(jié)構(gòu)繼承性的貢獻(xiàn)

　　IBM系列機(jī)的出現(xiàn)對體系結(jié)構(gòu)繼承性的形成產(chǎn)生過很大的影響。
　　
　�。�1）IBM第一代計(jì)算機(jī)1953年4月7日，IBM公司IBM701大型科學(xué)計(jì)算機(jī)面世。

　�。�2）IBM第二代計(jì)算機(jī)1958年IBM推出了它的第二代主流產(chǎn)品7000系列晶體管計(jì)算機(jī)。

　�。�3）IBM第三代計(jì)算機(jī)1961年IBM公司提出了“360系統(tǒng)計(jì)劃”。360系統(tǒng)的主要貢獻(xiàn)是:確立了體系結(jié)構(gòu)的概念。1971年IBM公司又推出370系統(tǒng)取代360系統(tǒng)。它繼承了360的體系結(jié)構(gòu)，并且進(jìn)一步實(shí)施“微碼決策”。1977年IBM公司又推出3030系列，繼承了370系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步實(shí)施“微碼決策”，大幅度改善了多虛存操作系統(tǒng)MVS/SE，增強(qiáng)了安全保密性和神秘色彩，使兼容廠家難以仿制。

　�。�4）IBM第四代計(jì)算機(jī)1979年IBM公司又推出4300系列、3080系列，1985年又推出3090系列。90年代它又推出IBM9000系列。

　　3.馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

　　把馮?諾依曼計(jì)算機(jī)（Von Neumann computer）的特點(diǎn)歸納如下:

　�。�1）使用單一處理部件來完成計(jì)算、存儲(chǔ)及通信工作。

　　（2）使用線性組織的定長存儲(chǔ)單元來存儲(chǔ)程序，存儲(chǔ)時(shí)對指令和數(shù)據(jù)不加區(qū)別。

　�。�3）存儲(chǔ)空間的單元是直接尋址的。
　　
　�。�4）使用二進(jìn)制機(jī)器語言，其指令完成基本操作碼的簡單操作。

　　（5）對計(jì)算進(jìn)行集中的順序的控制。

　　4.普林斯頓結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)

　　有人就把馮?諾依曼結(jié)構(gòu)稱為普林斯頓體系結(jié)構(gòu)（Princetion architecture）。與此相對的一種結(jié)構(gòu)則稱為哈佛體系結(jié)構(gòu)（Harvard architecture）。哈佛體系結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是把指令和數(shù)據(jù)分開進(jìn)行存儲(chǔ)。今天，我們所說的哈佛結(jié)構(gòu)主要是指在單一的主存儲(chǔ)器情況下，帶有兩個(gè)分離的指令高速緩存（instruction cache）和數(shù)據(jù)高速緩存（data cache）。

　　5.非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的發(fā)展

　　馮結(jié)構(gòu)既為計(jì)算機(jī)的發(fā)展鋪平了道路，又因“集中的、順序的控制”而成為性能提高的瓶頸。因此，計(jì)算機(jī)科學(xué)家仍在不斷地探索各種非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。例如，函數(shù)式編程語言計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)就是著名的非馮?諾依曼結(jié)構(gòu)。

　�。ㄈ�） 體系結(jié)構(gòu)的分類

　　1.宏觀上按處理機(jī)數(shù)量的分類

　�。�1）單處理系統(tǒng)單處理系統(tǒng)（uniprocessing system）是利用一個(gè)處理單元與其它外部設(shè)備結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、計(jì)算、通信、輸入與輸出等功能的系統(tǒng)。

　�。�2）并行處理與多處理系統(tǒng)并行處理與多處理系統(tǒng)（parallel processing and multiprocessing system）是為了充分發(fā)揮問題求解過程中處理的并行性，利用兩個(gè)以上的處理機(jī)互連起來，彼此進(jìn)行通信協(xié)調(diào)，以便共同求解一個(gè)大問題的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　（3）分布式處理系統(tǒng)分布式處理系統(tǒng)（distributed processing system）是指物理上遠(yuǎn)距離而松耦合的多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其中，物理上的遠(yuǎn)距離意味著通信時(shí)間與處理時(shí)間相比已不可忽略，在通信線路上的數(shù)據(jù)傳輸速率要比在處理機(jī)內(nèi)部總線上傳輸慢得多，這也正是松耦合的含義。

　　2.微觀上按并行程度的分類

　�。�1）Flynn的分類法1966年M.J.Flynn提出按指令流和數(shù)據(jù)流的多少進(jìn)行分類的方法。他首先定義了:指令流是機(jī)器執(zhí)行的指令序列;數(shù)據(jù)流是由指令調(diào)用的數(shù)據(jù)序列。然后，他把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為四類。
①單指令流、單數(shù)據(jù)流（SISD）計(jì)算機(jī)

　�、趩沃噶盍鳌⒍鄶�(shù)據(jù)流（SIMD）計(jì)算機(jī)

　�、鄱嘀噶盍鳌�單數(shù)據(jù)流（MISD）計(jì)算機(jī)
　　
　�、芏嘀噶盍鳌⒍鄶�(shù)據(jù)流（MIMD）計(jì)算機(jī)

　�。�2）馮澤云分類法1972年美籍華人馮澤云（Tse-yun Feng）教授提出按并行度（degree of parallelism）對各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類的方法。他把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分成四類:①字串行、位串行（WSBS）計(jì)算機(jī)②字并行、位串行（WPBS）計(jì)算機(jī)③字串行、位并行（WSBP）計(jì)算機(jī)④字并行、位并行（WPBP）計(jì)算機(jī)

　�。�3）Handler分類法1977年德國的漢德勒（Wolfgang Handler）提出一個(gè)基于硬件并行程度的計(jì)算并行度的方法。他把計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)分為三個(gè)層次:處理機(jī)級(jí)、每個(gè)處理機(jī)中的算邏單元級(jí)、每個(gè)算邏單元中的邏輯門電路級(jí)。分別計(jì)算機(jī)這三級(jí)中可以并行或流水處理的程序，即可算出某系統(tǒng)的并行度。

　�。�4）Kuck分類法1978年美國的庫克（David J.Kuck）提出與Flynn分類法類似的方法，只是他用了指令流和執(zhí)行流（execution stream）及其多重性來描述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的特征。他把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為四類:

　�、賳沃噶盍�、單執(zhí)行流（SISE）

　　②單指令流、多執(zhí)行流（SIME）

　　③多指令流、單執(zhí)行流（MISE）

　　④多指令流、多執(zhí)行流（MIME），它們是典型的多處理機(jī)系統(tǒng)。一種好的分類法能幫助我們深入地理解體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使人們能更好掌握計(jì)算機(jī)的工作原理以及發(fā)展趨勢。但很難說已經(jīng)有令人滿意的分類法被學(xué)術(shù)界一致認(rèn)可。

二、指令系統(tǒng)

　�。ㄒ唬� 指令集體系結(jié)構(gòu)的分類

　　1.分類的依據(jù)

 　　從體系結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)對指令集進(jìn)行分類，可以根據(jù)下述五種尺度:　　
　�。�1）操作數(shù)在CPU中的存儲(chǔ)方式，即操作數(shù)從主存中取來后要把它保存在什么地方。

　�。�2）顯式操作數(shù)的數(shù)量，即在條典型的指令中有多少個(gè)顯式命名的操作數(shù)。

　�。�3）操作數(shù)的位置，即任一個(gè)ALU指令的操作數(shù)能否放在主存中，或者必須把某些操作甚至全部操作數(shù)都放在CPU的內(nèi)部存儲(chǔ)器中?如果某操作數(shù)要放在主存中，那么它是如何定位的?

　�。�4）指令的操作，即在指令集中提供哪些操作?

　　（5）操作數(shù)的類型與大小，即每個(gè)操作數(shù)是什么類型、尺寸大小，以及怎樣對它規(guī)定。

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