第 1 章 计算机组成与体系结构
也许有人认为系统架构设计师不需要硬件或计算机底层原理的知识。因为这个层面的一些处理往往已经封装好，不需要架构师重新进行规划。然而，事实并非如此，系统构建 于硬件与操作系统之上，如果我们不对计算机底层原理有一定认识，会导致一系列安全与性能问题。本章将从计算机的组成，计算机的指令系统，存储系统等方面展开论述。
1.1 计算机系统组成
计算机系统是一个硬件和软件的综合体，可以把它看成按功能划分的多级层次结构。
1.1.1 计算机硬件的组成
硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体。原始的冯•诺依曼（VonNeumann）计算机在结构上是以运算器为中心的，而发展到现在，已转向以存储器为中心了。图 1-1 所示为计算机最基本的组成框图。
（1） 控制器。控制器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。控制器的组成包含如下。
① 程序计数器 PC：存储下一条要执行指令的地址；
② 指令寄存器 IR：存储即将执行的指令；
③ 指令译码器 ID：对指令中的操作码字段进行分析解释；
④ 时序部件：提供时序控制信号。
（2） 运算器。运算器也称为算术逻辑单元（ArithmeticandLogicUnit，ALU），其主要功能是在控制器的控制下完成各种算术运算和逻辑运算。运算器的组成包含如下。
① 算术逻辑单元 ALU：数据的算术运算和逻辑运算；
② 累加寄存器 AC：通用寄存器，为 ALU 提供一个工作区，用在暂存数据；
③ 数据缓冲寄存器 DR：写内存时，暂存指令或数据；
④ 状态条件寄存器 PSW：存状态标志与控制标志（争议点：也有将其归为控制器的）。
（3） 主存储器。主存储器也称为内存储器（通常简称为“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） 辅助存储器。辅助存储器也称为外存储器，通常简称为外存或辅存。存储需要长期保存的各种信息。
（5） 输入设备。输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。按输入信息的形态可分为字符
（包括汉字）输入、图形输入、图像输入及语音输入等。目前，常见的输入设备有键盘、 鼠标、扫描仪等。
（6） 输出设备。输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的 形式送出计算机。目前，最常用的输出设备是打印机和显示器。有些设备既可以是输入 设备，同时也可以是输出设备，例如，辅助存储器、自动控制和检测系统中使用的数模转换装置等。
1.1.2 计算机系统结构的分类
计算机的发展经历了电子管和晶体管时代、集成电路时代（中小规模、大规模、超大规模、甚大规模、极大规模）。目前，世界最高水平的单片集成电路芯片上所容纳的元器件数量已经达到 80 多亿个。
- 存储程序的概念
“存储程序”的概念是冯•诺依曼等人于 1946 年 6 月首先提出来的，它可以简要地概括为以下几点：
（1） 计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。
（2） 计算机内部采用二进制来表示指令和数据。
（3） 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。这就是存储程序的基本含义。冯•诺依曼对计算机世界的最大贡献在于“存储程序控制”概念的提出和实现。六十多年来，虽然计算机的发展速度惊人，但就其结构原理来说，目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概念的基础上。通常把符合存储程序概念的计算机统称为冯•诺依曼型计算机。当然，现代计算机与早期计算机相比，在结构上还是有许多改进的。
随着计算机技术的不断发展，也暴露出了冯•诺依曼型计算机的主要弱点：存储器访问会成为瓶颈。目前，已出现了一些突破存储程序控制的计算机，统称为非冯•诺依曼型计算机，例如，数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计算机和模式匹配驱动的智能计算机等。
- Flynn 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分类（通常称为 Flynn 分类法），有关定义如下。
（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。
Flynn 根据不同的指令流-数据流组织方式，把计算机系统分成以下四类。
（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。
（2） 单 指 令 流 多 数 据 流 （Single Instruction stream and Multiple Data stream，SIMD）：SIMD以并行处理机（矩阵处理机）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。
（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。如多核处理器、多处理
机属于 MIMD。
1.1.3 复杂指令集系统与精简指令集系统
在计算机系统结构发展的过程中，指令系统的优化设计有两个截然相反的方向，一个是增强指令的功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统来实现，这种计算机系统称为复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）；另一个是尽量简化指令功能，只保留那些功能简单，能在一个节拍内执行完成指令，较复杂的功能用一段子程序来实现，这种计算机系统称为精简指令系统计算机
（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。
- CISC 指令系统的特点
CISC 指令系统的主要特点如下：
（1） 指令数量众多。指令系统拥有大量的指令，通常有 100～250 条。
（2） 指令使用频率相差悬殊。最常使用的是一些比较简单的指令，仅占指令总数的 20%，但在程序中出现的频率却占 80%。而大部分复杂指令却很少使用。
（3） 支持很多种寻址方式。支持的寻址方式通常为 5～20 种。
（4） 变长的指令。指令长度不是固定的，变长的指令增加指令译码电路的复杂性。
（5） 指令可以对主存单元中的数据直接进行处理。典型的 CISC 通常都有指令能够直接对主存单元中的数据进行处理，其执行速度较慢。
（6） 以微程序控制为主。CISC 的指令系统很复杂，难以用硬布线逻辑（组合逻辑）电路实现控制器，通常采用微程序控制。
- RISC 指令系统的特点
RISC 要求指令系统简化，操作在单周期内完成，指令格式力求一致，寻址方式尽可能减少，并提高编译的效率，最终达到加快机器处理速度的目的。RISC 指令系统的主要特点如下。
（1） 指令数量少。优先选取使用频率最高的一些简单指令和一些常用指令，避免使用复杂指令。只提供了 LOAD（从存储器中读数）和 STORE（把数据写入存储器）两条指令对存储器操作，其余所有的操作都在 CPU 的寄存器之间进行。
（2） 指令的寻址方式少。通常只支持寄存器寻址方式、立即数寻址方式和相对寻址方式。
（3） 指令长度固定，指令格式种类少。因为 RISC 指令数量少、格式少、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） 以硬布线逻辑控制为主。为了提高操作的执行速度，通常采用硬布线逻辑（组合逻辑）来构建控制器。
（5） 单周期指令执行，采用流水线技术。因为简化了指令系统，很容易利用流水线技术，使得大部分指令都能在一个机器周期内完成。少数指令可能会需要多周期，例如， LOAD/STORE 指令因为需要访问存储器，其执行时间就会长一些。
（6） 优化的编译器：RISC 的精简指令集使编译工作简单化。因为指令长度固定、格式少、寻址方式少，编译时不必在具有相似功能的许多指令中进行选择，也不必为寻址方式的选择而费心，同时易于实现优化，从而可以生成高效率执行的机器代码。
（7） CPU 中的通用寄存器数量多，一般在 32 个以上，有的可达上千个。
大多数 RISC 采用了 Cache 方案，使用 Cache 来提高取指令的速度。而且，有的 RISC 使用两个独立的 Cache 来改善性能。一个称为指令 Cache，另一个称为数据 Cache。这样， 取指令和取数据可以同时进行，互不干扰。
1.1.4 总线
总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。共享是指总线上可以挂接多个部件，各个部件之间相互交换的信息都可以通过这组公共线路传送；分时是指同一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，如果出现两个或两个以上部件同时向总线发送信息，势必导致信号冲突。当然，在同一时刻，允许多个部件同时从总线上接收相同的信息。
按总线相对于 CPU 或其他芯片的位置可分为内部总线和外部总线两种。在 CPU 内部， 寄存器之间和算术逻辑部件 ALU 与控制部件之间传输数据所用的总线称为内部总线；外部总线是指 CPU 与内存 RAM、ROM 和输入/输出设备接口之间进行通信的通路。由于 CPU 通过总线实现程序取指令、内存/外设的数据交换，在 CPU 与外设一定的情况下，总线速度是制约计算机整体性能的最大因素。
按总线功能来划分，又可分为地址总线、数据总线、控制总线三类，人们通常所说的总线都包括这三个组成部分，地址总线用来传送地址信息，数据总线用来传送数据信息，控制总线用来传送各种控制信号。