---

大家好呀！我是小笙，本章我主要分享系统架构设计师 - 计算机组成与体系结构(1)知识，这也是软考的第一篇文章，希望内容对你有所帮助！！

计算机组成与体系结构

计算机结构 ★

CPU 组成结构

运算器组成

• 算数逻辑单元 ALU：数据逻辑运算
• 数据缓冲寄存器 DR：读写内存
• 状态条件寄存器 PSW：溢出、进位标志
• 累加寄存器 AC：数据暂存区（通用寄存器）

控制器组成

• 程序计数器 PC：存储下一条要执行指令的地址
• 指令寄存器 IR：即将要执行的指令
• 指令译码器 ID：对指令的操作码字段进行分析解释
• 时序部件：提供时序控制信号

例题

计算机执行程序时，在一个指令周期的过程中，为了能够从内存中读指令操作
码，首先是将 程序计数器 PC 的内容送到地址总线上

---

计算机体系结构

冯诺依曼结构

称为普林顿结构，是一种程序指令和数据存储器合并在一起的存储结构

特点

• 指令和数据存储器合并在一起
• 指令和数据都通过相同的数据总线传输
• 一般用于PC 处理器 i3、i5、i7

哈弗结构

是一种特殊程序和数据存储分开的存储结构

特点

• 指令和数据分开存储，可以并行读取，有较高的数据吞吐率
• 有四条总线，指令与数据有各自的数据总线和地址总线
• 一般用于嵌入式系统处理器 DSP（数字信号处理）

例题

目前处理器市场中存在CPU和DSP两种类型处理器，分别用于不同场景，这两种处理器具有不同的体系结构，DSP采用 哈佛结构

1. 冯·诺伊曼结构（一般用于PC 处理器 i3、i5、i7）
2. 哈佛结构（一般用于嵌入式系统处理器 DSP）
3. FPGA结构
4. 与GPU相同结构

---

嵌入式芯片（了解）

	定义	简称	特点	类比
DSP	DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法	数字信号处理器	适合数字信号处理运算，实时快速地实现各种数组信号处理算法	做数学运算的“大脑
SoC	即片上系统。从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲，SoC是一个微小型系统，如果说中央处理器(CPU)是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统	片上系统	信息系统核心的芯片集成。微小型系统	包括大脑心脏、眼睛和手等、完成某个功能的系统
MPU	微机中的中央处理器(CPU)称为微处理器(MPU)是构成微机的核心部件，也可以说是微机的心脏。它起到控制整个微型计算机工作的作用，产生控制信号对相应的部件进行控制，并执行相应的操作	微处理器	微型机的核心部件，起到控制作用	缩小版“大脑“
MCU	微控制单元,又称单片微型计算机或者单片机，是把中央处理器(Central Process Unit;CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory以、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制	单片微型计算机或单片机	芯片级计算机。对处理器做适当缩减，并将内存、计数器等周边接口整合在单一芯片上，可以为不同的应用场合做不同控制组合	缩小版“人”

例题

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，一般可分为嵌入式微处理器(MPU)、微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)和片上系统(SOC)。以下叙述中，错误的是MPU在安全性和可靠性等方面进行增强，适用于运算量较大的智能系统

1. MPU在安全性和可靠性等方面进行增强，适用于运算量较大的智能系统（通过cpu卡板集成在芯片内部，利于嵌入式趋于小型化，具有效率性和可靠性，但是没有安全性）
2. MCU典型代表是单片机，体积小从而使功耗和成本下降
3. DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，适合数字信号处理
4. SoC是一个有专用目标的集成电路，其中包括完整系统并有嵌入式软件的全部内容（指单个芯片集成完成系统）

存储系统 ★★★★

概述

从速度、容量以及价格三个性能指标来分析存储器

Cache

在计算机体系结构中，Cache 是访问速度最快的层次

目的：主要用于提高 CPU 数据输入输出的速率

为什么 Cache 能够快速的改善系统性能？

• 时间局部性原理：某条指令在某段时间内大量循环操作
• 空间局部性原理：访问了某个存储单元之后紧接着访问临近的存储地址顺序执行（遍历数组）

主存编址

• bit 比特位 0/1
• B 字节 1 B = 8bit

存储单元个数 = 最大地址 - 最小地址 + 1

按字编址和按字节编址的区别

• 按字编址：每个存储单元存储的内容（最小寻址单位就是一个字节）
• 按字节编址：每个存储单元的存储字大小固定为 8bit

总容量 = 存储单元个数 * 编址内容（字或者字节）

总片数 = 总容量 / 每片的容量

磁盘管理

磁盘基本结构与存取过程

磁盘

扇面

存取时间 = 寻道时间 + 等待时间，寻道时间是指磁头移动到磁道所需的时间；等待时间为等待读写的扇区转到磁头下方所用的时间

磁盘优化分布存储

磁盘管理

• 先来先服务（FCFS）

  

• 最短民道时间优先（SSTF）

  

• 扫描算法（SCAN）

• 循环扫描算法（CSCAN）

例题

1. 计算机采用分级存储体系的主要目的是为了 解决存储的容量、价格和速度之间的矛盾

   1. 解决主存容量不足的问题
   2. 提高存储器读写可靠性
   3. 提高外设访问效率
   4. 解决存储的容量、价格和速度之间的矛盾

2. h 表示 Cache 命中率，t1 表示 Cache 存储周期，t2表示主存的存储周期，求 Cache + 主存平均存储周期 t3

   t3 = h * t1 + (1-h) * t2（命中则计算访问 Cache 的存储时间，不命中则是计算主存的存储时间）

3. 内存按字节编址，利用 8K * 4bit 的存储芯片构成 84000 H 到 8FFFF H 的内存，共需要多少片数？

   • 存储单元个数 = 8FFFF H + 1 - 84000 H = 12 * 16^3
   • 按字节编址 8 bit
   • 总容量 = 存储单元个数 * 编址内容 = 12 * 16^3 * 8 bit
   • 每片容量 = 8K * 4bit = 8 * 1024 * 4 bit
   • 总片数 = 总容量 / 每片的容量 = 12 * 16^3 * 8 bit / 8 * 1024 * 4 bit = 12个

4. 某磁盘磁头从一个磁道移至另一个磁道需要10ms。文件在磁盘上非连续存放，逻辑上相邻数据块的平均移动距离为10个磁道，每块的旋转延迟时间及传输时间分别为100ms和2ms,则读取一个100块的文件需要 20200 ms时间

   说明：（10 * 10 + 100 + 2）* 100 = 20200 ms

   1. 10200
   2. 11000
   3. 11200
   4. 20200

5. 假设磁盘臂位于15号柱面上，进程的请求序列如下表表示，如果采用最短移臂调度算法，那么系统的响应序列应为 ⑤①②④③⑥

   A:①②③④⑤⑥
   B:⑤①②④③⑥
   C:②③④⑤①⑥
   D:④②③⑤①⑥