图解计算机结构与体系分类!!

写在前面

今天,我们继续更新【程序员进阶系列】专题,冰河带你从零入坑程序员。接下来,我们一起聊聊计算机的结构和体系分类。

文章已收录到:

https://github.com/sunshinelyz/technology-binghe

https://gitee.com/binghe001/technology-binghe

计算机结构

计算机结构主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成。简化的结构图如下图所示。

image

接下来,我们再看看看其详细的结构图如下所示。


image

其中,主存储器又叫做内存储器,也就是内存;辅助存储器又叫做辅存,也就是外存储器,例如磁盘;CPU的核心部件为运算器和控制器。

CPU由运算器、控制器、寄存器组和内部总线组成。

image

运算器包含:算术逻辑单元、累加寄存器、数据缓冲寄存器、状态条件寄存器。

image
  • 算术逻辑单元(ALU):数据的算术运算和逻辑运算。
  • 累加寄存器(AC):通用寄存器,为ALU提供一个工作区,用于暂存数据。
  • 数据缓冲寄存器(DR):写内存时,暂存指令或数据。
  • 状态条件寄存器(PSW):存储状态标志和控制标志,有时也可以将状态条件寄存器归为控制器部分。

控制器包含:程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序部件。


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

计算机体系结构分类

首先,我们先来看一个在计算机领域中,对计算机的体系结构进行分类的一种经典方法,就是Flynn分类法,Flynn分类法将计算机分成单指令流单数据流、单指令流多数据流、多指令流单数据流、多指令流多数据流。

image

具体信息如下表所示。

体系结构类型 结构 关键特性 代表
单指令流单数据流(SISD) 控制部分:一个 处理器:一个 主存模块:一个 单处理器系统
单指令流多数据流(SIMD) 控制部分:一个 处理器:多个 主存模块:多个 各处理机以异步的形式执行同一条机灵 并行处理机、阵列处理机、超级向量处理机
多指令流单数据流(MISD) 控制部分:多个 处理器:一个 主存模块:多个 被证明是不可能的,至少是不实际的 目前没有,有资料记载流水线处理机为此类
多指令流多数据流(MIMD) 控制部分:多个 处理器:多个 主存模块:多个 能够实现作业、任务、指令等各级全面并行 多处理机系统、多计算机

指令的基本概念

一条指令就是机器语言的一个语句,它是一组有意义的二进制代码,指令的格式如下所示。


image

其中,操作码部分指出了计算机要执行什么性质的操作,例如,加法、减法、取数、存数等。地址码字段需要包含各操作数的地址及操作结果的存放地址等,从其地址结构的角度可以分为三地址指令、二地址指令、一地址指令和零地址指令。

三地址指令

image

例如,执行a+b=c操作时,就是使用的三地址指令。此时如下所示。

image

二地址指令

image

例如,执行a+=b操作时,执行的就是二地址指令,此时如下所示。

image

一地址指令

image

例如,执行a++操作时,执行的就是一地址指令,此时如下所示。

image

零地址指令

image

例如,宕机就是零地址指令。

寻址方式

总体来说,寻址方式可以分为:立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址。

image
  • 立即寻址:操作数直接在指令中,速度快,灵活性差。
  • 间接寻址:指令中存放的是操作数的地址。
  • 间接寻址:指令中存放了一个地址,这个地址对应的内容是操作数的地址。
  • 寄存器寻址:寄存器存放操作数。
  • 寄存器内存放的是操作数的地址。

CISC与RISC

CISC和RISC分别表示复杂指令集系统和精简指令集系统,具体信息如下表所示。

指令系统类型 指令 存执方式 实现方式 其他
CISC(复杂) 数量多、使用频率差别大,可变长格式 支持多种 微程序控制技术(微码) 研发周期长
SISC(精简) 数量少,使用频率接近,定长格式,大部分为单周期指令,操作寄存器,只有Load/Store操作内存。 支持方式少 增加了通信寄存器、硬布线逻辑控制为主,适合采用流水线 优化编译,有效支持高级编程语言

如何比较CISC和RISC,分哪些维度?

指令数量、指令使用频率、存执方式、寄存器、流水线支持、高级语言支持。

  • CISC:复杂、指令数量多,频率差别大、多寻址。
  • RISC:精简、指令数量少。操作寄存器,单周期,少寻址,多通用寄存器,流水线,

好了,今天就到这儿吧,我是冰河,大家有啥问题可以在下方留言,一起交流技术,一起进阶,一起牛逼~~

推荐阅读更多精彩内容