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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。
计算机体系结构计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口、数据传输和运行机制的组织结构。
它决定了计算机系统的性能、可扩展性、可靠性和安全性。
计算机体系结构的设计是计算机科学和工程领域的核心问题之一，它直接影响到计算机的性能和能力。
一、概述计算机体系结构是计算机科学中一个重要的概念，它包括计算机的硬件和软件部分。
计算机硬件包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等，而计算机软件则包括操作系统、编译器、应用程序等。
计算机体系结构通过定义指令集架构、存储架构和总线结构等，来决定计算机系统的基本工作原理和功能。
二、指令集架构指令集架构是计算机体系结构的核心部分，它定义了计算机处理器所支持的指令集和指令执行方式。
常见的指令集架构有精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）两种。
RISC架构采用简化的指令集和固定长度的指令格式，以提高指令执行的效率和速度；而CISC架构则支持更复杂的指令和灵活的地址模式，以提供更强大的功能和灵活性。
三、存储架构存储架构是计算机体系结构中的另一个核心要素，它定义了计算机系统中各种存储器的组织方式和访问机制。
存储器可以分为主存储器（RAM）和辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）。
存储架构涉及到存储器的位宽、存储单元的地址和数据传输方式等问题。
不同的存储架构可以影响计算机的内存访问速度和容量。
四、总线结构总线结构是计算机体系结构中用于数据传输和通信的重要组成部分。
它定义了计算机系统中各种硬件组件之间的连接方式和数据传输的规范。
总线结构可以分为系统总线、数据总线和控制总线等不同的层次。
它决定了计算机系统中各个部件之间数据传输的带宽和速度。
五、并行处理并行处理是指利用多个处理器或处理核心同时执行多个任务，以提高计算机系统的性能和并发能力。
计算机体系结构中的并行处理包括指令级并行和线程级并行两种形式。
指令级并行通过同时执行多条指令来提高处理器的效率；线程级并行则利用多个线程并行执行任务，以提高整个系统的吞吐量。
计算机组成原理中的指令与指令集计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门基础课程，旨在介绍计算机系统的各个组成部分及其工作原理。
在这门课程中，指令与指令集是其中一个重要的内容，它涉及到计算机的指令执行过程和指令的编码方式。
一、指令的基本概念和作用指令是计算机程序中最基本的执行单位，它是计算机硬件中能够被执行的操作。
指令包括了操作码和操作数两个部分，操作码指明了要执行的操作类型，而操作数指明了操作码要操作的数据。
指令的作用是通过对数据的操作和处理来实现程序的功能。
不同的指令可以完成不同的操作，例如数据传输、运算、逻辑判断等。
通过不同的指令的组合和执行，计算机可以完成各种复杂的任务。
二、指令格式与编码方式指令的格式和编码方式是计算机硬件设计中的关键问题，它涉及到指令的存储、传输和执行等方面。
常见的指令格式包括固定格式、可变格式和寄存器-存储器格式等，不同的指令格式适用于不同的计算机体系结构。
指令的编码方式是指将指令的各个部分和参数按照特定的规则编码成二进制数。
根据指令的长度不同，编码方式可以分为定长编码和变长编码。
定长编码将所有指令都表示为相同长度的二进制数，这样可以简化指令的解码过程；而变长编码可以根据指令的需要灵活地分配不同长度的二进制数。
三、指令集的组成和分类指令集是一组用于描述计算机指令的规范，它包括了计算机所能执行的所有指令的集合。
指令集可以根据不同的要求和功能进行分类，常见的分类方式包括RISC指令集和CISC指令集。
RISC（Reduced Instruction Set Computers）指令集是一种精简指令集，它的设计原则是将指令集的数量减少到最小，并且每条指令的执行时间相当。
RISC指令集的特点是指令简单、指令执行时间短、流水线技术应用广泛等。
CISC（Complex Instruction Set Computers）指令集是一种复杂指令集，它的设计原则是将常用的操作通过单条指令来完成，以减少程序的长度和执行时间。
第二章计算机指令集结构设计名词解释1.堆栈型机器——CPU中存储操作数的单元是堆栈的机器。
2.累加型机器——CPU中存储操作数的单元是累加器的机器。
3.通用寄存器型机器——CPU中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。
4.CISC——复杂指令集计算机。
5.RISC——精简指令集计算机。
@2.2堆栈型机器、累加器型机器和通用寄存器型机器各有什么优缺点2.3常见的三种通用寄存器型机器的优缺点各有哪些指令集结构设计所涉及的内容有哪些(1)指令集功能设计：主要有RISC和CISC两种技术发展方向；(2)寻址方式的设计：设置寻址方式可以通过对基准程序进行测试统计，察看各种寻址方式的使用频度，根据适用频度设置相应必要的寻址方式；(3)操作数表示和操作数类型：主要的操作数类型和操作数表示的选择有，浮点数据类型（可以采用IEEE 754标准）、整型数据类型（8位、16位、32位的表示方法）、字符型（8位）、十进制数据类型（压缩十进制和非压缩十进制数据表示）等等。
(4)寻址方式的表示：可以将寻址方式编码与操作码中，也可将寻址方式作为一个单独的域来表示。
(5)（(6)指令集格式的设计：有固定长度编码方式、可变长编码方式和混合编码方式三种选择。
简述CISC计算机结构指令集功能设计的主要目标。
从当前的计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点CISC结构追求的目标是强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。
从目前的计算机技术观点来看，CISC结构存在以下几个缺点：(1)在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。
(2)CISC结构的指令系统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结构的指令系统的复杂性给VLSI设计带来了很大负担，不利于单片集成。
(4)CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。
(5)^(6)在结构的指令系统中，由于各条指令的功能不均衡性，不利于采用先进的计算机体系结构技术（如流水技术）来提高系统的性能。
计算机体系结构与指令集的演进计算机体系结构与指令集是计算机科学中非常重要的概念，关系到计算机的性能和功能。
随着计算机技术的发展，计算机体系结构和指令集也不断演进。
本文将从早期的冯·诺伊曼体系结构和简单指令集开始，逐步介绍计算机体系结构与指令集的演进过程。
一、冯·诺伊曼体系结构与简单指令集冯·诺伊曼体系结构是计算机体系结构的基础，由冯·诺伊曼在20世纪40年代提出。
它采用了存储程序的概念，即将程序和数据存储在同一个存储器中。
冯·诺伊曼体系结构包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个部分。
在早期的计算机中，指令集比较简单，一般只包含基本的算术运算指令和数据传输指令。
指令以二进制形式表示，由操作码和地址码组成。
这种简单指令集的计算机虽然功能有限，但是为后来的计算机体系结构和指令集的设计奠定了基础。
二、复杂指令集计算机（CISC）的出现随着计算机技术的进一步发展，计算机的功能需求也不断增加。
为了满足更复杂的应用需求，1964年IBM公司推出了一种新的计算机体系结构，称为复杂指令集计算机（CISC）。
CISC计算机的指令集更加复杂，包含了更多的指令和功能。
CISC计算机的指令集包括了各种各样的指令，包括算术运算指令、逻辑运算指令、数据传输指令、字符串处理指令等等。
这样的指令集可以完成更多的功能，但是也增加了硬件设计的复杂度。
此外，由于指令集较为复杂，执行指令的时间比较长，影响了计算机的执行效率。
三、精简指令集计算机（RISC）的崛起为了提高计算机的执行效率和降低硬件成本，20世纪80年代，精简指令集计算机（RISC）开始受到关注。
RISC计算机的指令集相对于CISC计算机来说更加精简，指令的操作码比较少，执行的时间也相对较短。
RISC计算机的指令集主要包括了一些基本的算术运算指令和数据传输指令，同时采用了流水线技术，使得指令的执行速度更快。
此外，RISC计算机采用了更多的寄存器来进行数据存储和传输，减少了访问存储器的次数，提高了计算机的性能。
复杂指令集和精简指令集指令集是计算机体系结构的重要组成部分，它是计算机执行程序的指令集合，包括操作码和操作数等元素。
指令集的设计和选择对计算机的性能、成本和可移植性等方面有很大的影响。
主要有两种指令集架构：复杂指令集（Complex Instruction Set Architecture，CISC）和精简指令集（Reduced Instruction Set Architecture，RISC）。
下面我们将详细介绍这两种架构的特点以及各自的优缺点。
一、复杂指令集（CISC）复杂指令集计算机体系结构最早出现在20世纪70年代，其最初的设想是将多条简单的指令合并成一条复杂的指令，以提高指令集的设计效率和程序的执行速度。
复杂指令集计算机单条指令可以针对一个任务执行多个操作，包括算术运算、逻辑运算、存储等操作。
它具有以下特点：1. 指令集较为复杂：CISC体系结构中的指令集合较为庞大，涵盖了多种算术运算、逻辑运算、访问存储器等操作，每条指令执行的操作数目较多。
2. 可以降低程序员的工作量：它具有很强的程序兼容性，程序员可以使用语义丰富、操作多样的指令来编写程序，编程较为简便。
3. 数据传输能力较强：CISC指令集支持多种地址寻址方式，可以通过一条指令传输大块数据，节省了时间和空间。
4. 代码密度较高：CISC指令具有较长的字长和高代码密度，可以使程序占用的内存较小。
5. 对内存的使用相对较少：由于CISC指令集中包含了很多常用的命令，所以相对于RISC指令集，CISC指令可以使程序的执行速度更快，CPU可以少使用内存。
不过随着时间的推移，CISC体系结构逐渐暴露出了一些问题。
CISC指令集架构虽然功能强大，但每条指令的执行时间较长，开销很高，导致处理器需要消耗更多的内存和时间来执行指令。
精简指令集计算机体系结构是20世纪80年代提出的一种新型的计算机架构，它的设计思想是通过增加寄存器数量和减少指令集的复杂程度，减少单条指令的执行时间，从而提高处理器的性能和效率。
指令集详解一、指令集概述指令集是计算机体系结构中的一部分，它规定了计算机指令的语法和语义，以及指令的操作码和操作数。
指令集是实现操作系统、编译器、汇编器等软件的基础，也是评估计算机性能的重要指标之一。
根据指令集的特点和应用场景，可以分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两类。
二、指令集架构类型1.复杂指令集（CISC）复杂指令集计算机（CISC）是指令集的一种类型，其特点是采用长指令字、具有丰富的指令集和复杂的寻址方式。
CISC可以处理各种复杂的计算和数据处理任务，但是其结构较为复杂，功耗较大，成本较高。
常见的CISC架构有x86、MIPS等。
2.精简指令集（RISC）精简指令集计算机（RISC）是另一种指令集类型，其特点是采用短指令字、具有较少的指令集和简单的寻址方式。
RISC结构简单，功耗较低，成本较低，适用于高性能计算和低功耗应用。
常见的RISC架构有ARM、MIPS、PowerPC等。
三、指令集指令格式指令集的指令格式是指令集的一个重要组成部分，它规定了指令的长度、操作码、操作数等信息的格式。
根据不同的指令集类型，指令格式也有所不同。
在CISC架构中，指令长度通常较长，操作码和操作数的比例较高，而在RISC架构中，指令长度较短，操作码和操作数的比例较低。
四、指令集优化技术为了提高计算机的性能，可以采用多种指令集优化技术。
常见的指令集优化技术包括：1.流水线技术：通过将指令执行过程划分为多个阶段，使得多个指令同时执行，提高计算机的吞吐量。
2.寄存器重命名技术：通过为每个寄存器分配一个唯一的名称，避免在指令执行过程中出现数据相关的问题。
3.推测执行技术：通过预测程序中的分支语句，提前执行可能的分支路径，减少分支对计算机性能的影响。
4.并行计算技术：通过多线程、多核等技术实现并行计算，提高计算机的处理能力。
5.动态编译技术：通过实时优化代码，提高程序的执行效率。
五、常见指令集简介1.x86指令集x86指令集是一种常见的复杂指令集，广泛应用于PC和服务器领域。
第一章计算机体系结构的基本概念1.1名词解释：2.翻译——（基于层次结构）先把N+1级程序全部变换成N级程序之后，再去执行N级程序，在执行过程中，N+1级程序不再被访问。
3.解释——每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级指令，依此重复执行。
4.体系结构——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.透明性——在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。
6.系列机——在一个厂家生产的具有相同的体系结构，但具有不同的组成和实现的一系列不同型号的机器。
7.软件兼容——同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行的时间不同。
8.兼容机——不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。
9.计算机组成——计算机体系结构的逻辑实现。
10.计算机实现——计算机组成的物理实现。
11.存储程序计算机（冯·诺依曼结构）——采用存储程序原理，将程序和数据存放在同一存储器中。
指令在存储器中按其执行顺序存储，由指令计数器指明每条指令所在的单元地址。
12.并行性——在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作。
13.时间重叠——在并行性中引入时间因素，即多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。
14.资源重复——在并行性中引入时间因素，是根据“以数量取胜”的原则，通过重复设置资源，尤其是硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。
15.资源共享——是一种软件方法，它使多个任务按一定的时间顺序轮流使用同一套硬件设备。
16.同构型多处理机——由多个同种类型、至少同等功能的处理机组成、同时处理同一作业中能并行执行的多个任务的机器。
17.异构型多处理机——由多个不同类型、功能不同的处理机组成、串行完成同一作业中不同任务的机器。
计算机体系结构各章简答题及答案第⼀章计算机体系结构的基本概念1. 什么是计算机系统的多级层次结构？2. 硬件和软件在什么意义上是等效的在什么意义上是不等效的？3. 经典计算机系统结构的实质是什么？4. 语⾔实现的两种基本技术是什么？5. 对于通⽤寄存器型机器来说，机器语⾔程序设计者所看到的计算机的属性主要有哪些？6. 什么是软件兼容软件兼容有⼏种其中哪⼀种是软件兼容的根本特征？7. 什么是系列机它的出现较好地解决了什么⽭盾？8. 对计算机发展⾮常关键的实现技术有哪些？9. 实现软件移植的主要途径有哪些？10. 试以系列机为例，说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系。
11. 存储程序计算机在系统结构上的主要特点是什么？12. 从系统结构的发展情况看，新型系统结构的设计主要从哪两⽅⾯着⼿？13. 软件技术两个最重要的发展趋势是什么？14. 计算机系统设计⼈员的技术挑战主要来⾃哪⼏个⽅⾯？15. ⼀种计算机系统结构的⽣命周期是怎样的？16. 商品的标价（价格）由哪些因素构成？17. 对计算机系统成本产⽣影响的主要因素有哪些？18. ⽤户CPU时间由哪三个因素决定？19. ⽬前常⽤的测试程序分为哪五类？20. 什么叫测试程序组件在评价计算机系统设计时最常见的测试程序组件是哪个？21. SPEC2000测试程序组件中包括哪⼏个测试程序组件？22. 测试基于Microsoft公司的Windows系列操作系统平台的最常⽤测试组件有哪些？23. 常⽤的专门的性能指标测试程序有哪些？24. 计算机系统结构设计和分析中最经常使⽤的三条基本原则是什么25. 根据Amdahl定律，系统加速⽐由哪两个因素决定？26. 从执⾏程序的⾓度看，并⾏性等级从低到⾼可分为哪⼏级？27. 从处理数据的⾓度，并⾏性等级从低到⾼可以分为哪⼏级？28. 计算机系统中提⾼并⾏性的技术途径有哪三种？29. 多机系统的耦合度可以分为哪⼏类？30. 单机系统和多机系统中，都是按哪三种技术途径分别发展为哪三类多处理机？31. 三种类型的多处理机（同构型多处理机、异构型多处理机、分布处理系统）的主要区别是什么1. 什么是计算机系统的多级层次结构从计算机语⾔的⾓度，把计算机系统按功能划分成以下多级层次结构：2. 硬件和软件在什么意义上是等效的在什么意义上是不等效的硬件和软件在功能实现上是等效的，即⼀种功能可以由软件实现，也可以由硬件实现。
