图解计算机结构与体系分类!!
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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。
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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。
接下来,我们再看看看其详细的结构图如下所示。
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。
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。
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。
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。
具体信息如下表所示。
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。
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
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。
二地址指令
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。
一地址指令
例如,执行 a++操作时,执行的就是一地址指令,此时如下所示。
零地址指令
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。
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。
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,
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