软考高级-系统架构设计师教程
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2022-10-17
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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。
1. 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：
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