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软考系统架构设计师之计算机组成与体系结构笔记

news 来源：原创 2025/8/8 7:17:32

一、计算机硬件组成

1. 冯·诺依曼结构与哈佛结构

  • 冯·诺依曼结构：以存储器为中心，指令和数据统一存储，通过总线连接运算器、控制器、输入输出设备。其核心思想是“存储程序控制”，但存在存储器访问瓶颈问题。
  • 哈佛结构：指令与数据存储分离，支持并行访问，常用于嵌入式系统（如DSP），具有更高的数据吞吐率。

2. 核心组件

  • 控制器：包含程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）和时序部件，负责指令的分析与执行。
  • 运算器：包含算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（AC）、数据缓冲寄存器（DR）和状态条件寄存器（PSW），PSW的归属存在争议（可能归为控制器或运算器）。
  • 存储器：分为主存（内存）和辅存（外存），主存用于临时存储运行中的程序与数据，辅存用于长期保存信息。
  • 输入/输出设备：如键盘、显示器等，实现人机交互。

二、指令系统与流水线技术

1. 指令系统分类

  • CISC（复杂指令集）：指令数量多、功能复杂，支持多种寻址方式，典型代表如x86架构。
  • RISC（精简指令集）：指令数量少、格式固定，依赖流水线技术提升性能，典型代表如ARM架构。

2. 流水线技术

  • 流水线周期：由执行时间最长的阶段决定。
  • 性能计算：总执行时间为 ( t_{\text{总}} = (t_1 + t_2 + \cdots + t_k) + (n-1) \cdot t_{\text{周期}} )，吞吐率为单位时间处理的指令数。
  • 加速比：理论最大加速比为流水段数，实际受限于冲突（如数据冲突、控制冲突）。

三、存储系统与层次结构

1. 存储层次模型

  • Cache存储器：基于局部性原理（时间局部性与空间局部性）设计，通过替换算法（如LRU）优化命中率。
  • 主存编址：按字节编址时，总容量计算公式为 ( \text{容量} = (\text{最大地址} - \text{最小地址} + 1) \times 8 ) bit。
  • 磁盘管理：平均存取时间 ( = \text{寻道时间} + \text{等待时间} )，调度算法包括扫描算法、最短寻道时间优先等。

四、总线与性能评价

1. 总线类型与功能

  • 数据总线（DB）：传输数据；地址总线（AB）：指定存储地址；控制总线（CB）：协调设备间通信。
  • 同步与异步传输：同步依赖时钟信号，异步通过握手信号控制。

2. 性能评价指标

  • Amdahl定律：用于评估并行化对系统性能的提升效果。
  • 基准测试：通过标准程序（如SPECCPU）衡量计算机性能。

五、考试重点与备考建议

1. 高频考点

  • 冯·诺依曼与哈佛结构的区别、流水线冲突类型、Cache替换算法、磁盘调度算法、总线仲裁方式。
  • 指令周期计算、主存容量与芯片配置、存储层次模型设计。

2. 备考策略

  • 教材精读：参考《系统架构设计师教程（第4版）》《计算机组成与系统结构》等教材，掌握核心概念。
  • 真题演练：结合案例分析题，练习流水线设计、存储优化等实际问题。
  • 论文准备：结合系统架构设计需求，分析性能优化方案（如负载均衡、分布式存储）。

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