软考架构设计：计算机组成原理

一、计算机体系结构

1. 冯·诺依曼体系结构
   • 核心思想：
     • 存储程序：程序和数据存储在同一个存储器中。
     • 顺序执行：指令按顺序执行，通过程序计数器（PC）控制。
   • 五大组成部分：
     • 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
   • 特点：
     • 指令和数据用二进制表示。
     • 指令由操作码和地址码组成。
2. 哈佛体系结构
   • 核心思想：
     • 指令和数据分开存储，提高并行性。
   • 应用场景：
     • 嵌入式系统、DSP（数字信号处理器）。
3. CISC与RISC
   • CISC（复杂指令集计算机）：
     • 指令复杂，指令周期长。
     • 典型代表：x86架构。
   • RISC（精简指令集计算机）：
     • 指令简单，指令周期短，效率高。
     • 典型代表：ARM架构。

二、CPU组成与工作原理

1. CPU的基本组成
   • 运算器（ALU）：
     • 执行算术和逻辑运算。
   • 控制器（CU）：
     • 控制指令的执行。
   • 寄存器：
     • 存储临时数据和指令，如程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、累加器（ACC）。
2. 指令周期
   • 四个阶段：
     • 取指：从内存中取出指令。
     • 译码：解析指令。
     • 执行：执行指令。
     • 写回：将结果写回寄存器或内存。
3. 流水线技术
   • 原理：
     • 将指令执行过程分为多个阶段，提高CPU效率。
   • 流水线冲突：
     • 结构冲突：资源竞争。
     • 数据冲突：数据依赖。
     • 控制冲突：分支指令导致的流水线中断。

三、存储器层次结构

1. 存储器的分类
   • 按存取速度：
     • 寄存器 > 缓存（Cache） > 主存（RAM） > 辅存（硬盘、SSD）。
   • 按存储介质：
     • 半导体存储器、磁存储器、光存储器。
2. 缓存（Cache）
   • 作用：
     • 缓解CPU与主存之间的速度差异。
   • 缓存映射方式：
     • 直接映射、组相联映射、全相联映射。
   • 缓存替换算法：
     • FIFO（先进先出）、LRU（最近最少使用）、LFU（最不经常使用）。
3. 虚拟内存
   • 原理：
     • 通过分页技术扩展内存空间。
   • 页面置换算法：
     • FIFO、LRU、OPT（最佳置换算法）。

四、总线与I/O系统

1. 总线
   • 数据总线：传输数据。
   • 地址总线：传输地址。
   • 控制总线：传输控制信号。
2. 总线类型
   • 内部总线（CPU内部）、系统总线（CPU与内存、I/O之间）、外部总线（计算机与外部设备之间）。
3. I/O控制方式
   • 程序控制：CPU直接控制I/O操作。
   • 中断控制：I/O设备通过中断信号通知CPU。
   • DMA（直接存储器访问）：DMA控制器直接访问内存，减少CPU负担。

五、计算机性能指标

1. 时钟频率：
   • CPU每秒钟的时钟周期数（Hz）。
2. CPI（每条指令的时钟周期数）：
   • 执行一条指令所需的时钟周期数。
3. MIPS（每秒百万条指令）：
   • CPU每秒钟执行的指令数。
4. 吞吐量：
   • 单位时间内完成的作业数量。
5. 响应时间：
   • 从提交作业到得到结果的时间。

六、多核与并行计算

1. 多核处理器
   • 多个核心共享内存，提高并行计算能力。
2. 并行计算模型
   • SIMD（单指令多数据）：一条指令同时处理多个数据。
   • MIMD（多指令多数据）：多个指令同时处理多个数据。

七、常见考点与题型

1. 选择题：
   • 考察基本概念，如冯·诺依曼体系结构、CPU组成、存储器层次结构等。
2. 计算题：
   • 计算CPI、MIPS、缓存命中率等。
3. 分析题：
   • 分析流水线冲突、缓存替换算法、虚拟内存页面置换等。

八、备考建议

1. 掌握核心概念：
   • 理解冯·诺依曼体系结构、CPU组成、存储器层次结构等基本原理。
2. 熟悉计算题型：
   • 练习CPI、MIPS、缓存命中率等计算题。
3. 结合实际应用：
   • 了解多核处理器、并行计算等现代计算机技术。
4. 多做真题：
   • 通过历年真题熟悉考试题型和难度。