1、 数据库系统工程师 http:/ /Output,输入/输出）脚的相关引脚上。中央处理器的类型和品种异常丰富，各种中央处理器的性能也差别很大，有不同的内部结构及不同的指令系统。但都是基于冯诺依曼结构，因而其基本组成部分相似。1、运算器运算器的主要功能是在控制器的控制下完成各种算术运算、逻辑运算和其他操作。一个计算过程需要用到加法器/累加器、数据寄存器、状态寄存器等。加法是运算器的基本功能，在大多数中央处理器中，其他计算也是经过变换后使用加法进行的，一个位加法的逻辑图如图 1-1 所示。其中 Xi、 Yi 是加数和被加数，Ci+1 是低位进 位，Ci 是进位，Zi 是和。为完成多位数据加法，可以
2、通过增加电路和部件，使简单的加法器能够变数据库系统工程师 http:/ 所示。控制通常需 要程序计数器（Progr amCounter,PC）、指令寄存器（InstructionRegister,IR）、指令译码器（Instructio nDecoder,ID）、定时和控制电路，以及脉冲源、中断（在图 1-2 中未表示）等共同组成。控制器各组件的说明如下。指令寄存器（IR）：中央处理器，执行的操作码存放在这里。指令译码器（ID）：将操作码解码，告诉中央处理器该做什么。定时和控制电路（Timing/ControlCircuit）：用来产生各种微操作控制信号。程序计数器（PC）：程序计数器中存放的
3、是下一条指令的地址。由于多数情况下程序是顺序执行，所以程序计算数器设计成能自动加1.当出现转移指令、中断等情况时，就需要重填程序计数器。程序计数器可能是下一条指令的绝对地址，也可能是相对地址，即地址偏移量。数据库系统工程师 http:/ ter,FR）：这个寄存器通常记录运算器的重要状态或特征，包括是否溢出、结果为 0、被 0 除等。这个寄存器的每一位表示一个特征。标志寄存器的典型应用是作为跳转指令的判断条件。堆栈和堆栈指针（Stack Pointer,SP）：堆栈可以由一组寄存器或在存储器内的特定区域组成。由于寄存器数量总是有限的，所以大多数系统采用了使用存储器的软件堆栈。指向堆栈顶部的指针
4、称为堆栈指针。寄存器组：上面提及的程序计数器、标志寄存器等为专用寄存器，都有特定的功能和用途。通用寄存器的功能由程序指令决定，最常见的应用是放置计算的中间结果，减少对存储器的访问次数。通常寄存器的宽度和运算器的位数是一致的。3、存储器系统这里的存储器是指中央处理器通过总线直接能访问的存储器，通常称为内存。硬盘等需通过 I/O 接口访问 的存储器常称为外存或 者辅存。存储器的作用显然是存储数据，包括指令、指令带的数据（这正是冯诺依曼结构的特点之一）和中央处理器处理后的结果（包括中间结果）。中央处理器对存储器的访问需通过控制地址、数据总线进行。存储器的数据组织是线性的，所存储的数据都有整齐的“编号
5、“, 即访问地址。存储器一般每个存储单元中有 8 位数据，其容量是其存储单元的总和。存储器的性能指标如下。数据库系统工程师 http:/ Process Unit）周期也称机器周期，一般是从内存中读一个指令的最短时间。CPU 周期又由若干个时钟周期组成。指令周期与时钟周期的关系如图 1-3 所示。通常把 CPU 执行指令 的各个微操作遵循的时间顺序叫时序。时序图是形象地表示信号线上信息变化的时间序列的图形。组合逻辑控制和微程序控制是两种基本的控制方式。1.组合逻辑控制使用专门逻辑电路的控制方式，它的实现有硬件接线控制和可编程逻辑阵列两种。硬件连线法最直接，可以用较少的元件实现最快的速度，但是如
6、果要更改，只有重新设计。可编程逻辑阵列采用低成本大规模集成电路的方式。组合逻辑控制灵活性很差，在复杂指令系统计算机中难以处理不断增加的复杂指数据库系统工程师 http:/ CPU 周期内并行执行。3.微指令格式微指令格式如图 1-4 所示。在如图 1-4 所示的前半部分，存放着对各种控制门进行激活或关闭的控制信息；后半部分是后续微指令的地址。微指令格式实现了数据结构中的单向列表。操作控制字段的格式有如下两种。水平型微指令：操作控制字段的每一位控制不同的控制门，可以在一个微指令中定义。执行多个并行的微操作的优点是效率高、灵活，执行时间短。垂直型微指令：与水平型微指令相比，其格式要短，一条微指令中
7、包括的数据库系统工程师 http:/ 12 个。由于其指令字短，所以比较容易掌握。在实践中也常常使用混合型微指令，即水平型微指令和垂直型微指令的混合。5、指令流、数据流和计算机的分类首先介绍指令流和数据流的定义。指令流：机器执行的指令序列。数据流：由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。1.计算机根据多倍性的分类按照计算机在一个执行阶断能执行的指令或能处理数据的最大可能个数，人们把计算机分成 4 种，如表 1-1 所示。SISD（Single Instruction Single Data,单指令流单数据流）：这是最简单的方式，计算机每次处理一条指令，并只对一个操作部件分配数据。SIM
8、D（SingleInstructionMultipleData, 单指令流多数据流）：具备SIMD 点的常常是并行处理机，这种处理机具备多个处理单元，每次都执行同样的指令，对不同的数据单元进行处理。这种计算机非常适合于处理矩阵计算等。MISD（Multiple Instruction Single Data,多指令流单 数据流）：这种处数据库系统工程师 http:/ Multiple Instruction Multiple Data,多指令流多数据流）：这是一种全面的并行处理，典型的是多处理机。这种计算机的设计和控制都很复杂。2.计算机按照程序流程机制的分类1）控制流计算机这是通常见到的计算
9、机，使用程序计数器（PC）来确定下一条指令的地址。指令程序流由程序员直接控制，其主存是共享的，存储区可以为多指令修改（后面将会提到），这容易产生数据相关性，对并行性不利。2）数据流计算机在冯 诺依曼体系中，计算机是指令流驱动的，而数据流则 是处于被动地位，这看起来合理，但在某些时候也不尽然。相对比的是数据流驱动，即一旦数据准备好，则立即开始执行相关的指令，这种非冯诺依曼体系仍然在探索中。目前，对冯诺依曼体系的改良已有相当的成果，即流水线技术和并行计算机。在数据流计算机中，数据不在共享的存储器中，而是在指令间传送，成为令牌。当需要使用该数据的指令收到令牌，开始执行之后，该令牌即消失，执行的指令将
10、执行的结果数据当做新的令牌发送。这种方式不再需要程序计数器数据库系统工程师 http:/ 的方式，操作只有在另一条指令需要这个操作的结果时才执行。例如，当计算 5+（62-10）时，归约机并非 先去计算 62,而是先计算整个算式，碰到（62-10）再启动一个 过程去计算 它，最后碰到需要计算 62,计算后一层层退回，得到整个算术的值。由于需求驱动可减少那些不必要的求值操作，因而可以提高系统效率。归约机是一种面向函数式语言，或以函数式语言为机器语言的机器。函数式语言程序没有诸如指令计数器、数据存储器和程序当前状态之类的概念。这种语言的程序是纯数学意义上的函数，它作用于程序的输入，得到的结果值就是
11、程序的输出。因此它不具有副作用，保证了程序各部分的并发执行。6、处理器性能计算机系统是一个极其复杂的系统，不同的指令系统、不同的体系实现方式、不同数量的硬件及不同部件的组合，都对计算机的性能造成这样或那样的影响。而且不同的应用对处理器的性能方面有不同的要求。这就要求对处理器性能评数据库系统工程师 http:/ http:/ 个 MIPS（Million Instructions Per Second,每秒百万条指令）指的是处理器每秒能完成 1106 条指令。这样的简单评价方法随着计算机应用的不断发展显得过于简单，局限性也日益暴露，由此很快便出现了改进的方法，主要有以下3 种。数据库系统工程师 http:/ 数据处理速度“.这只考虑了不同指令及不同操作数的平均长度对处理器性能的影响。这种方法主要对处理器和主存储器的速度进行度量，没有涉及 Cache、多功能部件等技术对性能的影响。3）核心程序法这种方法在归纳总结应用程序中，把使用得最为频繁的那部分程序作为核心程序。即将这些程序放在不同的处理器上运行，运行时间作为不同处理器的性能评价依据。使用精挑细选的核心程序，能够比较全面地评价处理器对某种应用程序的性能。与实际的应用程序相比，核心程序由于比较小，所以缓存利用率就高。如需了解更多数据库系统工程师资讯，请看希赛软考学院！
