系統架構設計師常見考點:計算機體系結構分類


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一、Flynn分類法
根據指令流和數據流的組合方式,Flynn將計算機體系結構分為四類:
1.SISD(單指令單數據):傳統的單核CPU屬于SISD結構,每次只能執行一條指令,處理一個數據。這種結構的計算機在處理簡單任務時效率較高,但在處理大規模并行計算任務時性能受限。
2.SIMD(單指令多數據):向量處理器和GPU(圖形處理單元)是SIMD結構的典型代表。它們可以在一個指令周期內同時處理多個數據,大大提高了數據處理的效率。例如,在圖像處理和科學計算中,SIMD結構可以快速完成矩陣運算和像素處理。
3.MISD(多指令單數據):這種結構的計算機在理論上存在,但在實際應用中很少見。它使用多個指令同時處理一個數據,可能用于某些特殊的容錯或冗余系統。
4.MIMD(多指令多數據):多核CPU和分布式系統屬于MIMD結構。它們可以同時執行多條指令,處理多個數據,具有較高的并行處理能力和靈活性。例如,在服務器和高性能計算集群中,MIMD結構可以充分利用多核處理器的性能,提高系統的吞吐量。
考試細節:考試可能會要求考生判斷一個計算機系統屬于哪種Flynn分類,或者比較不同分類結構的特點和應用場景。
二、CISC與RISC
CISC(復雜指令集)和RISC(精簡指令集)是兩種不同的指令集架構設計思想。
1.CISC(復雜指令集):指令復雜、數量多,指令長度不固定。CISC架構的CPU可以通過一條指令完成復雜的操作,例如字符串處理或浮點運算。這種設計的優點是編程方便,可以減少程序的指令數量,但缺點是CPU的復雜度高,指令執行速度較慢,且難以實現高效的流水線操作。
代表:x86架構是CISC架構的典型代表,廣泛應用于個人計算機和服務器。
2.RISC(精簡指令集):RISC架構的核心思想是通過簡化指令集,減少指令的復雜度和數量,從而提高指令的執行速度和流水線效率。RISC架構的CPU通常采用硬布線控制,減少了微程序的使用,進一步提高了性能。
特點:指令數量少,指令格式統一,便于硬件實現;指令執行速度快,適合流水線操作;依賴編譯器優化,通過將復雜操作分解為多個簡單指令來實現。
代表:ARM架構和MIPS架構是RISC架構的典型代表。ARM架構廣泛應用于移動設備和嵌入式系統,MIPS架構則在路由器等網絡設備中應用較多。
考試細節:考試可能會要求考生比較CISC和RISC架構的特點,例如指令復雜度、執行速度、硬件復雜度等。
也可能考查考生對CISC和RISC架構代表架構(如x86、ARM、MIPS)的了解,以及它們在實際應用中的場景。
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