第1章 · 播客 第1集
计算机组成与体系结构 · 计算机组成与指令系统
🎙️ 本集播客：第1集：从「五大部件到底是五个还是六个」这个坑开始，把控制器四件套、运算器四件套逐一辨清，讲透冯·诺依曼存储程序、Flynn 四分类和 CISC/RISC 的每一条特征——都是选择题的直接取材点。 语音由微软 Edge 神经网络语音预生成（女声·晓伊，男声·云希）。点击下方任意对话可直接从该句开始播，当前句朗读时下一句已预先加载，无缝衔接。
雅
小雅
阿明，先来一道送分题：存储程序概念里说的计算机五大基本部件，你背给我听。
明
阿明
控制器、运算器、主存、辅存、输入设备、输出设备——诶，怎么六个了。
雅
小雅
这就是第一个坑，年年有人栽。原文写得很清楚：五大基本部件是运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。主存和辅存合起来算一个「存储器」，你把它拆成两个就多出一个来。记住这个数，选择题里「以下哪个不属于五大基本部件」的干扰项经常就拿主存辅存来做。
明
阿明
行吧，那这章我本来还想跳过——架构师还要管硬件？
雅
小雅
原文开头就把这个想法怼回去了：也许有人认为架构师不需要硬件或底层原理的知识，因为这层往往已经封装好了。但事实并非如此——系统是构建在硬件与操作系统之上的，不对底层有认识，会导致一系列安全与性能问题。这句话本身就能出简答题。
明
阿明
懂了，我不跳。那先从控制器开始？
雅
小雅
对。控制器是分析和执行指令的部件，也是统一指挥、控制各部件协调工作的中心部件，它所依据的是机器指令。它下面四个组成：程序计数器 PC，存储下一条要执行指令的地址；指令寄存器 IR，存储即将执行的指令；指令译码器 ID，对指令中的操作码字段进行分析解释；时序部件，提供时序控制信号。
明
阿明
PC 和 IR 我总记混，一个存地址一个存指令，考试怎么问？
雅
小雅
问法就一句：「在控制器中，用于存储下一条要执行指令地址的部件是？」答案是程序计数器 PC。你要在四个选项里同时排掉三个干扰项：IR 存的是即将执行的那条指令本身，不是地址；ID 是对操作码字段做分析解释，它不存东西；而累加寄存器 AC——注意——AC 根本不属于控制器，它是运算器的部件。这道题的杀招就是把 AC 混进控制器的选项里。
明
阿明
好毒。所以看到 AC 出现在「控制器中」的题干里，直接排除。
雅
小雅
对。顺着说运算器。运算器也叫算术逻辑单元 ALU，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。它也是四个组成：算术逻辑单元 ALU，做数据的算术运算和逻辑运算；累加寄存器 AC，是通用寄存器，为 ALU 提供一个工作区，用来暂存数据；数据缓冲寄存器 DR，写内存时暂存指令或数据；状态条件寄存器 PSW，存状态标志与控制标志。
明
阿明
四对四，挺整齐。这里面有没有像 AC 那样的暗坑？
雅
小雅
有，就是 PSW。原文专门标了这是个争议点：也有把状态条件寄存器 PSW 归为控制器的。所以如果题目问「PSW 属于哪个部件」，两种答案都有出处，考试时看选项——如果选项里只有运算器没有控制器，就选运算器；反过来也一样。这种被教材自己标注了争议的点，出题人一般会避开，但你得知道它两边都站得住。
明
阿明
那存储器和输入输出设备呢，这几个听起来最没悬念。
雅
小雅
主存也叫内存储器，存放现场操作的信息与中间结果，包括机器指令和数据；辅存也叫外存储器，存放需要长期保存的各种信息。输入设备把编好的程序和原始数据送进计算机，并转换成计算机内部能识别接受的信息方式，按输入信息形态分字符输入、图形输入、图像输入、语音输入，常见的是键盘鼠标扫描仪；输出设备把处理结果以人或其他设备能接受的形式送出，最常用的是打印机和显示器。
雅
小雅
这里还埋着一个小考点：有些设备既可以是输入设备，同时也可以是输出设备。原文给了两个例子——辅助存储器，以及自动控制和检测系统中使用的数模转换装置。判断题问「输入设备和输出设备是严格互斥的吗」，答案是否。
明
阿明
记下了。接下来该冯·诺依曼了吧，这个名字每年都出现。
雅
小雅
先说一个最爱考的方向性问题。原始的冯·诺依曼计算机在结构上是以运算器为中心的，而发展到现在，已经转向以存储器为中心了。这道题的四个选项一般就是控制器、运算器、存储器、输入设备，问「原始的」就选运算器，问「现代的」就选存储器。看清题干那两个字，一秒得分。
明
阿明
这也太容易看漏了。存储程序概念本身呢？
雅
小雅
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，记住这个时间。它概括为三点：第一，计算机也就是硬件，应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成；第二，计算机内部采用二进制来表示指令和数据；第三，将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作——这第三点就是存储程序的基本含义。
明
阿明
所以他最大的贡献就是这个「事先存进去」？
雅
小雅
原文的定性很明确：冯·诺依曼对计算机世界的最大贡献，在于「存储程序控制」概念的提出和实现。六十多年来虽然计算机发展速度惊人，但就结构原理来说，目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概念的基础上。符合存储程序概念的计算机统称冯·诺依曼型计算机。
明
阿明
那它有没有缺点？总不能六十年都没毛病。
雅
小雅
问得好，缺点正是考点。随着技术发展，冯·诺依曼型计算机暴露出主要弱点：存储器访问会成为瓶颈。已经出现了一些突破存储程序控制的计算机，统称非冯·诺依曼型计算机。原文给了三个例子，你把「驱动方式」和「机器名」配对记：数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计算机、模式匹配驱动的智能计算机。考试爱把这三组打乱重配，比如说成「需求驱动的数据流计算机」，那就是错的。
明
阿明
数据驱动配数据流、需求驱动配归约、模式匹配配智能。三对。
雅
小雅
接着是 Flynn 分类，这块必考。1966 年 Michael J. Flynn 提出根据指令流、数据流的多倍性特征对计算机系统分类。先把两个定义抠准：指令流，指机器执行的指令序列；数据流，指由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果，但不包括输出数据。
明
阿明
等等，数据流不包括输出数据？我一直以为进出都算。
雅
小雅
这就是判断题的原材料——「数据流包括输入数据、中间结果和输出数据」，错。包括输入数据和中间结果，不包括输出数据。这一句你单独背下来。
明
阿明
那 SISD、SIMD、MISD、MIMD 四个，怎么区分才不混？
雅
小雅
一个一个来。SISD 单指令流单数据流，其实就是传统的顺序执行的单处理器计算机，它的指令部件每次只对一条指令译码，并且只对一个操作部件分配数据。SIMD 单指令流多数据流，以并行处理机也就是矩阵处理机为代表，并行处理机包括多个重复的处理单元，由单一指令部件控制，按同一指令流的要求为它们分配各自所需的不同数据。
明
阿明
所以 SIMD 的关键是「一个指令部件、多份不同数据」。MISD 呢？
雅
小雅
MISD 多指令流单数据流，具有 n 个处理单元，按 n 条不同指令的要求，对同一数据流及其中间结果进行不同的处理，一个处理单元的输出又作为另一个处理单元的输入。这里有两个必须记的补充：原文说这类系统实际上很少见到；另外有文献把流水线看作多个指令部件，称流水线计算机是 MISD。
明
阿明
「实际很少见」这句居然也是考点？
雅
小雅
是，问「以下哪类在实际中很少见到」，答 MISD。最后 MIMD 多指令流多数据流，是指能实现作业、任务、指令等各级全面并行的多机系统，多核处理器、多处理机属于 MIMD。所以问「多核处理器属于 Flynn 分类的哪一类」，答案是 MIMD，别被 SIMD 带走——SIMD 是并行处理机、矩阵处理机。
明
阿明
多核=MIMD，并行处理机=SIMD，单处理器=SISD，很少见的=MISD。这四条我背死。
雅
小雅
最后一块，CISC 和 RISC。先说这两者的由来：指令系统的优化设计有两个截然相反的方向。一个是增强指令功能、设置一些功能复杂的指令，把原来由软件实现的常用功能改用硬件的指令系统来实现，这就是复杂指令系统计算机 CISC；另一个是尽量简化指令功能，只保留那些功能简单、能在一个节拍内执行完成的指令，较复杂的功能用一段子程序来实现，这就是精简指令系统计算机 RISC。
明
阿明
CISC 的特点里有几个数字吧，我记得考过。
雅
小雅
六条，数字有三处。第一，指令数量众多，通常有 100 到 250 条。第二，指令使用频率相差悬殊——最常使用的是一些比较简单的指令，仅占指令总数的 20%，但在程序中出现的频率却占 80%，而大部分复杂指令很少使用。第三，支持很多种寻址方式，通常为 5 到 20 种。第四，变长的指令，指令长度不固定，变长会增加指令译码电路的复杂性。第五，指令可以对主存单元中的数据直接进行处理，执行速度较慢。第六，以微程序控制为主，因为指令系统很复杂，难以用硬布线逻辑电路实现控制器。
明
阿明
20% 占 80% 这个数字方向别记反——是少数简单指令被高频使用。
雅
小雅
对，方向反了就是错项。再看 RISC，它的总目标是：要求指令系统简化，操作在单周期内完成，指令格式力求一致，寻址方式尽可能减少，并提高编译的效率，最终加快机器处理速度。这句总纲能覆盖一半的选项。
明
阿明
那 RISC 的七条特点，逐条来吧，考「以下关于 RISC 描述错误的是」这种题我最容易掉。
雅
小雅
逐条给你。第一，指令数量少，优先选取使用频率最高的简单指令和常用指令，避免复杂指令；而且只提供 LOAD 从存储器中读数和 STORE 把数据写入存储器这两条指令对存储器操作，其余所有操作都在 CPU 的寄存器之间进行。第二，指令的寻址方式少，通常只支持寄存器寻址、立即数寻址和相对寻址。第三，指令长度固定、指令格式种类少，因为数量少格式少，各字段划分比较一致，译码相对容易。
雅
小雅
第四，以硬布线逻辑控制为主，为提高执行速度通常采用硬布线逻辑也就是组合逻辑来构建控制器——注意这条正好和 CISC 的微程序控制相反，是最常考的对比点。第五，单周期指令执行、采用流水线技术，因为简化了指令系统，很容易利用流水线，使大部分指令都能在一个机器周期内完成；少数指令可能需要多周期，例如 LOAD 和 STORE 因为要访问存储器，执行时间就会长一些。
明
阿明
所以「RISC 所有指令都在一个周期内完成」这种说法是错的？
雅
小雅
错，因为 LOAD/STORE 要访存，会长一些。原文用的是「大部分指令」。这就是典型的绝对化错项。继续第六，优化的编译器——精简指令集使编译工作简单化，指令长度固定、格式少、寻址方式少，编译时不必在相似功能的许多指令中选择，也不必为寻址方式费心，同时易于实现优化，可以生成高效率执行的机器代码。第七，CPU 中的通用寄存器数量多，一般在 32 个以上，有的可达上千个。
明
阿明
32 个以上，上千个。还有 Cache 那句吧？
雅
小雅
对，收尾这句也考：大多数 RISC 采用了 Cache 方案，使用 Cache 来提高取指令的速度；而且有的 RISC 使用两个独立的 Cache 来改善性能，一个称为指令 Cache，另一个称为数据 Cache，这样取指令和取数据可以同时进行、互不干扰。
明
阿明
指令 Cache 加数据 Cache，所以能并行不打架。这集信息量真够大。
雅
小雅
把本集必背清一遍：五大基本部件是五个不是六个，主存辅存合并算存储器；PC 存下一条指令地址、IR 存即将执行的指令、ID 译码操作码、AC 属于运算器不属于控制器；原始冯·诺依曼以运算器为中心、现代以存储器为中心，存储程序 1946 年 6 月提出、瓶颈是存储器访问；Flynn 的数据流不含输出数据，多核是 MIMD、并行处理机是 SIMD、MISD 很少见；CISC 是 100 到 250 条指令、20% 占 80%、寻址 5 到 20 种、微程序控制，RISC 是只有 LOAD 和 STORE 访存、定长指令、硬布线控制、通用寄存器 32 个以上。
明
阿明
这一集把我以前糊在一起的全拆开了，选项陷阱也心里有数了。
雅
小雅
后面还有三集：先讲总线、存储三级体系和局部性原理，再讲硬盘和 Cache 三种映射的标记位怎么算，最后是替换写策略和流水线那几个必考公式——例题我会一步一步算给你听，那才是真拉分的地方。