系统架构设计师教程（第4版） - (EPUB全文下载)

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系统架构设计师教程（第4版）
第1章 计算机组成与体系结构
第2章 操作系统
第3章 数据库系统
第4章 计算机网络
第5章 系统性能评价
第6章 开发方法
第7章 系统计划
第8章 系统分析与设计方法
第9章 软件架构设计
第10章 设计模式
第11章 测试评审方法
第12章 嵌入式系统设计
第13章 开发管理
第14章 信息系统基础知识
第15章 基于中间件的开发
第16章 安全性和保密性设计
第17章 系统的可靠性分析与设计
第18章 软件的知识产权保护
第19章 标准化知识
第20章 应用数学
第21章 虚拟化、云计算与物联网
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正文
第1章 计算机组成与体系结构
也许有人认为系统架构设计师不需要硬件或计算机底层原理的知识。因为这个层面的一些处理往往已经封装好，不需要架构师重新进行规划。然而，事实并非如此，系统构建于硬件与操作系统之上，如果我们不对计算机底层原理有一定认识，会导致一系列安全与性能问题。本章将从计算机的组成，计算机的指令系统，存储系统等方面展开论述。
1.1 计算机系统组成
计算机系统是一个硬件和软件的综合体，可以把它看成按功能划分的多级层次结构。
1.1.1 计算机硬件的组成
硬件通常是指一切看得见，摸得到的设备实体。原始的冯•诺依曼（Von Neumann）计算机在结构上是以运算器为中心的，而发展到现在，已转向以存储器为中心了。图1-1所示为计算机最基本的组成框图。
图1-1 计算机各功能部件之间的合作关系
（1）控制器。控制器是分析和执行指令的部件，也是统一指挥并控制计算机各部件协调工作的中心部件，所依据的是机器指令。控制器的组成包含如下。
① 程序计数器PC：存储下一条要执行指令的地址；
② 指令寄存器IR：存储即将执行的指令；
③ 指令译码器ID：对指令中的操作码字段进行分析解释；
④ 时序部件：提供时序控制信号。
（2）运算器。运算器也称为算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit，ALU），其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。运算器的组成包含如下。
① 算术逻辑单元ALU：数据的算术运算和逻辑运算；
② 累加寄存器AC：通用寄存器，为ALU提供一个工作区，用在暂存数据；
③ 数据缓冲寄存器DR：写内存时，暂存指令或数据；
④ 状态条件寄存器PSW：存状态标志与控制标志 （争议点：也有将其归为控制器的）。
（3）主存储器。主存储器也称为内存储器（通常简称为“主存”或“内存”）。存储现场操作的信息与中间结果，包括机器指令和数据。
（4）辅助存储器。辅助存储器也称为外存储器，通常简称为外存或辅存。存储需要长期保存的各种信息。
（5）输入设备。输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去，并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。按输入信息的形态可分为字符（包括汉字）输入、图形输入、图像输入及语音输入等。目前，常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪等。
（6）输出设备。输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。目前，最常用的输出设备是打印机和显示器。有些设备既可以是输入设备，同时也可以是输出设备，例如，辅助存储器、自动控制和检测系统中使用的数模转换装置等。
1.1.2 计算机系统结构的分类
计算机的发展经历了电子管和晶体管时代、集成电路时代（中小规模、大规模、超大规模、甚大规模、极大规模）。目前，世界最高水平的单片集成电路芯片上所容纳的元器件数量已经达到80多亿个。
1.存储程序的概念
“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，它可以简要地概括为以下几点：
（1）计算机（指硬件）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。
（2）计算机内部采用二进制来表示指令和数据。
（3）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。这就是存储程序的基本含义。
冯•诺依曼对计算机业界的最大贡献在于“存储程序控制”概念的提出和实现。六十多年来，虽然计算机的发展速度惊人，但就其结构原理来说，目前绝大多数计算机仍建立在存储程序概念的基础上。通常把符合存储程序概念的计算机统称为冯•诺依曼型计算机。当然，现代计算机与早期计算机相比，在结构上还是有许多改进的。
随着计算机技术的不断发展，也暴露出了冯•诺依曼型计算机的主要弱点：存储器访问会成为瓶颈。目前，已出现了一些突破存储程序控制的计算机，统称为非冯•诺依曼型计算机，例如，数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计算机和模式匹配驱动的智能计算机等。
2.Flynn分类
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进行分类（通常称为Flynn分类法），有关定义如下。
（1）指令流：指机器执行的指令序列；
（2）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。
Flynn根据不同的指令流-数据流组织方式，把计算机系统分成以下四类。
（1）单指令流单数据流（Single Instruction stream and Single Data stream，SISD）：SISD其实就是传统的顺序执行的单处理器计算机，其指令部件每次只对一条指令进行译码，并只对一个操作部件分配数据。
（2）单指令流多数据流（Single Instruction stream and Multiple Data stream，SIMD）：SIMD 以并行处理机（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，按照同一指令流的要求为它们分配各自所需的不同数据。
（3）多指令流单数据流（Multiple Instruction stream and Single Data stream，MISD）：MISD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。 ............

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