计算机组成原理——篇二

文章目录

- 导学
- 计算机总线
- - 概述
  - 仲裁
- 输入输出设备
- 存储器概览
- - 分类
  - 层次结构
  - 主存
  - 辅存
  - 高速缓存
- 指令系统
- CPU控制器
- 运算器
- 指令执行过程
- 小结

导学

这部分从具体的硬件组成入手，了解计算机的工作流程：

计算机总线

总线对于计算机类似于人体的血管，在各个设备和组件之间传输数据
- 统一说法：设备包括不同计算机、输入输出设备（IO）、内部组件，具体是哪部分还要看场景

概述

总线的作用：解决不同设备之间的通信问题
可以分两类：外部总线和内部总线
外部总线：
包括PCI总线（外设插槽）、USB（通用串行总线）、ISA总线等
USB是计算机对外连接的接口，不同的设备可以通过此接口连接，也就促使了外围接口的标准统一
内部总线：
片内总线：
- 芯片内部的总线（CPU）
- 寄存器之间、寄存器和控制运算器传输数据
系统总线
- 计算机各设备之间传递数据，包括数据、地址、控制总线
- 数据总线
  - 双向传输各个部件的数据信息
  - 总线位数（宽度）：32位/64位；是关键参数
- 地址总线
  - 存储器（内存）寻址
  - 地址总线的位数与存储单元大小（例如32比特）有关，决定了寻址范围
- 控制总线
  - 组件间发出各种控制信号（指令）

仲裁

解决不同设备之间争夺总线资源的问题
仲裁方法
- 链式查询：
  - 所有设备通过一根请求线（BR）连接仲裁控制器，使用总线时发出申请
  - 总线空闲时，允许线（BG）会链式查询设备，将总线分配给优先级最高的设备
  - 总线分配后，会通过忙线（BS）将请求忙发送给总线，标志总线被占用
  - 电路复杂度低，仲裁方式简单
  - 缺点：优先级低（离控制器远）的设备难以获得使用权
- 计时器定时查询
  - 仲裁控制器对设备编号，并使用计数器累计计数
  - 接收到仲裁信号（申请）后，通过设备地址线往所有设备发出计数值
  - 计数值与设备编号一致，则获得使用权
  - 如图：经过几次查询，此时计数器为3，设备3发起申请时会获得使用权
  - 注：计数从上一次的终点开始，优先级相等；计数从头开始，优先级同链式查询
- 独立请求
  - 每个设备均有BR和BG总线独立连接仲裁器，可单独发送/接收信号
  - 仲裁器按优先级分配使用权
  - 优点：响应速度快，优先顺序可动态改变
  - 缺点：连线多，控制复杂
- 小结一下：
- 注：“总线忙”信号的建立者是获得总线控制权的那个设备

输入输出设备

字符输入设备：键盘
图像输入设备：鼠标、数位板、扫描仪
图像输出设备：显示器、打印机、投影仪
当然，上面的并不重要，关键在于如何设计通用的输入输出接口？
- 是否已连接？
- 是否已启动？
- 如何向设备发送数据？
- 如何读取数据？
- 设备是否被占用？
基于上面的问题，现今的设计方案如下：
- 布线：数据线、状态线、命令线、设备选择线
- 数据线：IO设备与主机交换数据
- 状态线：IO状态向主机报告（连接和占用情况）
- 命令线：CPU向设备发送命令（读写、启停）
- 选择线：主机选择IO设备（选择地址）
CPU与IO的通信方法
- 程序中断：外围IO设备就绪时，向CPU发出中断信号，CPU有专门电路响应
- DMA(直接存储器访问)：
  - 直接连接内存与IO设备、存储器之间，批量传输数据
  - 工作时无需CPU参与控制
  - 当然，需要DMA提出总线接管请求和发出结束信号（CPU让出总线）
- 目的是不变的：解决CPU和IO速度不匹配的问题，尽量提高CPU效率

存储器概览

存储器的分类和结构

层次结构

一般考虑如下因素：
- 读写速度：例如5400转/分钟（r/min）
- 存储容量：例如2T
- 价格：位价（每比特位价格）
- 这些直接影响着存储结构的设计
存储器层次结构：
也可表示为：缓存-主存和主存-辅存层次
- 缓存是为了解决CPU与内存（主存）速度不匹配的问题
- 辅存是为了解决主存容量不足的问题（虚拟内存），主要是磁盘
局部性原理
- CPU访问存储器时，无论是存取指令还是数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中

主存

主存一般指内存，由RAM（Random Access Memory）组成
RAM通过电容存储数据，每隔一段时间必须刷新一次
如果掉电，所有数据会丢失
主存的组成、数据的读写通路如下图：
不同操作系统的差别：

辅存

主要是磁盘，实物和示意图：
表面是可磁化的硬磁特性材料
磁头径向运动读取信息
磁头的调度有特定的算法：
- 规定：最外层磁道编号为1，向内递增
- 先来先服务算法：
  - 顾名思义，按照进程的访问顺序依次读取磁道
- 最短寻道时间优先算法：
  - 每次找到距当前磁头最近的磁道
- 扫描算法（电梯算法）：
  - 磁头每次只往一个方向运动，到达尽头再反向移动
  - 靠后的磁道先访问，不公平
- 循环扫描算法：
  - 只往一个方向运动（外向内），到达最内层后回到最外层，再开始访问

高速缓存

基本概念
- 字：存放在一个存储单元中的二进制代码组合
- 字块：存储在连续存储单元中的一组字（一个单元）
- 字地址：前m位指定字块的地址，后b位指定字在字块中的地址；2^m=M，2^b=B
- 计组的一些内容有很细节的概念，不理清楚越学越糊涂；还要注意问题的一般场景，例如我们一般先知道MB再求mb，不要无端的给自己找麻烦
- 上面是主存的划分，缓存同理，用C代表其块数；和主存M的主要区别是C很小，B保持一致是为了方便以块为单位缓存
问题场景
- CPU需要的数据在缓存
- CPU需要的数据不在缓存（不在缓存的要去主存拿）
工作原理
- 命中率：取一波数据时访问Cache的次数（N_c）和总次数（N_c+N_m）之比，定为h
- 访问主存时间（t_m）和访问缓存时间（t_c）
- 访问Cache-主存系统平均时间：t_a=ht_c+(1-h)t_m
- 看个例子：
- 访问效率：
- 平均访问时间：
为了尽可能的使用缓存，需要合适的缓存替换策略
- 先进先出算法（FIFO）
  - 优先替换掉最先进入缓存字块
- 最不经常使用算法（LFU）
  - 淘汰掉最不经常使用的字块（计数器）
  - 因此需要额外空间记录字块使用频率
- 最近最少使用算法（LRU）
  - 优先淘汰一段时间内没有使用的字块
  - 关键在实现方法，得到最近最少使用块
  - 一般使用双向链表，每次新插入数据到链表的头部，每次缓存命中（即数据被访问），则将数据移到链表头部；那么当链表满的时候，就将链表尾部的数据丢弃
  - 常借助甘特图推算

指令系统

机器指令形式：操作码+地址码
- 操作码：指明指令所要完成的操作，操作码的位数决定了操作种类数
- 地址码：给出操作数或操作数的地址，分三地址、二地址和一地址指令
- 还有零地址指令：无地址码，一般是空操作、停机操作、中断返回操作等
指令类型（操作码决定）
- 数据传输
  - 寄存器之间、寄存器与存储单元之间、存储单元之间
  - 数据读写、交换地址、清零置一等
- 算术逻辑
  - 加减乘除、与非
- 移位操作
  - 数据左移（x2）、右移（/2）
- 控制指令
  - 中断、空操作、停机等
指令寻址方式（是整个指令；也要区别指令和数据）
- 顺序寻址：按指令存放顺序依次执行
- 跳跃寻址：遇到JMP指令时
操作数寻址（地址码）
- 立即寻址：指令中带着操作数
- 直接寻址：直接给出操作数所在主存地址
- 简介寻址：地址码给出的是操作数地址的地址：
- 这部分常考，对比如下：