计算机组成与结构

硬件组成

五大部件：运算器，控制器，存储器（内部、外部），输入设备，输出设备(输入输出设备合称外设)

CPU（Central Processing Unit）

中央处理单元，硬件系统核心

功能

• 程序控制：控制程序执行顺序
• 操作控制：产生指令操作信号(一条指令功能需要若干操作信号配合)并送往对应的部件
• 时间控制：控制指令执行过程中操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序
• 数据处理：是CPU最根本的任务，算术运算、逻辑运算等方式
• 内外部中断(异常)响应处理

组成

1. 运算器：执行所有算术、逻辑运算及逻辑测试

   • ALU算术逻辑单元：算术运算，逻辑运算
   • AC累加寄存器：暂存数据，运算结果或者源操作数；至少有一个
   • DR数据缓冲寄存器：暂时存放内存的指令或数据
   • PSW状态条件寄存器：保存指令运行结果条件码内容

2. 控制器：控制整个CPU工作，CPU的核心

   • 指令寄存器IR：暂存指令
   • 程序计数器PC：程序（下一条）指令执行地址
   • 地址寄存器AR：CPU访问的内存单元地址
   • 指令译码器ID：对指令操作码分析

3. 寄存器组

   • 专用寄存器：也就是运算器和控制器中的
   • 通用寄存器：用途广泛

4. 内部总线

   • 依据指令的不同阶段来区分二进制的指令和数据

多核CPU

• 最大优点: 满足用户同时进行多任务处理
• 单核多线程是交替执行任务，转换时间短
• 发挥多核性能也需要操作系统和软件的合理分配

体系结构

分类

按处理机数量分类

• 单处理系统
• 并行处理系统：两个以上处理机互联
• 分布式处理系统：物理上远距离而且松耦合的多计算机系统

按并行程度分类

• Flynn分类法（指令流-控制部分处理 和数据流-处理器处理）
  • SISD 单指令流、单数据流
  • SIMD 单多
  • MISD（不实际，不存在）
  • MIMD 多多
• 冯泽云分类法
• Handler分类法
• Kuck分类法

指令系统

不同的处理器族支持不同的指令集体系结构（不同CPU 的汇编指令和结构是不同的）

计算机指令的组成

操作码，操作数(地址码)
CPI：指令时钟周期数是指CPU每执行一条指令所需的时钟周期数
MIPS：每秒百万条指令
MHz：10的6次方
GHz：10的9次方

计算机执行过程

取指令，分析指令，执行指令

指令寻址方式

顺序，跳跃

指令操作数的寻址方式

立即寻址
直接寻址
间接寻址
寄存器寻址
基址寻址
变址寻址

CISC和RISC

• CISC：complex 复杂指令集计算机
• RISC：reduced 精简指令集计算机

流水线（RISC）

原理： 将指令分成不同段，每段由不同的部分去处理

流水线技术：

1. 超流水线技术：时间换空间
2. 超标量技术：空间换时间
3. 超长指令字：空间换时间

• 流水线周期
• 流水线执行时间
• 流水线吞吐率：单位时间内处理的指令的条数
• 流水线加速比：不采用流水线技术

阵列处理机、并行处理机、多处理机

存储系统

分级存储体系

层次结构

（解决存储容量成本和速度之间的矛盾问题）：CPU内部通用寄存器，cache，主存储器，联机磁盘存储器，光盘和磁盘存储器

两级存储

cache-主存，主存-辅存
主存主要是由 DRAM(动态随机存取存储器) 构成的
局部性原理：时间局部性，空间局部性

高速缓存cache

存储当前最活跃的程序和数据，直接与CPU交互
控制部分和存储器组成
是主存一部分内容的副本，对程序员来说是透明的

地址映射

CPU送出的是主存单元地址，从cache存储器中读写信息，所以需要将主存单元地址转换为cache存储器地址；硬件自动完成映射

• 直接映射（最容易发生冲突）：cache中的块与主存中的块 是一一对应而且固定的
• 全相连映射（最不容易发生块冲突）
• 组组相连映射

替换算法：cache中的块替换

• 随机替换
• 先进先出
• 近期最少使用（最常用）
• 优先替换

命中率及平均时间

命中与未命中概率相加：90%*1 + 10%*1000

内存编址计算

1B=8b（存储单位），K，M，G是数量单位

磁盘

磁盘的结构和参数：正反两面，磁道（同心圆），扇区
磁头先找磁道，再找扇区（寻道时间：耗时最长，等待时间）

调度算法

• 先来先服务
• 最短寻道时间优先SSTF：会产生饥饿现象，即远处进程可能永远无法访问
• 扫描算法SCAN：电梯算法（经典）
• 单向扫描调度算法CSCAN：与电梯不同，只做单向移动

输入/输出技术

内存和接口地址编址方法

• 内存与接口地址独立编址方法：缺点是用于接口的指令太少，功能太弱
• 内存与接口地址统一编址方法：缺点在于整个地址空间被分成两部分

计算机与外设间的数据交互方式

• 程序控制方式：CPU主动查询外设是否完成数据传输，效率极低
• 程序中断方式：外设数据传输完成后，向CPU发送中断（过程：上课有电话进来的例子）
• DMA方式（直接主存存取）：DMA控制器完成
• 在一个总线周期结束后，CPU会响应DMA请求开始读取数据；CPU响应程序中断方式请求是在一条指令执行结束时

总线结构

总线：指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道

总线分类：

1. 内部总线-系统总线：数据总线，地址总线，控制总线
2. 外部总线 单工、半双工、全双工