高级系统架构设计师-计算机组成与体系结构思维导图
2020-08-10 10:43:19 7 举报AI智能生成
高级系统架构设计师-计算机组成与体系结构思维导图
作者其他创作
大纲/内容
知识点
计算机系统
硬件
控制器
程序计数器PC
指令寄存器 IR
指令译码器 ID
时序部件
运算器
算术逻辑单元 ALU
累加寄存器 AC
数据缓冲寄存器 DR
状态条件寄存器 PSW
输入设备
输出设备
存储器
主存储器
辅助存储器
计算机系统结构的分类
存储程序的概念
提出人：冯•诺依曼等人于 1946 年 6 月
概述
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
部件组成
内部采用二进制来表示指令和数据
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
（这是存储程序的基本含义）
（这是存储程序的基本含义）
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
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
Flynn 分类
提出人
1966 年，Michael．J．Flynn
概要
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），
分类（通常称为 Flynn 分类法），
指令流
数据流
不同的指令流-数据流组织方式分类
单指令流单数据流（Single Instruction stream and Single Data stream，SISD）
单指令流多数据流（Single Instruction stream and Multiple Data stream，SIMD）
多指令流单数据流（Multiple Instruction stream and Single Data stream，MISD）
多指令流多数据流（Multiple Instruction stream and Multiple Data stream，MIMD）
CISC/RISC
复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）
特点
指令数量众多
指令使用频率相差悬殊
支持很多种寻址方式
变长的指令
指令可以对主存单元中的数据直接进行处理
以微程序控制为主
概要
增强指令的功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬
件的指令系统来实现
件的指令系统来实现
精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）
概要
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
行完成指令，较复杂的功能用一段子程序来实现
行完成指令，较复杂的功能用一段子程序来实现
特点
指令数量少
指令的寻址方式少
指令长度固定，指令格式种类少
以硬布线逻辑控制为主
单周期指令执行，采用流水线技术
优化的编译器
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
总线
概要
总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路
分时
共享
接收
在同一时刻，允许多个部件同时从总线上接收相同的信
存储器系统
概要
存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储
程序控制”的基础。在计算机系统中，规模较大的存储器往往分成若干级，称为存储器系统。
采用多级存储器体系，确保能够获得尽可能高的存取速率，同时保持较低的成本
程序控制”的基础。在计算机系统中，规模较大的存储器往往分成若干级，称为存储器系统。
采用多级存储器体系，确保能够获得尽可能高的存取速率，同时保持较低的成本
低投入换来较高的存取速率，得益于局部性原理
局部性原理是指程序在执行时呈现出局部性规律，即在一较短的时间内，程序的执行仅局限于某个
部分。
部分。
主存储器
概述
主存可由 CPU 直接访问，存取速度快，但容量较小，一般用来存放当前正在执行的程序和数据
随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）
概述
既可以写入也可以读出，但断电后信
息无法保存，只能用于暂存数据
息无法保存，只能用于暂存数据
分类
DRAM 动态RAM
DRAM 的信息会随时间逐渐消失，因此需要定时
对其进行刷新维持信息不丢失
对其进行刷新维持信息不丢失
SRAM 静态RAM
SRAM 在不断电的情况下信息能够一直保持而不会丢失
比较
DRAM 的密度大于 SRAM 且更加便宜，
SRAM 速度快，电路简单（不需要刷新电路），然而容量小，价格高
SRAM 速度快，电路简单（不需要刷新电路），然而容量小，价格高
只读存储器器（Read Only Memory，ROM）
特点
存储器的内容只能随机读出而不能写入
用处
这类存储器常用来存放那些不需要改变的信息。由
于信息一旦写入存储器就固定不变了，即使断电，写入的内容也不会丢失，所以又称为固定
存储器。一般用于存放系统程序 BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统
于信息一旦写入存储器就固定不变了，即使断电，写入的内容也不会丢失，所以又称为固定
存储器。一般用于存放系统程序 BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统
内存编址方法
计算机系统中，存储器中每个单元的位数是相同且固定的，称为存储
器编址单位。不同的计算机，存储器编址的方式不同，主要有字编址和字节编址
器编址单位。不同的计算机，存储器编址的方式不同，主要有字编址和字节编址
辅助存储器
概述
辅存设置在主机外部，它的存储容量大，价格较低，但存取速度较慢，一般用来存放暂时不参与运行
的程序和数据，CPU 不可以直接访问辅存，辅存中的程序和数据在需要时才传送到主存，因此它是主存的补充和后援
的程序和数据，CPU 不可以直接访问辅存，辅存中的程序和数据在需要时才传送到主存，因此它是主存的补充和后援
磁带存储器
一种顺序存取的设备，其特点包括：存取时间较长，但存储
容量大，便于携带，价格便宜
容量大，便于携带，价格便宜
硬盘存储器
记录面
圆柱面
磁道
扇区
磁盘访问时间
磁盘访问时间（存取时间） = 寻道时间+旋转延迟时间
Cache
概述
当 CPU 速度很高时，为了使访问存储器的速度能与 CPU 的速度相匹配，又在主存和 CPU 间增设了一级 Cache。Cache 的存取速度比主存更快，但容量更小，用来存放当前最急需处理的程序和数据，以便快速地向 CPU 提供指令和数据
功能
提高 CPU 数据输入输出的速率，突破所谓的“冯•诺依曼瓶颈”，即 CPU 与存储系统间数据传送带宽限制。
Cache 通常采用相联存储器
Cache 基本原理
使用 Cache 改善系统性能的依据是程序的局部性原理
“Cache+主存储器”的系统的平均周期
t3 =t1′h+t2′(1-h)
映射机制
概要
当 CPU 发出访存请求后，存储器地址先被送到 Cache 控制器以确定所需数据是否已
在 Cache 中，若命中则直接对 Cache 进行访问，这个过程称为 Cache 的地址映射（映像）。
在 Cache 中，若命中则直接对 Cache 进行访问，这个过程称为 Cache 的地址映射（映像）。
直接映射
直接映像方式以随机存取存储器作为 Cache 存储器，硬件电路较简单。在进行映像时，
主存地址被分成三个部分，从高到低依次为：区号、页号以及页内地址
主存地址被分成三个部分，从高到低依次为：区号、页号以及页内地址
优点
比较容易实现
缺点
不够灵活，有可能使 Cache 的存储空间得不到充分利用。
全相联映射
全相联映像使用相联存储器组成的 Cache 存储器。在全相联映像方式中，主存的每一页可以映像到 Cache 的任一页。如果淘汰 Cache 中某一页的内容，则可调入任一主存页的内容，因而较直接映像方式灵活
主存地址
分别为地址部分（主存页标记）和数据部分（页内地址）。数据部分用于存放数据，而地址部分则存放该数据的存储器地址
缺点
速度很慢，失掉了高速缓存的作用
较器电路难于设计和实现，只适用于小容量 Cache
组相联映射
组相联映像（页组映像）介于直接映像和全相联映像之间，是这两种映像的一种折衷方案
全相联映像方式以页为单位，可自由映像，没有固定的对应关系。
直接映像方式中，主存分组，主存组内的各页与 Cache 的页之间采取的是固定的映像关系，但各组均可映像到Cache 中。
在组相联映像方式中，主存与 Cache 都分组，主存中一个组内的页数与 Cache 的分组数相同
直接映像方式中，主存分组，主存组内的各页与 Cache 的页之间采取的是固定的映像关系，但各组均可映像到Cache 中。
在组相联映像方式中，主存与 Cache 都分组，主存中一个组内的页数与 Cache 的分组数相同
存储器中数据存取方式
顺序存取（磁带）
直接存取（磁盘）
随机存取（主存）
相联存取（Cache）
流水线
流水线周期
流水线应用过程中，会将需要处理的工作分为 N 个阶段，最耗时的那一段所消耗的时
间为流水线周期
间为流水线周期
流水线执行时间
流水线执行时间=第 1 条指令的执行时间+（n-1）*流水线周期
理论情况
实践情况
流水线的吞吐率（Though Put rate，TP）
在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量
TP=n/Tk (任务数n/完成n个任务的时间Tk)
最大吞吐率
流水线的加速比
完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比称为流水线
的加速比（speedup ratio）
的加速比（speedup ratio）
s=T0/Tk
最大加速比
考点
Flynn分类法
CISC/RISC
计算机层次化存储结构
Cache
时间/空间局部性
随机存储器和只读存储器
磁盘工作原理
流水线基本概念
流水线周期及流水线执行时间
流水线吞吐率
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