计算机高级系统架构设计知识点框架总结
2022-10-19 16:50:43 0 举报AI智能生成
计算机高级系统架构设计知识点框架总结
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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<br>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<br>（<font color="#c41230">这是存储程序的基本含义</font>）<br>
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<br>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<br>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<br>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<br>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<font color="#c41230">接收</font>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<br>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。<br><br>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<br>
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<br>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<br>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<br>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，<br>SRAM 速度快，电路简单（不需要刷新电路），然而容量小，价格高<br>
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<br>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<br>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<br>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<br>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<br>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<br>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，<br>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。<br>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。<br>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<br>
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<br>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<br>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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