计算机组成原理

2022计算机组成原理思维导图，主要内容有计算机发展简史、计算机的性能指标、计算机硬件、计算机软件、计算机系统的层次结构。

计算机组成原理

世界上第一台电子数字计算机

ENIAC

计算机发展简史

数据处理机

工业控制机

小型计算机

微型计算机

单片计算机

计算机的性能指标

吞吐量：某一时间间隔内能处理的信息量

响应时间：从输入有效到系统响应

利用率：系统实际使用的时间占给定时间间隔的比率

处理机字长: 处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数

总线宽度：CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数

存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目

存储器带宽：单位时间内从存储器中读出的二进制数信息量

主频/时钟周期：主时钟的频率（f）叫CPU的频率；主频的倒数为CPU时钟周期

CPU执行时间：

表示CPU执行一般程序所占用的CPU时间

CPU执行时间=CPU时钟周期数*CPU时钟周期

CPI

指令周期数;即执行一条指令所需要的平均时钟周期数

CPI=执行某程序所需的CPU时钟周期数 / 程序包含的指令条数

MIPS（Million Instructions Per Second）

MIPS=指令数 / （程序执行时间 * 10^6）

计算机硬件

CPU（中央处理器）

运算器

存储器

一些概念

存储位元：一个二进制代码位是存储器中最小的存储单位；若干存储位元构成存储单元

存储单元：把保存一个数的16个触发器称为存储单元，存储单元带地址

许多存储单元组成存储器

存储容量：存储器所有存储单元的总数

存储字长：存放咋一个存储单元中的二进制位数

Flash Memory:造U盘，非易失性存储器；EPROM是可擦除可编程ROM，稳定并且可以按位擦取，一般用于对速度要求不高的小存储器

分类

按与cpu的耦合程度

外存储器

磁盘存储器

光盘存储器

内存储器

包括

主存

大多数按照字节编址

数据组织

数据存储与边界的关系

按边界对齐的方式存储

不按边界对齐的方式存储

节省了空间，但增加了访问主存的次数；eg.访问x需要三次

大端与小端的存储方式

大端：高字节地址作为数据的地址内存的低地址端

小端：低字节地址作为数据的地址

静态存储器（SRAM）

SRAM存储单元结构

读写过程要求x、y译码线都有效

交叉饱和导通：即A=1，则T2饱和导通

不足

晶体管多

存储密度低

功耗大

结构

关注译码线的根数！

动态存储器（DRAM）

读操作与SRAM不同

由于读的过程中要进行预充电，所以更需要时间，比SRAM慢

写操作

保存的时间也短（因为C1C2上带的电荷较少）

独特的刷新操作

给出预充时间，和x地址译码线

刷新周期：两次刷新之间的时间间隔

双译码结构的DRAM刷新按行进行，因此需要知道芯片存储矩阵的行数

刷新地址由刷新地址计数器给出

方式

集中刷新

分散刷新

异步刷新

存储扩展的概念

高速缓冲存储器（cache）

主要性能指标

存储容量

存取速度

存储介质

半导体存储器

磁表面存储器

光存储器：指只读光盘或者读写光盘

存储方式

随机存取存储器

顺序存取存储器

半顺序（直接）存取存储器：eg.磁盘存储器

读写功能

只读存储器（ROM）

读写存储器（RAM）

控制器

一些概念

指令：每一个基本操作；指令=操作码+地址码

计算程序：解决某一个问题的一串指令序列

存储程序

指令序列存放在存储器中

程序控制

控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务

区分结构

冯诺依曼结构：指令和数据放在同一个存储器

哈佛结构：指令和数据分别放在两个存储器中

位（bit）是数字计算机的最小信息单位

字长

组成一个字的二进制位数

适配器与输入/输出设备

适配器用来连接输入输出设备与主机

系统总线是构成计算机系统的骨架

存储系统

存储体系的层次化结构

理论基础

顺序结构体现的空间局部性

循环结构体现的时间局部性

不得不提的哈弗结构

将数据存储和指令存储分开的存储器结构，不同于冯诺依曼结构

数据组织

数据存储与边界的关系

按边界对齐的方式存储

不按边界对齐的方式存储

节省了空间，但增加了访问主存的次数；eg.访问x需要三次

大端与小端的存储方式

大端：大数对小址

小端：小数对小址

多体交叉存储器

高位多体交叉存储器

高位作为地址位，多模块串行，没达到目的

低位多体交叉存储器

低位作为地址位，并行，每个地址均需要地址寄存器

Cache

基本原理

读操作

注意：读写操作均是按块进行操作的

写操作

地址映射机制

变换方法

全相联

一维变二维，个字的主存地址<块号，块内地址>；映射算法：主存的数据块可以映射到Cache的任意行，同时将数据块对应的标记存储保存

特点：Cache利用率高，块冲突率低，淘汰算法复杂

直接相联

Cache还分区，一维变三维，主存地址<区号，区内块号，块内地址>

底；高；简单

组相联

Cache分组K行一组，主存分块后也按Cache组数进行分组，一维变三维,主存地址<组号，组内块号，块内地址>

替换算法

先进先出法FIFO

最不经常使用法LFU（least Frequently Used）

近期最少使用法LRU（least recently Used）

随机替换法

相联存储器

计算机软件

系统程序

发展

1 手编程序（目的程序）

2 汇编语言 ---->汇编器

3 算法语言 ---->编译器

源程序：用算法语言编写的

编译器包括编译程序和运行系统

应用程序

计算机系统的层次结构

5 高级语言级

4 汇编语言级

3 操作系统级

2 一般机器级

1 微程序级