1. 计算机组成与体系结构

架构师之计算机组成与体系结构知识要点整理！本思维导图分考点、章节知识点两大部分，先点明考试要点帮助你明确考试考什么，再归纳这章节知识，帮你再知道考试考点的基础上，填充具体的内容。干货多多，快来学习吧！

计算机组成与体系结构

• 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
• 章节知识点
  • 计算机系统组成
    • 计算机硬件组成
      • 控制器
        • 概念：分析和执行指令的部件，依据机器指令， 统一指挥并控制计算机各部件协调工作的中心部件
        • 组成：
          • 程序计数器PC
            • 存储下一条要执行指令的地址
          • 指令寄存器IR
            • 存储即将执行的指令
          • 指令译码器ID
            • 对指令中的操作码字段进行分析解释
          • 时序部件
            • 提供时序控制信号
      • 运算器
        • 概念：在控制器的控制下完成各种算术运算和逻辑运算
        • 组成：
          • 算术逻辑单元ALU
            • 对数据的算术、逻辑运算
          • 累加寄存器AC
            • 通用寄存器，为ALU提供一个工作区，用于暂存数据
          • 数据缓冲寄存器DR
            • 写内存时，暂存指令或数据
          • 状态条件寄存器PSW
            • 存储状态标志与控制标志
      • 主存
        • 概念：用于存储运行中的指令和数据
      • 辅存
        • 概念：用于长期保存各种信息
      • 输入设备
      • 输出设备
    • 计算机系统结构的分类
      • 存储程序的概念 （冯诺依曼型计算机）
        • 现状：1946年由冯诺依曼提出，目前绝大多数计算机仍建立在这个概念的基础上
        • 弱点：存储器访问时一个瓶颈，目前已经出现了如“数据驱动的数据流计算机”、 “需求驱动的归约计算机”、“模式匹配驱动的智能计算机”
        • 要点：
          • 由运算器、存储器、控制器、输出设备、输入设备五大基本组件组成
          • 计算机内部采用二进制来表示数据和指令
          • （基本定义）编译好的程序事先存储在存储器中，然后再启动计算机进行工作
      • Flynn分类
        • 概念：
          • Flynn针对计算机系统的指令流、数据流的多倍性特征的分类法
          • 指令流：机器执行的指令序列
          • 数据流：指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果，但不包括输出数据
        • 定义：
          • 单指令流/单数据流
            • 指令部件每次只对一条指令进行译码，并只对一个操作部件进行分配数据
          • 单指令流/多数据流
            • （并行处理机）包括多个重复的处理单元，由单一指令部件控制，按照统一指令流的要求为他们分配各自所需的不同数据
          • 多指令流/单数据流
            • 具有N个处理单元，按N条不同指令的要求对同一数据流进行不同的处理
            • 一个处理单元的输出又作为另一个处理单元的输入
          • 多指令流/多数据流
            • 实现作业、任务、指令等各级全面并行的多机系统（多核处理器、多处理机）
    • CISC/RISC
      • CISC：增强指令的功能， 把一些由软件实现的常用 功能由硬件的指令系统实现
        • 特点
          • 指令数量多
          • 指令使用频率差异大
          • 支持多种寻址方式
          • 变长的指令
          • 有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
      • RISC：尽量精简指令， 只保留那些功能简单、能在 一个节拍内完成的指令， 而较复杂的功能则由一段 子程序来实现
        • 特点
          • 指令数量少
          • 指令长度固定
          • 指令寻址方式少
            • 寄存器寻址
            • 立即数寻址
            • 相对寻址
          • 以硬布线逻辑（组合逻辑）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
          • 大部分RISC采用了cache方案，来提高取指速度
    • 总线
      • 概念：一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路
        • 允许多个部件同时从总线上收数据，但只能一个同时发
      • 总线位置
        • 内部总线：CPU内部，寄存器之间和算术逻辑部件与控制部件之间传输数据所用的总线
        • 外部总线：CPU与内存RAM/ROM、输入输出设备接口之间进行通信的通路
      • 功能
        • 地址总线
        • 数据总线
        • 控制总线
  • 存储器系统
    • 多级存储
      • 主存储器
        • 技术
          • RAM
            • 可读可写，断电后信息无法保存
            • DRAM
              • 信息会随时间逐渐消失，需要定时对其进行刷新维持信息不丢失
              • 优点：密度大，价格低
            • SRAM
              • 不断电的情况下能够一直维持
              • 优点：速度快，电路简单
              • 缺点：容量小，价格高
          • ROM
            • 存储器的内容只能随机读出而不能写入
        • 编址方法
          • 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
      • 辅助存储器
        • 概念
          • 用于存放当前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主机成批交换数据
          • 是主机的外部设备，又称外存储器
          • 特点：容量大，价格低，可靠性高
        • 常见辅存
          • 磁带
          • 硬盘
            • 概念
              • 记录面
              • 圆柱面
                • 概念：在磁盘的记录面组中，各记录面上相同编号（位置）的个磁道构成一个柱面
                • 作用：当存储一个较大文件时，一条磁道不够，需要放在多条磁道上，可以放在一个柱面中，以提高磁盘的存储速度。
              • 磁道
              • 扇区
            • 磁盘读写
              • 先定位到目标磁道（寻道），通过移臂完成
              • 在定位到目标扇区，通过盘面旋转完成
            • 磁盘访问时间=寻道时间+旋转延迟时间
          • 磁盘阵列
          • 光盘
      • Cache
        • 概念
          • 利用了局部性原理，用于提高CPU数据输入输出的速率，减少了寄存器与内存之间的数据交换，同时又减少了高速寄存器，减少了计算机系统的成本
          • 冯诺依曼瓶颈：CPU与存储统建数据传送带宽限制
          • 系统的平均周期：T3 = T1 * h + T2 * (1- h)
        • 访问：当CPU发出访问请求之后，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
          • 命中：直接对cache进行访问
          • 未命中：从内存中读取数据，同时发往CPU和cache
        • 映射机制
          • 概念：主存和cache将均分成容量相同的块（页），再按照映射方式进行映射
          • 映射方式
            • 直接映射
              • 使用随机存取存储器作为cache
              • 映射方式：
                • 对于内存，按照cache的结构，先分区，再分页
                • 主存地址为：区号+页号+页内地址
                • 每个主存中的页，只能映射到某一个固定的cache页中，因此冲突率非常高
                • 在cache中，为每一页设立一个cache标记，用于标识当前cache页来自哪个内存区和内存页（直接映射的情况下只需要记录区号）。当CPU访问时，直接根据主存地址和标记，既可以找到cache页
              • 优点：容易实现
              • 缺点：不够灵活，cache空间利用不够充分
            • 全相连映射
              • 使用相联存储器作为cache存储器
              • 映射方式：
                • 不分区，只分页
                • 主存的每一页都可以映射到cache中的任意一页
                • 主存地址为：页号+页内地址
                • cache标记为主存页号，然后将cache标记与主存页标记进行逐个比较
              • 缺点：访问速度慢，难以设计与实现
            • 组相连映射
              • 映射方式：
                • 主存与cache都分组
                • 主存中一个分组的页数与cache中的分组数相等
                • 主存中的组与cache中的组形成直接映像，组内的页都是全相联映像
                • cache标记为区号+页号
              • 优点：cache组中的页数可以进行调整，十分灵活
          • 主存和cache的映射是硬件完成的。随意对于程序员是透明的
        • 替换算法
          • 当cache产生未命中，但是cache的数据又满了之后，就需要替换掉cache中的旧数据
          • 算法
            • 随机算法
            • 先进先出
              • 实现：为每一页做顺序记录
              • 优点：容易实现，系统开销小
              • 缺点：可能会把一些需要经常使用的程序块替换掉
            • 近期最少使用
              • 实现：对每一个页设置计数器
              • 优点：算法合理，可以提高命中率
              • 缺点：实现复杂，系统开销大
        • 写操作
          • 需要保持cache中与内存中的数据一致
          • 常见方法：
            • 写直达
              • 写cache时同时写回内存
              • 替换cache块时不需要写回主存
            • 写回
              • CPU修改cache中某一块之后，相关数据并不立即写入内存单元
              • 当该块要从cache中被淘汰时，才把数据写回内存
              • 一般这种策略下，cache的块表中有一个标志位，用以标记是否存在修改
              • 优点：速度快；缺点：因主存中数据未及时修改而出错
            • 标记法 （有修改直接写内存，并标记，下次重新读）
              • 对cache中的每一个数据设置一个有效标记位
              • 读取完数据后，该标记位置为1
              • 当CPU修改数据时，直接写内存，并修改标记位0
              • 从cache中读取时，先测试有效位，如果是0，则从内存中读取
    • 存储器中的数据存取方式
      • 顺序存取（磁带）
        • 数据以记录的形式进行组织，访问的时候必须按照特定的线性顺序进行
      • 直接存取（磁盘）
        • 每个数据库都拥有唯一的地址，读写装置可以直接移动到目的数据块所在位置进行访问
      • 随机存取（主存）
        • 存储器中每一个可寻址单元都具有自己唯一的地址和读写装置，系统可以同时对任意一个存储单元进行访问，跟访问顺序无关
      • 相连存取（cache）
        • 一种随机存取形式，但是选择一个单元进行读写是取决于其内容而不是其地址
        • 每个单元都具有自己的读写装置，读写时间是一个常数。
        • 可以对所有存储单元的特定位进行比较，选择符合条件的单元进行访问
  • 流水线
    • 流水线周期
      • 流水线过程中，假设工作分为N个阶段，那么最耗时的那一段所消耗的时间，称为流水线周期
    • 计算流水线执行时间
      • 第一条指令执行的时间 + (n-1)*流水线周期
    • 流水线的吞吐率
      • 单位时间内流水线完成的任务数量
      • TP = n / Tk (吞吐率 = 任务数/完成n个任务所需时间)
      • 最大吞吐率
    • 流水线的加速比
      • 不使用流水线与使用流水线的时间之比
      • S = T0 / Tk
      • 最大加速比