计算机组成与体系结构

简要的概述来了计算机系统结构，并将体系内的部分内容进行摘录，希望对大家有所帮助。全面覆盖了计算机硬件组成、存储器层次结构、输入输出系统以及并行处理技术等关键领域。

计算机组成与体系结构

• 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
  • 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