导图社区 系统架构设计师-1.计算机组成与体系结构
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计算机组成原理
IMX6UL(A7)
考试学情分析系统
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
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：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
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
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
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
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
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
