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