系统架构师：计算机组成与体系结构

 

1.冯诺伊曼计算机在结构上以 运算器 为中心，发展到现在，已转向以 存储器 为 中心。

2.计算机硬件结构：控制器、运算器、主存储器、辅助存储器、输入设备、输出设备

3.计算机发展经历了 电子管时代、晶体管时代、集成电路时代。

4.指令系统的优化设计向着两个方向发展：复杂指令系统计算机（CISC）和精简指令系统计算机（RISC）

5.总线是一组能够为多个部件分时共享的公共信息传送线路。分时是指同一时间只能允许一个部件向总线发送信息。然而，同一时间，允许多个部件接收相同的信息。包括地址总线、数据总线、控制总线。

6.多级存储体系：Cache、主存、辅助存储三级。

7.局部性原理——

        时间局部性：一条指令执行后，不久可能再次被执行，因为程序中存在大量的循环执行；

        空间局部性：程序访问了某一个存储单元后，它附近的存储单元可能也被执行，因为程序一般都是顺序执行。

8.存储器的存储方式：顺序存取、直接存取、随机存取和相联存取四种。

        顺序存取：对数据的访问必须按照特定的线性顺序。磁带就是顺序存取方式。

        直接存储：使用一个共享的读写装置对所有的数据进行访问，每一个数据块都有唯一的地址标识，读写装置可以直接移动到目的数据块所在位置进行访问。磁盘就是直接存储方式。

        随机存取：存储器的每一个可寻址单元都有自己的唯一的地址和读写装置，系统可以在相同的时间内对任意的存储单元的数据进行访问，而已先前的访问序列无关。主存储器采用随机存取方式。

        相联存取：相联存取也是一种随机存取的形式，但是选择某一单元进行读写是取决于其内容而不是地址。Cache采用相联存取方式。

9.主存分为：随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）

        RAM可读可写，断电后信息无法保存。

        RAM分为：DRAM(动态RAM)和SRAM(静态RAM)

                DRAM：信息会随着时间而逐渐消失，必须定时刷新才能维持信息，密度大，便宜；

                SRAM：只要不断电，信息不会丢失，速度快，电路简单（不需要刷新），容量小，价格高。

        ROM只读不可写，即使断电，信息不会丢失。一般用于存放系统程序BIOS（Basic Input Output System,基本输入输出系统）

10.存储器中每一个单元的位数是相同且固定的，称为存储器编址单位。一般有字编址和字节编址。

       主存一般以字节编址（8位），或者以字为单位（16位，或者32位等）

       例如：主存地址从AC000H到C7FFFH，则共有C7FFFH-AC000H+1=1C000H个地址单元，转换为十进制：1*16^4+12*16^3=114688个地址单元，114688/1024=112KB个地址单元——这里可以把一个地址理解为一位Bit，那么它的地址大小112KB。——一般说的内存的大小（容量）指的就是它的地址空间。

      如果该主存地址按字（16bit）编址，一个地址指向一个16位的单元（1个内存地址代表一个16bit的存储空间），则该主存一共有112KB *16 位。

      假设该主存由28片存储器芯片构成，已知构成此主存的芯片每片有16KB个存储单元，

那么该芯片每个存储单元存储（112KB*16）/（28*16KB）=4位。

上面的理解思路是：地址空间是逻辑的（操作系统设定），编址也是逻辑（操作系统设定）；存储单元的位数是物理固定的（存储芯片的位数和存储芯片的数量）。

        深入理解：内存地址和内存空间——

        例如经常说32位的操作系统最多支持4GB的内存空间，也就是说CPU只能寻址2的32次方（4GB），这里的4GB是以Byte为单位的，不是bit。即内存有4GB个地址单元。另外，32位的操作系统的CPU只能寻址32位（32根地址线），所以用8位十六进制（2^32）。

        无论何种存储器，软盘、硬盘、光盘或者内存，都有地址。因为它们要存储数据，所以就必须按一定的单位的数据分配一个地址。有了地址，程序才能找到这些数据。如下图，第一行是数据，第二行是数据对应的内存的地址。

 

11.“冯诺伊曼瓶颈”：CPU与存储系统间数据传送带宽限制。

12.Cache通常使用相联存储器(CAM)，CAM是一种基于数据内容进行访问的存储设备。

        Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理。

        CPU发出访存请求，存储器地址先被发送到Cache控制器以确定所需数据是否已在Cache中，命中或者不命中。这个过程称作Cache的地址映射，主存和Cache均被分成容量相同的块（页），操作系统需要高效率地完成主存和Cache之间的交换。常见的映射方法有直接映射、全相联映射和组相联映射。

         下面假设内存容量是1GB（内存地址容量），Cache容量为8MB，页面的大小为512KB。

12.1  直接映射

        直接映射方式以随机存取存储器作为Cache存储器，硬件电路比较简单。

        主存先分区，再分页。主存一个区的大小就是Cache的容量大小，所以，1GB/8MB=128个区，区号用7位即可。

        每一个区分为：8MB/512KB=16个页，页号用4位即可。

        主存地址一共30位（1GB=2^30），那么页内地址剩下：30-7-4=19。

        Cache地址一共23位（8MB=2^23），另外：23=4+19。

如下图所示：

 

        直接映射方式：每一个主存页只能复制到某一个固定的Cache页中。即主存中每一个区的第N页，只能进入到Cache的第N页。这种方式导致直接映射的页冲突率非常高。

       Cache为每一页设立一个Cache标记，用于识别当前的Cache页来自于哪个内存页，由于上面的规则，这个标记只需要记录区号即可，所以，标记为  7 位即可。如图所示：

 

12.2  全相联映射

        全相联映射使用相联存储器组成Cache存储器。

       全相联映射中，主存的每一页可以映射到Cache的任一页。

       总共有1GB/512KB=2048个页，所以，页号需要11位（2^11）；主存地址分为地址部分（主存页标记）和数据部分（页内地址）。

如图所示：

        由于每个Cache页可以映射到2048个主存页中的任一页，所以，每页的Cache标记需要11位（2^11），以表明它现在所映射的主存页号。因此，Cache标记信息位数增加，比较逻辑成本随之增加。

        全相联映射方式因为 比较器电路难以设计和实现，只适用于小容量Cache。

 

12.3 组相联映射

        组相联映射（页组映射）介于直接映射和全相联映射之间，是这两者的一种折中方案。

        全相映射：以页为单位，可以自由映射，没有固定关系。

       直接映射：主存分组，主存组内的各页与Cache的页之间采取固定的映射关系，但是各组可以自由映射到Cache中。

       组相联映射：主存与Cache都分组，主存中的一个组内的页数与Cache的分组数相同。

如图所示：

         它的规则是：主存中的组与Cache的组形成直接映射关系，而组内的每一页是全相联映射关系。如主存1区0组，只能进入Cache的0组，但是，可以自由进入0组的0页或者1页。

        可以看出，如果Cache的每一组只有1页，那么它实际就是直接映射；如果Cache的每一组有16页（即只有1组），那么它实际就是全相联映射。

        由于需要记录区号，还需要记录组号，所以，Cache标记位数是7+1=8。

如图所示：

PS:为了保证性能，主存与Cache之间的映射一般采用硬件完成，对于程序员来说，是透明的。

13.流水线

        流水线周期：将需要处理的工作分为N个阶段，最耗时的那一段所消耗的时间。如，使用流水线技术执行100条指令，每条指令取指2ms，分析4ms，执行1ms，那么，流水线周期是4ms。

       流水线执行时间T  =  第一条指令的执行时间 + （N-1）*流水线周期t

14.进程状态模型

        传统进程的三态模型中，总是假设所有进程都在内存中，事实上，由于进程的不断创建，系统的资源已经不能满足进程运行的要求，这个时候必须把某些进程挂起，所谓挂起就是把进程从内存对换到磁盘镜像区中，暂时不参与进程调度。

        所以，三态模型：运行——活跃阻塞——活跃就绪，活跃是指在内存中。

        变成五太模型：运行——活跃阻塞——活跃就绪——静止就绪——静止阻塞，静止是指在磁盘镜像区中。

15.虚拟内存管理

         假如内存地址由 页目录号、页号、页内偏移三部分组成，其中，页目录号占10位，页号占10位，页内偏移占12位

         那么，页目录号占10位，即一个页目录最多2^10=1K页；页内偏移12位，即页的大小是2^12=4K。

16.I/O系统

        处理器完成I/O指令有两种方式：查询方式和中断方式。

        查询方式：处理器直接利用I/O指令编程，实现数据的输入输出。处理器发出I/O指令，命令中包含了外设的地址信息和所要执行的操作，相应的I/O系统执行该命令并设置状态寄存器；处理器不停地查询I/O系统以确定该操作是否完成。该方式简单，硬件开销小。

        中断方式：处理器利用中断方式完成数据的输入和输出，当I/O系统与外设交换数据时，处理器无须等待，也不必去查询I/O的状态；当I/O系统完成输入后，则以中断信号同志处理器。处理器保存正在执行程序的现场，转入I/O中断服务程序完成与I/O系统的数据交换，然后返回原主程序继续执行。该方式无须等待，实时性好。