系统分析师1：计算机系统基础

1 计算机系统概述

计算机系统由硬件和软件两部分组成，而软件又进一步由系统软件和应用软件组成。
1.1 计算机系统的多层次结构

1.2 冯诺依曼体系结构

冯·诺依曼体系结构包括：

• 中央处理单元（CPU）：负责执行指令和处理数据。CPU内部通常包含算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和一组寄存器。
• 存储器：用于存储数据和程序指令。存储器通常分为两种类型：主存储器（如RAM）和辅助存储器（如硬盘）
• 输入设备：用于向计算机输入数据和指令，常见的输入设备包括键盘、鼠标和扫描仪等
• 输出设备：用于从计算机输出处理结果，常见的输出设备包括显示器、打印机和扬声器等
• 总线系统：用于在各个组件之间传输数据、地址和控制信号。

特点：

• 存储程序：冯·诺依曼体系结构的核心特点是“存储程序”概念，即计算机程序和数据都以二进制形式存储在同一存储器中。这意味着程序可以像数据一样被读取、修改和执行。
• 顺序执行：CPU按照存储器中指令的顺序依次执行程序，除非遇到跳转或分支指令，这使得程序的执行具有一定的线性逻辑。
• 层次化存储：冯·诺依曼体系结构中的存储器通常分为多个层次，包括高速缓存（Cache）、主存储器（RAM）和辅助存储器（如硬盘），以满足不同速度和容量的需求。

2 存储系统

2.1 层次化存储体系

1. 层次的速度、容量、成本的对比
   离CPU越远，速度越慢，成本越低，容量越大
2. 特殊的存储器

• 相联存储器：按内容存取；用在Cache上
• DRAM
  • RAM，随机存取器：掉电数据会丢失
  • ROM，只读存储器：掉电数据不丢失
  • DRAM，动态RAM：会周期性刷新
  • 用在内存上

3. Cache
   解决CPU和主存之间速度容量不匹配的问题
4. 局部性原理的支撑

• 时间局部性：指程序中的某条指令一旦执行，不久以后该指令可能再次执行，典型原因是由于程序中存在着大量的循环操作
• 空间局部性：指一旦程序访问了某个存储单元，不久以后，其附近的存储单元也将被访问,即程序在一段时间内所访问的地址可能集中在一定的范围内，其典型情况是程序顺序执行
• 工作集理论：工作集是进程运行时被频繁访问的页面集合。

2.2 Cache

2.2.1 基本概念

Cache的功能：提高CPU数据输入输出的速率，突破冯·诺依曼瓶颈，即CPU与存储系统间数据传送带宽限制

在计算机的存储系统体系中，Cache是除寄存器以外，访问速度最快的层次

Cache对程序员来说是透明的

使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理

• 时间局部性
• 空间局部性

Cache的内容是对主存内容的复制

系统的平均周期：

假设：命中率90%，Cache存取时间1ms，内存存取时间100ms，则系统的平均周期为：
t3 = h * t1 + (1 - h ) * t2 = 90% * 1 + (1- 90%) *100 = 0.9+10 = 10.9ms

2.2.2 映像方式

地址映像是将主存与Cache的存储空间划分为若干大小相同的页(或称为块）。
例如，某机的主存容量为1GB，划分为2048页，每页512KB；Cache容量为8MB，划分为16页，每页512KB。

2.2.2.1 直接相联映像

在这种映射方式中，主存储器（RAM）中的每个数据块都被唯一地映射到缓存中的一个特定位置。直接相联映像的特点如下：

1. 固定映射：每个主存储器块都有一个固定的缓存位置。这种映射是通过使用主存储器地址的一部分来确定缓存行（Cache Line）的位置来实现的。例如，如果缓存有N行，主存储器地址的低M位（2^M = N）可以用来选择缓存行。
2. 简单快速：直接相联映像的实现相对简单，硬件开销小，查找速度快。因为每个主存储器块只有一个可能的缓存位置，所以不需要复杂的查找机制。
3. 冲突缺失：由于每个缓存位置只能存储一个主存储器块，当多个主存储器块映射到同一个缓存位置时，就会发生冲突缺失（Conflict Miss）。这意味着即使缓存未满，也可能因为位置冲突而导致数据无法被缓存。
4. 有限的灵活性：直接相联映像的灵活性有限，因为它不允许数据块存储在缓存的任意位置。这可能导致缓存利用率不高，尤其是在程序访问模式不规则的情况下。
5. 标签比较：在直接相联映像中，当需要检查缓存是否包含某个数据时，CPU需要比较地址的高位部分（标签）和缓存中的标签，以确定是否命中。

2.2.2.2 全相联映像

全相联映像（Fully Associative Cache）是一种缓存映射技术，它允许主存储器中的任何数据块存储在缓存中的任何位置。这种映射方式提供了最大的灵活性，但也带来了一些特点和挑战：

1. 灵活存储：在全相联映像中，主存储器中的数据块可以放置在缓存的任何位置，没有固定的映射关系。这提供了最大的灵活性，可以减少冲突缺失（Conflict Miss）的可能性。

2. 复杂的查找机制：由于任何数据块都可以存储在任何缓存位置，因此需要一个复杂的查找机制来确定缓存中是否有所需的数据。这通常涉及并行比较所有缓存行的标签，以检查是否命中。

3. 高硬件成本：全相联映像需要更多的硬件资源来实现并行查找和标签比较。这包括更多的比较器和更复杂的控制逻辑，因此成本较高。

4. 高命中率：由于数据块可以存储在缓存的任何位置，全相联映像通常能提供较高的缓存命中率，尤其是在访问模式不规则或数据局部性较低的情况下。

5. 替换策略：当缓存满时，需要一个替换策略来决定哪个缓存行将被替换。常见的替换策略包括最近最少使用（LRU）、先进先出（FIFO）和随机替换等。

6. 适用于小缓存：由于硬件成本和复杂性，全相联映像通常用于较小的缓存，如一级缓存（L1 Cache）或缓存中的某些特殊区域。

全相联映像提供了最佳的缓存利用率和最低的冲突缺失率，但它的实现成本和复杂性限制了它在大型缓存中的应用。

2.2.2.3 组相联映像

组相联映像（Set Associative Cache）是一种介于直接相联映像和全相联映像之间的缓存映射技术。在这种映射方式中，缓存被划分为多个组（sets），每个组包含多个缓存行（cache lines）。主存储器中的数据块可以映射到特定组中的任何一个缓存行，但只能映射到该组，不能跨组映射。组相联映像的特点如下：

1. 分组映射：缓存被划分为多个组，每个组包含一定数量的缓存行。主存储器地址的一部分用于选择组，另一部分用于在组内选择具体的缓存行。</