计算机组成原理

计算机的组成

cpu、内存、硬盘、主板

数据的表示

进制的转换

十进制

符号的位置反映权重：975.36 = 9*100 + 7*10 + 5*1 + 3*0.1 + 6*0.01

十进制推广

R进制中 RnRn-1...R1R0R-1...R-m = Rn*R^n + Rn-1*R^n-1+...+R1*R^1+R0*R^0+R-1*R^-1

二进制-八进制

三位一组，每组转换为对应的二进制/八进制符号

二进制-十六进制

四位一组，每组转换为对应的二进制/十六进制符号

真值与机器数

真值：符合人类习惯的数字

机器数：数字实际存到机器里的形式，正负号需要被“数字化”

定点数和浮点数

定点数：

小数点位置固定，常规计数

无符号数：

整个机器字长的全部二进制均为数值位，没有符号位，相当于数的绝对值，通常只有无符号整数，而没有无符号小数

有符号数

原码

用数值部分表示真值的绝对值，符号位“0/1”对应“正/负”

真值0有+0和-0两种形式

若机器字长位n+1位，原码的整数表示范围为 -（2^n-1）~ 2^n-1

反码

正数的反码 = 原码

负数的反码 = 符号位不变，数值位取反

若机器字长位n+1位，原码的整数表示范围为 -（2^n-1）~ 2^n-1

补码

正数的补码 = 原码

负数的补码 = 反码末位+1（要考虑进位）

补码的0的表现形式只有一种

若机器字长位n+1位，原码的整数表示范围为 -2^n ~ 2^n-1

移码

在补码的基础上，符号位取反，只能用于表示整数

若机器字长位n+1位，原码的整数表示范围为 -2^n ~ 2^n-1

浮点数：

小数点位置不固定，类似科学计数法

格式为 阶符 | 码阶 | 数符| 尾数 ，通常表示成 N = M * R^E，其中M称为尾数，R称为基数，E称为阶码

阶码，决定浮点数所能表示的数值范围

尾数，决定浮点数所能表示的数值精度

校验码

奇偶校验码

循环冗余校验码

海明码

构成方法是在数据位之间插入k个校验码，通过扩大码距来实现检错和纠错

若数据位是n位，校验位是k位，则n和k必须满足以下关系：2^k - 1 ≥ n + k

计算机体系结构

五大部件

控制器

CU：控制单元，分析指令，给出控制信号

IR：指令寄存器，存放当前执行的指令

PC：程序计数器，存放下一条指令地址，有自动+1功能

AR：地址寄存器：保存当前CPU所访问的内存单元地址

ID：指令译码器，对操作码进行分析

运算器

用于实现算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与或非）

ACC：累加器，用于存放操作数或运算结果

MQ：乘商寄存器，用于在乘、除运算时，存放操作数或运算结果

X：通用寄存器，用于存放操作数

ALU：算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算

DR：数据缓存寄存器

PSW：状态条件寄存器，用于保存指令运行标志

存储器

存储元：存储二进制的电子原件，每个存储元可存1bit

存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码

存储字：存储单元中二进制代码的组合

存储字长：存储单元中二进制代码的位数

MAR：地址寄存器

MDR：数据寄存器

输入设备

输出设备

Flynn分类法

SISD 单指令流单数据流

SIMD 单指令流多数据流

MISD 多指令流单数据流

效率低下，实际上不存在

MIMD 多指令流多数据流

指令系统

指令是指计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小供暖单位。一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集

指令格式

操作码（OP）用户要干什么？

地址吗（A）对谁进行操作？

寻址方式

指令寻址

下一条将要执行指令的指令地址，始终由程序计数器（PC）给出

数据寻址

确定本条指令的地址码指明的数据的真实地址

立即寻址

操作数作为指令的一部分直接写在指令中，这种操作数称为立即数

寄存器寻址

指令索要的操作数已存储在某个（控制器的）寄存器中，或者把目标操作数存入（控制器的）寄存器中

寄存器直接寻址

指令所要的操作数存放在存储器中，在指令中直接给出操作数的有效地址

寄存器间接寻址

操作数在存储器中，有效地址由基址寄存器（BX、BP）、变址寄存器（SI、DI）四个寄存器之一来指定

寄存器相对寻址

操作数在存储器中，有效地址是一个基址寄存器（BX、BP）或一个变址寄存器（SI、DI）的内容加上指令中的8位/16位偏移量

基址加变址寻址

操作数在存储器中，有效地址是一个基址寄存器（BX、BP）加 一个变址寄存器（SI、DI）的内容

相对基址加变址寻址

操作数在存储器中，有效地址是一个基址寄存器（BX、BP）加 一个变址寄存器（SI、DI）的内容再加上指令中的8位/16位偏移量

复杂指令系统(CISC)和精简指令系统(RISC)

指令的流水处理

顺序方式

重叠方式

流水方式

指并行性或并发性嵌入计算机系统的一种形式

流水线周期指的是执行实际最长的一段

流水线执行时间计算公式：1条指令执行时间 + (指令条数 - 1) * 流水线周期

吞吐率（TP）

单位时间内流水线所完成的任务数量或者结果数量

TP = 指令条数/流水线执行时间

建立时间

流水线开始工作后，须经过一定时间才能达到最大吞吐率，这段时间就是建立时间

若m个子过程所用时间一样，均为△t，则建立时间T=m*△t

流水线加速比

S = 不使用流水线的执行时间 / 使用流水线的执行时间

存储系统

层次结构

        存储系统一般由CPU（内部寄存器）、缓存（Cache）、主存、辅存组成。

存储器的分类

        按位置分

                内存（主存）：用来存储当前运行所需要的程序和数据，速度快、容量小

                外存（辅存）：用来存储当前不参与运行的数据，速度慢、容量大。辅存实现虚拟存储系统，解决了主存容量不够的问题

        按材料分

                磁存储器：由磁性介质做出、如磁芯、磁泡、磁盘、磁带

                半导体存储器：根据所用原件又可分位双极型和MOS型；根据是否需要刷新又可分为静态和动态

                光存储器：由光学、电学和机械部件组成，如光盘

        按工作方式

                读/写存储器（RAM）：指既能读取数据也能存入数据的存储器

                只读存储器（ROM）：仅能读取数据的存储器。根据数据的写入方式，又可细分为ROM、PROM、EPROM和EEPROM等

                        ROM：固定只读存储器，一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制，其内容只能读出，不能改变

                        PROM：可编程的只读存储器，其中的内容可以由用户一次性写入，写入后不能再修改。

                        EPROM：可擦除可编程的只读存储器，其中的内容既可以读出，也可以由用户写入，写入后还可以修改，紫外线照射擦除信息。

                        EEPROM：电擦除可编程的只读存储器：与EPROM相似，使用电擦除的方法进行数据的改写。

                        Flash Memory：闪速存储器，简称闪存，特性介于EPROM和EEPROM之间，可使用电信号进行信息的擦除。整块闪存可以在数秒内删除，速度远快于EPROM。

高速缓存Cache

主要解决主存与CPU输出不匹配的问题，缓存与主存之间的存储由硬件自主完成。使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理

局部性原理：空间局部性、时间局部性

地址映像方法

直接映像

主存中的块与Cache中块的对应关系是固定的，这种方式的优点是地址变换很简单，缺点是灵活性差。

主存地址： 主存块号 | 区内块号 | 块内地址

全相联映像

允许主存的任意块可以调入Cache的任意块空间，优点是调入位置不受限制，十分灵活。缺点是无法直接从主存块号中直接获得Cache的块号，变换比较复杂，速度比较慢。

主存地址：主存块号 | 块内地址

组相联映像

是直接映像和全相联映像的折中，将Cache先分组在分块。组间采用直接映像，组内的块采用全相联映像。

替换算法

随机替换（RAND）算法：用随机数发生器产生一个要替换的块号，将该块替换出去

先进先出（FIFO）算法：将最先进入的信息块替换出去

近期最少使用（LRU）算法：将近期最少使用的信息块替换

优化替换（OPT）算法：先执行一次程序，统计Cache的替换情况。有了这样的先验信息，在第二次执行时可以用最有效的方式来替换，达到最优目的。

性能分析

若H为Cache的命中率，tc为Cache的存取时间，tm为主存的访问时间，则Cache的等效访问时间ta为：

        ta = H * tc + （1 - H）* tm，即命中缓存的时间+未命中缓存的时间

使用Cache比不使用Cache的CPU访问存储器的速度提高倍数r为：r = tm / tc

硬盘（磁盘）

存取时间 = 寻道时间 + 等待时间（平均定位时间 + 转动延迟）

总线系统

片内总线

是芯片内部的总线，它是CPU芯片内部寄存器与寄存器之间，寄存器与ALU之间的公共连接线。

系统总线

是计算机系统各内部功能部件（CPU、主存、I/O接口）之间互相连接的总线按传输信息内容的不同，又可分为三类：数据总线、地址总线、控制总线

通信总线

输出输出技术

定义：CPU与外设之间的数据传送方式

直接程序控制方式

指在完成数据的输入/输出中，整个过程是在CPU执行程序的控制下完成的。这种方式还可以分为以下两种

无条件传送方式

        无条件地与CPU交换数据。

程序查询方式

        先通过CPU查询外设状态，准备好之后在于CPU交换数据。

中断方式

当外设完成数据传输后，向CPU发送中断信号，通知CPU处理；CPU接收到中断信号后，会保存当前正在执行的程序的现场信息，跳转到对应的中断服务程序进行处理；处理完成后，CPU会回复之前保存的现场信息，继续执行原来的程序。

直接存储器存取方式

直接存储器存取（Direct Memory Access,DMA），不需要CPU的任何干涉，是一种完全由DMA硬件完成的I/O操作方式

可靠性

计算机系统的可靠性指从它开始运行(t=0)到某个时刻t这段时间内能正常运行的概率，用R(t)表示

串联部件的可靠度 = 各部件的可靠度的乘积

并联部件的可靠度 = 1 - 部件失效率的乘积