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计算机高级系统架构设计知识点框架总结

2022-10-19 16:50:43   0  举报

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AI智能生成

计算机高级系统架构设计知识点框架总结

计算机

高级系统架构

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大纲/内容

知识点

计算机系统

硬件

控制器

程序计数器PC

指令寄存器 IR

指令译码器 ID

时序部件&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp;

运算器

算术逻辑单元 ALU

累加寄存器 AC

数据缓冲寄存器 DR

状态条件寄存器 PSW

输入设备

输出设备

存储器

主存储器

辅助存储器

计算机系统结构的分类

存储程序的概念

提出人：冯•诺依曼等人于 1946 年 6 月

概述

硬件应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本&lt;br&gt;部件组成

内部采用二进制来表示指令和数据

将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作&lt;br&gt;（&lt;font color=&quot;#c41230&quot;&gt;这是存储程序的基本含义&lt;/font&gt;）&lt;br&gt;

弱点

存储器访问会成为瓶颈，目前已出现了一些突破存储程序控制的计算机，统称为非冯•诺依曼型计算&lt;br&gt;机，例如，数据驱动的数据流计算机、需求驱动的归约计算机和模式匹配驱动的智能计算机

Flynn 分类

提出人

1966 年，Michael．J．Flynn

概要

根据指令流、数据流的多倍性特征对计算机系统进行&lt;br&gt;分类（通常称为 Flynn 分类法），

指令流

数据流

不同的指令流-数据流组织方式分类

单指令流单数据流（Single Instruction stream and Single Data stream，SISD）

单指令流多数据流（Single Instruction stream and Multiple Data stream，SIMD）

多指令流单数据流（Multiple Instruction stream and Single Data stream，MISD）

多指令流多数据流（Multiple Instruction stream and Multiple Data stream，MIMD）

CISC/RISC

复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）

特点

指令数量众多

指令使用频率相差悬殊

支持很多种寻址方式

变长的指令

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

概要

增强指令的功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬&lt;br&gt;件的指令系统来实现

精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）

概要

尽量简化指令功能，只保留那些功能简单，能在一个节拍内执&lt;br&gt;行完成指令，较复杂的功能用一段子程序来实现

特点

指令数量少

指令的寻址方式少

指令长度固定，指令格式种类少

以硬布线逻辑控制为主

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，一般在 32 个以上，有的可达上千个

总线

概要

总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路

分时

共享

接收

在同一时刻，允许多个部件同时从总线上&lt;font color=&quot;#c41230&quot;&gt;接收&lt;/font&gt;相同的信

存储器系统

概要

存储器是用来存放程序和数据的部件，它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储&lt;br&gt;程序控制”的基础。在计算机系统中，规模较大的存储器往往分成若干级，称为存储器系统。&lt;br&gt;&lt;br&gt;采用多级存储器体系，确保能够获得尽可能高的存取速率，同时保持较低的成本&lt;br&gt;

低投入换来较高的存取速率，得益于局部性原理

局部性原理是指程序在执行时呈现出局部性规律，即在一较短的时间内，程序的执行仅局限于某个&lt;br&gt;部分。

主存储器

概述

主存可由 CPU 直接访问，存取速度快，但容量较小，一般用来存放当前正在执行的程序和数据

随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）

概述

既可以写入也可以读出，但断电后信&lt;br&gt;息无法保存，只能用于暂存数据

分类

DRAM 动态RAM

DRAM 的信息会随时间逐渐消失，因此需要定时&lt;br&gt;对其进行刷新维持信息不丢失

SRAM 静态RAM

SRAM 在不断电的情况下信息能够一直保持而不会丢失

比较

DRAM 的密度大于 SRAM 且更加便宜，&lt;br&gt;SRAM 速度快，电路简单（不需要刷新电路），然而容量小，价格高&lt;br&gt;

只读存储器器（Read Only Memory，ROM）

特点

存储器的内容只能随机读出而不能写入

用处

这类存储器常用来存放那些不需要改变的信息。由&lt;br&gt;于信息一旦写入存储器就固定不变了，即使断电，写入的内容也不会丢失，所以又称为固定&lt;br&gt;存储器。一般用于存放系统程序 BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统

内存编址方法

计算机系统中，存储器中每个单元的位数是相同且固定的，称为存储&lt;br&gt;器编址单位。不同的计算机，存储器编址的方式不同，主要有字编址和字节编址

辅助存储器

概述

辅存设置在主机外部，它的存储容量大，价格较低，但存取速度较慢，一般用来存放暂时不参与运行&lt;br&gt;的程序和数据，CPU 不可以直接访问辅存，辅存中的程序和数据在需要时才传送到主存，因此它是主存的补充和后援

磁带存储器

一种顺序存取的设备，其特点包括：存取时间较长，但存储&lt;br&gt;容量大，便于携带，价格便宜

硬盘存储器

记录面

圆柱面

磁道

扇区

磁盘访问时间

磁盘访问时间（存取时间） = 寻道时间+旋转延迟时间

Cache

概述

当 CPU 速度很高时，为了使访问存储器的速度能与 CPU 的速度相匹配，又在主存和 CPU 间增设了一级 Cache。Cache 的存取速度比主存更快，但容量更小，用来存放当前最急需处理的程序和数据，以便快速地向 CPU 提供指令和数据

功能

提高 CPU 数据输入输出的速率，突破所谓的“冯•诺依曼瓶颈”，即 CPU 与存储系统间数据传送带宽限制。

Cache 通常采用相联存储器

Cache 基本原理

使用 Cache 改善系统性能的依据是程序的局部性原理

“Cache+主存储器”的系统的平均周期

t3 =t1′h+t2′(1-h)

映射机制

概要

当 CPU 发出访存请求后，存储器地址先被送到 Cache 控制器以确定所需数据是否已&lt;br&gt;在 Cache 中，若命中则直接对 Cache 进行访问，这个过程称为 Cache 的地址映射（映像）。

直接映射

直接映像方式以随机存取存储器作为 Cache 存储器，硬件电路较简单。在进行映像时，&lt;br&gt;主存地址被分成三个部分，从高到低依次为：区号、页号以及页内地址

优点

比较容易实现

缺点

不够灵活，有可能使 Cache 的存储空间得不到充分利用。

全相联映射

全相联映像使用相联存储器组成的 Cache 存储器。在全相联映像方式中，主存的每一页可以映像到 Cache 的任一页。如果淘汰 Cache 中某一页的内容，则可调入任一主存页的内容，因而较直接映像方式灵活

主存地址

分别为地址部分（主存页标记）和数据部分（页内地址）。数据部分用于存放数据，而地址部分则存放该数据的存储器地址

缺点

速度很慢，失掉了高速缓存的作用

较器电路难于设计和实现，只适用于小容量 Cache

组相联映射

组相联映像（页组映像）介于直接映像和全相联映像之间，是这两种映像的一种折衷方案

全相联映像方式以页为单位，可自由映像，没有固定的对应关系。&lt;br&gt;直接映像方式中，主存分组，主存组内的各页与 Cache 的页之间采取的是固定的映像关系，但各组均可映像到Cache 中。&lt;br&gt;在组相联映像方式中，主存与 Cache 都分组，主存中一个组内的页数与 Cache 的分组数相同&lt;br&gt;

存储器中数据存取方式

顺序存取（磁带）

直接存取（磁盘）

随机存取（主存）

相联存取（Cache）

流水线

流水线周期

流水线应用过程中，会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&lt;br&gt;间为流水线周期

流水线执行时间

流水线执行时间=第 1 条指令的执行时间+（n-1）*流水线周期

理论情况

实践情况