计算机组成原理

计算机组成原理

概述篇

计算机发展的四个阶段

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• 电子管计算机

  
  
  

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- 集成度小，空间占用大
- 功耗高，运行速度慢
- 操作复杂，更换程序需要接线

• 晶体管计算机

贝尔实验室科学家发现晶体管

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- 集成度相对较高，空间占用相对小
- 功耗相对低，运行速度较快
- 操作相对简单，交互更加方便

• 集成电路(IC)计算机

计算机具备了进入千家万户的条件

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该阶段出现操作系统的雏形，IBM推出的System/360

• 超大规模集成电路计算机

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- 一个芯片集成了上百万的晶体管
- 速度更快，体积更小，价格更低
- 用途丰富：文本处理，表格处理，高交互游戏

微型计算机的发展历史

微型计算机从第三阶段开始

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计算机的分类

• 超级计算机
  • 功能最强，运算速度最快，存储容量最大的计算机
  • 多用于国家高科技领域和尖端技术研究
  • 单位是TFlop/s（每秒一万亿次浮点运算）
• 大型计算机
  • 具有高性能，可处理大量数据与复杂的运算
  • 在大型机市场领域，IBM占据着很大的份额
  • COBOL编程语言(大型机中的编程语言，但不是绝对)
• 迷你计算机
  • 也称小型机，普通服务器
  • 不需要特殊的空调场所
  • 具备不错的算力，可以完成较复杂的运算
• 工作站
  • 高端的通用型微型计算机，提供比个人计算机更强大的性能
  • 类似于普通台式电脑，体积较大，但性能强劲
• 个人计算机/微机/微型计算机
  • 本质上讲，个人计算机与前面的分类无异

冯诺依曼体系

将程序指令和数据一起存储的计算机设计概念结构

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- 必须有一个存储器
- 必须有一个控制器
- 必须有一个运算器
- 必须有输入设备
- 必须有输出设备

现代计算机都是冯诺依曼机

• 特点
  • 能够把需要的程序和数据送至计算机中
  • 能够长期记忆程序，数据，中间结果以及最终运算结果的能力
  • 能偶具备算术，逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力
  • 能够按照要求将处理结果输出给用户

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• 冯诺依曼瓶颈

如图九可知，CPU和存储器是分开的，这样会导致一些问题；例如：冯诺依曼瓶颈，
CPU和存储器速率之间的问题无法调和，cpu经常空转等待数据传输

现代计算机的结构

现代计算机的结构以存储器为核心的结构

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• 现代计算机在冯诺依曼体系结构基础上进行修改
• 主要为了解决CPU与存储设备之间的性能差异问题

存储器广义上说，包含磁带，硬盘等能存储信息的设备，但是此次只针对围绕CPU的更高速的设备(CPU寄存器，内存等)

程序翻译与解释

• 程序翻译

例如：C/C++ OC

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• 程序解释

例如：js php python

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- 计算机执行的指令都是L0
- 翻译过程生成新的L0程序，解释过程不生成新的L0程序
- 解释过程由L0编写的解释器去解释L1程序

• 翻译加解析

例如：java和C#

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计算机的层次与编程语言

• 实际机器
  • 硬件逻辑层
    • 门，触发器等逻辑电路组成
    • 属于电子工程的领域
  • 微程序机器层
    • 编程语言是微指令集
    • 微指令所组成的微程序直接交由硬件执行
  • 传统机器层
    • 编程语言是CPU指令集(机器指令)
    • 编程语言和硬件直接相关
    • 不同架构的CPU使用不同的CPU指令集
    • 一条机器指令对应一个微程序
    • 一个微程序对应一组微指令
• 虚拟机器
  • 系统软件
    • 操作系统层
      • 向上提供了简易的操作界面
      • 向下对接了指令系统，管理硬件资源
      • 操作系统是位于软件和硬件之间的适配系统
    • 汇编语言层
      • 编程语言是汇编语言
      • 汇编语言可以翻译成可直接执行的机器语言
      • 完成翻译的过程的程序就是汇编器
    • 高级语言层
      • 顾名思义，java，python，c等
  • 应用软件
    • 应用层
      • word,qq等

计算机的单位

• 容量单位

  
  
  

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• 速度单位
  • 网络速度
    • 100M/S=100Mbps=100Mbit/s
    • 100Mbit/s=(100/8)MB/s=12.5MB/s
    • 存在字节到比特位的转换关系
  • CPU频率
    • CPU的速度一般体现为CPU的时钟频率
    • CPU的时钟频率的单位一般是赫兹(Hz)

    • Hz其实就是秒分之一(每秒钟的周期性变动重复次数的计量)

      
      
      

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编码补充

• Unicode：统一码，万国码，单一码
• Unicode定义了世界通用的符号集，UTF-*实现了编码
• UTF-8以字节为单位对Unicode进行编码
• Unicode兼容全球

组成篇

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计算机的总线和IO设备

总线

解决不同设备之间的通信问题

• 总线概述
  • 提供了对外连接的接口
  • 不同设备可以通过USB(通用串行总线)接口进行连接
  • 连接的标准，促使外围设别接口的统一
• 常见总线
  • USB
  • PCI总线
  • ISA总线
  • Thunderbolt总线
• 总线分类
  • 片内总线
    • 芯片内部总线
    • 寄存器与寄存器之间
    • 寄存器与控制器、运算器、高速缓存、中断系统之间
    • 高集成度芯片内部的信息传输线
  • 系统总线(CPU、主内存、IO设备、各组件之间的信息传输线)
    • 数据总线(一般与CPU位数相同，32/64位)
      • 双向传输各个部件的数据信息
      • 数据总线的位数(总线宽度)是数据总线的重要参数
      • 32位代表一次可以传输32位4个字节的数据，64同理
    • 地址总线(地址总线位数=n,寻址范围：0-2的n次方)
      • 指定源数据或目的数据在内存中的地址(寻址)
      • 地址总线的位数与存储单元有关
    • 控制总线
      • 控制总线是用来发出各种控制信号的传输线
      • 控制信号经由控制总线从一个组件发给另外一个组件
      • 控制总线可以监视不同组件之间的状态(就绪/未就绪)

总线的仲裁

为了解决总线使用权的冲突问题，例如CPU硬盘都准备好了，但是分别使用哪些总线

• 仲裁方式

  • 链式查询
    • 好处：电路复杂度低，仲裁方式简单
    • 坏处：优先级低的设备难以获得总线使用权(都申请的时候)
    • 坏处：对电路故障敏感
  

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• 计时器定时查询

  • 仲裁控制器对设备编号并使用计数器累计计数
  • 接收到仲裁信号后，往所有设备发出计数值(累加过后的)

  • 计数值与设备编号一致则获得总线使用权

    
    
    

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• 独立请求

  • 每个设备均有总线独立连接仲裁器
  • 设备科单独向仲裁器发送请求和接收请求
  • 当同时受到多个请求信号，仲裁器有权按优先级分配使用权
  • 前面两种都是共用总线连接仲裁器
  • 好处：响应速度快，优先顺序可动态改变

  • 设备连接线，总线控制复杂

    
    
    

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IO设备

• 常见的输入输出设备

  • 字符输入设备
    • 键盘
  • 图形输入设备
    • 鼠标
    • 数位板
    • 扫描仪
  • 图像输出设备
    • 显示器
    • 打印机
    • 投影仪

• 输入输出接口的通用设计

  • 数据线
    • IO设备与主机之间进行数据交换的传送线
    • 单向传输数据线
    • 双向传输数据线
  • 状态线
    • IO设备状态向主机报告的信号线
    • 查询设备是否已经正常连接并就绪
    • 查询设备是否已经被占用
  • 命令线
    • CPU向设备发送命令的信号线
    • 发送读写信号
    • 发送启动停止信号
  • 设备选择线
    • 主机选择IO设备进行操作的信号线
    • 对连接在总线上的设备进行选择(例如多U盘判断)

• CPU与IO设备的通信(CPU速度和IO设备速度不一致)

  • 程序中断

    • 当外围IO设备就绪时，向CPU发出中断信号
    • CPU有专门的电路相应中断信号，完成IO操作之后继续进行之前工作
    • 提供低速设备通知CPU的一种异步的方式

    • CPU可以高速运转同时兼顾低速设备的响应

      
      
      

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  • DMA(直接存储器访问)

    • DMA直接连接主存与IO设备
    • DMA工作时不需要CPU的参与

    • 一般硬盘和显卡中都有DMA设备

      
      
      

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计算机的存储器

在CPU与主存之间增加一层速度快容量小的Cache,解决主存速度不足的问题

存储器的分类

• 按照存储介质分类
  • 半导体存储器
    • 内存
    • U盘
    • 固态硬盘
  • 磁存储器
    • 磁带
    • 磁盘
• 按照存取方式分类
  • 随机存储器(RAM)
    • 随机读取
    • 与位置无关
  • 串行存储器
    • 与位置有关
    • 按顺序查找
  • 只读存储器(ROM)
    • BIOS
    • 只读不写(或者很少更改)

• 存储器的层次结构

  
  
  

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  • 缓存：CPU内部寄存器和高速缓存

  • 主存(RAM)：一般指内存

    • RAM通过电容存储数据，必须每隔一段时间刷新一次
    • 如果掉电，那么一段时间后将丢失所有数据

    • 和系统有关，32位系统中地址总线寻址范围(2的32次方)大约4GB

      
      
      

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  • 辅存：硬盘等

    • 表面是可词话的硬磁特性材料

    • 移动磁头径向运动读取磁道信息

      
      
      

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• 辅存算法
  • 先来先服务算法
    • 会从1磁道到4磁道再到2....
  • 最短寻道时间优先算法
    • 与磁头当前位置有关系
    • 优先访问离磁头最近的磁道
    • 4，5/3因为相邻,此处加入当作5,3,2,1,1
  • 扫描算法(电梯算法)
    • 每次只往一个方向运动
    • 到达一个方向需要服务的尽头再反方向移动
    • 4，5，3，2，1/或者初始反向
  • 循环扫描算法
    • 4,5,1,1,2,3
    • 可知，假如由外向内到5之后，或直接回到1，在重新来，相对更公平，某种程度上说只有单向移动

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• 局部性原理
  局部性原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中，这是层级结构划分的依据。例如：程序经常访问的内存，只需要把这段内存置换至缓存即可。

• 高速缓存
  • 高速缓存的工作原理
    • 字
      • 是指存在放一个存储单元中的二进制代码组合
      • 字的地址包含两个部分
      • 前M位指定字块的地址
      • 后b位指定字在字块中的地址
    • 字块
      • 存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字

    • 字和字块在主存和缓存都适用，只是容量大小的区分

      
      
      

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( 如图只是假设的位数说明，理解即可)

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- 命中率是衡量缓存的重要性能指标
- 理论上CPU每次都能从高速缓存取数据的时候，命中率为1

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- 高速缓存的替换策略(`主存和高速缓存的替换`)
    - 随机算法
    - 先进先出算法(FIFO)
        - 把高速缓存看作是一个先进先出的队列
        - 优先替换最先进入队列的字块

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    - 最不经常使用算法(LFU)
        - 优先淘汰最不经常使用的字块
        - 需要额外的空间记录字块的使用频率

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    - 最近最少使用算法(LRU)
        - 优先淘汰一段时间内没有使用的字块
        - 有多种实现方法，一般使用双向链表
        - 把当前访问节点置于链表前面(保证链表头部节点是最近使用的)

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计算机的指令系统

• 机器指令主要由两部分组成：操作码、地址码
• 操作码指明所要完成的操作
• 操作码的位数反映了机器的操作种类
• 地址码直接给出操作数或者操作数的地址

• 分三地址指令，二地址指令和一地址指令

  
  
  

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机器指令的操作类型

• 寄存器之间，寄存器与存储单元，存储单元之间传送
• 数据读写，交换地址数据，清零置一等操作
• 操作数之间的加减乘除运算
• 操作数的与或非等逻辑运算
• 数据左移，右移
• 完成数据在算术逻辑单元的必要操作
• 等待指令，停机指令，空操作指令，中断指令

机器指令的寻址方式

• 指令寻址

  • 顺序寻址

  • 跳跃寻址

    
    
    

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  例如105指令就是跳跃到102执行，其实就是跳跃寻址

• 数据寻址

  • 立即寻址
    • 速度快
    • 地址码位数限制操作数表示范围
  • 直接寻址
    • 寻找操作数简单
    • 地址码位数限制操作数表示范围
  • 间接寻址
    • 操作数寻址范围大

    • 速度较慢

      
      
      

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计算机CPU

计算机的控制器

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程序计数器

• 程序计数器用来存储下一条指令的地址
• 循环从程序计数器中拿出指令
• 当指令被拿出时，指向下一条指令

时序发生器

• 电气工程领域，用于发送时序脉冲
• CPU依据不同的时序脉冲有节奏的进行工作

指令译码器

• 指令译码器是控制器的主要部件之一
• 计算机指令由操作码和地址码组成
• 翻译操作码对应的操作以及控制传输地址码对应的数据

指令寄存器

• 指令寄存器也是控制器的主要部件之一
• 从主存或高速缓存取计算机指令

主存地址寄存器

• 保存当前CPU正要访问的内存单元的地址

主存数据寄存器

• 保存当前CPU正要读或写的主存数据

通用寄存器

• 用于暂时存放或传送数据或指令
• 可保存ALU的运算中间结果
• 容量比一般专用寄存器要大

计算器的运算器

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数据缓冲器

• 分为输入缓冲和输出缓冲
• 输入缓冲暂时存放外设送过来的数据
• 输出缓冲暂时存放送往外设的数据

ALU

• ALU：算术逻辑单元，是运算器的主要组成
• 常见的位运算
• 算术运算

状态字寄存器

• 存放运算状态(条件码、进位、溢出、结果正负等)
• 存放运算控制信息(调试跟踪标记位，允许中断位等)

通用寄存器

• 用于暂时存放或传送数据或指令
• 可保存ALU的运算中间结果
• 容量比一般专用寄存器要大

指令执行过程

graph LR
取指令-->分析指令
分析指令--> 执行指令

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如上图可知，指令是顺序执行，控制器和计算器不能同时工作，CPU利用率低下，解决方案如下图 CPU的流水线设计

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效率大概可以提升三倍

进制和浮点数

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如上图可知，之所以产生补码是因为0表示有歧义，例如正0负0；还有减法运算复杂；而反码产生的原因是因为补码中计算也有减法；可以直接原码按位取反得到反码，然后+1得到补码，计算机存储的都是补码。

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