计算机组成原理 基础资料

前言

这是当初整理的一部分笔记，还是放我的博客上吧，有空可以继续维护下去。

简述分组交换的要点

• 报文分组，加上首部
• 经路由器存储转发
• 在目的地合并

计算机网络中的主干网和本地接入网

• 主干网：提供远程覆盖、高速传输和路由最优化通信。
• 本地接入网：主要支持用户的访问本地，实现散户接入，速率低。

因特网的两大组成部分（边缘部分与核心部分）

• 边缘部分：由各个主机构成，用户直接进行信息处理和信息共享；低速连入核心网。
• 核心部分：由各个路由器连网，负责为边缘部分提供高速远程分组交换。

客户服务器方式与对等通信方式

• 前者严格区分服务和被服务者。
• 后者没有这些区别。
• 后者实际上是前者的双向应用。

协议与服务

• 网络协议
  • 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或者约定。
    • 语法，即数据与控制信息的结构或者格式。
    • 语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
    • 同步，即事件实现顺序的详细说明。
  • 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。在协议的控制下，两个对等的实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务，而要实现本层协议，还需要使用下面一层提供的服务。
• 协议和服务的概念的区分：
  • 1、协议的实现是保证了能够向上一层提供服务。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户来说是透明的。
  • 2、协议是“水平的”，即协议是控制两个对等实体进行通信的规则。但是服务是“垂直的”，即服务是由下层通过层间接口向上层提供的。上层使用的所提供的服务必须与下层交换命令，这些命令在OSI中称为服务原语。

网络协议的三要素

• 网络协议
  • 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或者约定。
    • 语法，即数据与控制信息的结构或者格式。
    • 语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
    • 同步，即事件实现顺序的详细说明。

HDLC

• 高级数据链路控制(High-Level Data Link Control，HDLC)，是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织(ISO)根据IBM公司的SDLC(Synchronous Data Link Control)协议扩展开发而成的。

名词解释

• 实体
  • 表示任何可发送或者接受信息的硬件或者是软件进程。
• 协议
  • 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
• 客户和服务器
  • 客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
  • 客户服务器方式所描述的是进程之间服务与被服务之间的关系。
• 协议栈
  • 是指计算机网络体系中结构采用分层模型之后，每层主要功能由对等协议来实现，因而每层可用一些主要协议来表征，几个层次画在一起很像一个栈的结构。
• 对等层
  • 在网络体系结构中，通信双方实现同样功能的层。
• 协议数据单元
  • 对等层实体进行信息交换的数据单位。
• 服务访问点
  • 在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即信息交换）的地方。
  • 服务访问点SAP是一个抽象的概念，它实体上是一个逻辑接口。

英文名称解释

• MAC：媒体控制接入
• MIME：通用互联网邮件扩充
• BGP：边界网关协议
• ICMP：因特网控制报文协议
• FTP：文件传输协议
• IGMP：网际组管理协议

信道

• 单向通信
  • 单工通信
• 双向交替通信
  • 半双工通信
• 双向同时通信
  • 全双工通信

常用编码方式

• 不归零制
• 归零制
• 曼彻斯特编码
  • 这是计算机网络采用的编码
• 差分曼彻斯特编码

信道的极限容量

• 奈氏准则：
  • 码元传输的速率是受限的。
  • 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使得接收端对于码元的判决（即识别）成为不可能。
  • C = Blog2(N) (bps)
    • B是码元传输速率。
    • N是传输等级。
• 香农公式：
  • 信息传输速率是受限的。
  • 信道的带宽或者信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
  • C=W log2(1+S/N) (bit/s)
    • C 为信道的极限信息传输速率
    • W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）
    • S 为信道内所传信号的平均功率
    • N 为信道内部的高斯噪声功率
    • S/N 称为信噪比
• 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制(又称为多进制)的调制方法。

CDM码分复用

• 计算:有4个站进行码分复用CDMA 通信。4个站的码片序列为：
• A：（－1 －1 －1 ＋1 ＋1 －1 ＋1 ＋1） B：（－1 －1 ＋1 －1 ＋1 ＋1 ＋1 －1）
• C：（－1 ＋1 －1 ＋1 ＋1 ＋1 －1 －1） D：（－1 ＋1 －1 －1 －1 －1 ＋1 －1）
• 现收到这样的码片序列S：（－1 ＋1 －3 ＋1 －1 －3 ＋1 ＋1）。
• 问哪个站发送数据了？发送的代码是什么？

说明：

• CDMA接收时，接收站从空中收到多站发送信号后的线性叠加码片序列的和。将其与某一发送站码片序列进行归一化内积运算，则可恢复出该站发送的数据。

• 假定X站要接收S站发送的数据，需将收到的信号（各站发送的码片序列之和）与码片向量S求内积结果是：

  • （1）其他站的信号都被过滤掉，只剩下S站发送的信号；
  • （2）当S站发送比特1，内积=+1；
  • （3）当S站发送比特0，内积=-1。

• 答：只须计算4 个常规的内积：

  • A : （－1 ＋1 －3 ＋1 －1 －3 ＋1 ＋1） ∙ （－1 －1 －1 ＋1 ＋1 －1 ＋1 ＋1）/ 8 = 1
    • 1表示发送了比特1
  • B :（－1 ＋1 －3 ＋1 －1 －3 ＋1 ＋1） ∙ （－1 －1 ＋1 －1 ＋1 ＋1 ＋1 －1）/ 8 =－1
    • -1表示发送了比特0
  • C :（－1 ＋1 －3 ＋1 －1 －3 ＋1 ＋1） ∙ （－1 ＋1 －1 ＋1 ＋1 ＋1 －1 －1）/ 8 = 0
    • 0表示没有发送数据。
  • D :（－1 ＋1 －3 ＋1 －1 －3 ＋1 ＋1） ∙ （－1 ＋1 －1 －1 －1 －1 ＋1 －1）/ 8 = 1
    • 1表示发送了比特1
  • 结果是A和D发送比特1，B 发送比特0，而C 未发送数据。
  • S·A=（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8 = 1， A发送1
  • 必须 S·C=（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8 = 0， C无发送

计算机网络体系结构

五层协议的网络体系结构

说明：

• 我们把计算机网络的各层及其协议的集合称为体系结构。体系结构是抽象的，它不包括各层协议及功能的具体实现细节。
• 该体系结构采用的是TCP/IP体系结构，该体系结构只是对应用层、传输层和网络层做了明确的定义，对数据链路层和物理层是相对透明的，其目的是为了更加灵活的实现网路的互联。
• 该体系结构在网络层最有代表性的协议是IP协议，该协议定义了Internet的地址和寻址方式，即在网络层采用路由进行传输路径的选择。

网络体系结构的内容：

• 物理层
  • 透明地传输比特流。
  • 确定2连接电缆插头的定义以及连接法。
• 数据链路层
  • 数据链路层的主要任务就是在两个相邻结点间的线路上无差错的传送帧（frame）为单位的数据，每一帧包括数据和必要的控制信息。
• 网络层
  • 网络层的主要任务就是要选择合适的路由，使得发送站的运输层所传送下来的分组能够正确无误地按照地址找到目的站，并交付给目的站的运输层。
• 运输层
  • 运输层的主要任务是向上一层的进行通信的两个进程之间提供一个可靠的端对端的服务，使得他们看不见运输层以下的数据通信的细节。
• 应用层
  • 应用层的主要任务是直接给用户的应用进程提供服务。

##ISO/OSI参考模型层次结构及各层次完成的功能

• OSI七层：
  • 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层
• 物理层：完成0/1的物质介质的传输。
• 数据链路层：将不可靠的物理链路变成可靠的数据链路。
• 网络层：提供路由选择，拥堵控制以及网路互联的功能，为端到端提供面向连接或者无连接的数据传输服务。
• 传输层：提供面向进程、面向连接或者无连接的数据传输服务。
  • 是两台计算机经过网络进行数据通信的时候，第一个端到端的层次，具有缓冲作用。
• 会话层：为进程之间的会话提供建立、维护、终止连接的功能。
• 表示层：协商应用程序间交互的数据格式。
• 应用层：为网路应用提供协议支持和服务。

TCP/IP

• 在TCP/IP网络中，为各种公共服务保留的端口号的范围是1~1023。
• IP地址能唯一确定Internet上每台计算机与每个用户的网络位置。
• TCP/IP的网络层向上只提供简单灵活、无连接、尽最大努力交付的数据报服务。

物理层

规程

• 规程专门指物理层协议

名词解释

• 数据：是运送信息的实体。
• 信号：是数据的电气或者是电磁的表现。
• 模拟数据：运送信息的模拟信号。
• 模拟信号：连续变化的信号。
• 数字信号：取值为优先的几个离散值的信号。
• 数字数据：取值为不连续数值的数据。
• 码元（Code）：在使用时间域（或者简称为时域）的波形表示数字信号的时候，代表不同离散数值的基本波形。
• 单工通信：即只有一个方向的通信而没有反方向的的交互。
• 半双工通信：即通信和双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间之后再反过来。
• 全双工通信：即通信的双方可以同时发送和接受信息。
• 基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或者图像文件的数据信号都属于基带信号。
• 带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

物理层的接口的特性

• 机械特性
  • 明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
• 电气特性
  • 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
• 功能特性
  • 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何意。
• 规程特性
  • 说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

信道复用技术

• 信道复用技术是为了共享信道、最大限度的提高信道利用率。
• 常见的信道复用技术有：
  • 频分复用
  • 时分复用
  • 码分复用
  • 波分复用

常见英文解释

• FDM(frequency division multiplexing) 频分复用
  • 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
    • 这里的带宽是指频率带宽而不是数据的发送速率。
• TDM(Time Division Multiplexing) 时分复用
  • 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
• STDM(Statistic Time Division Multiplexing) 统计时分复用
• WDM(Wavelength Division Multiplexing) 波分复用
• DWDM(Dense Wave Division Multiplexing) 密集波分复用
• CDMA(Code Wave Division Multiplexing) 码分多址
• SONET(Synchronous Optical Network)
  • 同步光纤网
• SDH(Synchronous Digital Hierarchy) 同步数字系列
• STM-1(Synchronous Transfer Module) 第1级同步传递模块
• OC-48(Optical Carrier) 第48级光载波

试比较xDSL、HFC以及FTTx接入技术的优缺点

• xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。成本低，易实现，但带宽和质量差异性大。
• HFC网的最大的优点具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。要将现有的450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为750 MHz双向传输的HFC 网需要相当的资金和时间。FTTx（光纤到⋯⋯）这里字母x可代表不同意思。可提供最好的带宽和质量、但现阶段线路和工程成本太大。

100BASE-T

• 10BASE-T中BASE表示电缆上的信号是基带信号，采用曼彻斯特编码。

双绞线

• 屏蔽双绞线是STP
• 非屏蔽双绞线是UTP
• UTP-5的最大传输距离是100m，最多可安装4个放大器

数据链路层

• 对于传统的以太网，采用的是总线型的网络拓扑结构，采用CSMA/CD通信协议书，最短的帧长是64字节。当侦听到冲突的时候，就会发送人为的干扰信号（阻塞码），告诉网内各站，无条件停止发送数据。
• 数据链路层采用了后退N帧（GBN）协议，发送方已经发送了编号为0~7的帧。当计时器超时时，若发送方只收到0、2、3号帧的确认，则发送方需要重发的帧数是“4”。
• 计算机网路常用的有线传输介质为同轴电缆、双绞线 、光缆。

适配器的作用

• 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。
• 适配器的重要功能：
  • 进行串行/并行转换。
  • 对数据进行缓存。
  • 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
  • 实现以太网协议。

CSMA/CD

• 全称：载波监听多点接入/碰撞检测
  • 协议的实质是多点接入和碰撞检测。
  • 多点接入：
    • 就是说明这是总线型网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。
  • 载波监听：
    • 就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机在发送。
    • 本质上就是检测信道。
    • 不管在发送前，还是在发送中，每个站都必须不停的检测信道。
  • 碰撞检测：
    • 也称为“冲突检测”。
    • 就是边发送边监听。
• 以太网使用截断二进制指数退避算法来确定碰撞重传的时间。
  • 注意：
    • 以太网规定最短帧的长度为64位，即512bit。
    • 因此，凡是长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。只要收到这种帧，就应当马上抛弃掉。
    • 若重传达到了16次仍不能成功，则停止重传而向上报错。

无效的 MAC 帧

• 数据字段的长度与长度字段的值不一致；
• 帧的长度不是整数个字节；
• 用收到的帧检验序列FCS 查出有差错；
• 数据字段的长度不在46 ~ 1500字节之间。
• 有效的 MAC帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
• 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。

网桥

• 优点：
  • 过滤了通信量。
  • 扩大了物理范围。
  • 提高了可靠性。
  • 可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率（如10Mb/s和100Mb/s以太网）的局域网。
• 缺点：
  • 存储转发增加了时延。
  • 在MAC子层没有流量控制功能。
  • 具有不同MAC子层的网络桥接在一起时时延更大。
  • 网桥只适合于用户数不太多（不超过几百个）和通信量不太大的局域网，否则有时还会传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。
• 注意：
  • 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。
    • 若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避（截断二进制指数退避）。

在数据链路层扩展局域网

• 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。
• 网桥工作在数据链路层，他根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。
• 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧的时候，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定该帧转发到哪一个接口。

以太网交换机和集线器的区别

• 从OSI体系结构来看，集线器属于OSI的第一层物理层设备，而（二层）交换机属于OSI的第二层数据链路层设备（三层交换机属于网络层）。
  • 这就意味着集线器只是对数据的传输起到了同步、放大和整形的作用，对数据传输中的短帧、碎片等无法有效的处理，不能保证数据传输的完整性和正确性；
  • 而交换机不但可以对数据做到同步、放大和整形，而且可以过滤短帧、碎片等等。
• 从工作方式来看，集线器是一种广播模式，也就是说集线器的某个端口工作的时候其他所有端口都能收到信息，容易产生广播风暴、当网络较大的时候网络性能能会受到很大的影响，交换机就能避免这种现象的发生，当交换机的时候只有发出请求的端口和目的端口之间相互响应而不影响其他端口，那么交换机就能隔离冲突域和有效地抑制广播风暴的发生。
• 从带宽来看，集线器不管有多少端口，所有端口都共享一条带宽，在同一时刻只能有两个端口传送数据，其他端口只能等待；同时集线器只能工作在半双工模式下，而对于交换机而言，每个端口都有一条独占的带宽，当两个端口工作时并不影响其他端口的工作，同时交换机不但可以工作在半双工模式下也可以工作在全双工模式下。

局域网模型

• 在局域网模型中，数据链路层分为
  • 逻辑链路控制子层LLC
  • 媒体访问控制子层MAC

网络层

• 在互联网中，网络层互联设备是路由器。
• 若路由器或目的主机缓冲资源耗尽而必须丢弃数据报，则每丢弃一个数据报就向源主机发送一个ICMP源抑制报文，此时，源主机必须减小发送速度。另外一种情况是系统的缓冲区已用完，并预感到将发生拥塞，则发送源抑制报文。

网络层协议作用简要解析

• IP：进行路由的选择。
• ICMP：提供网络传输中的差错检测。
• ARP：将目的IP地址映射成为物理的MAC地址。

IP

• IP数据报采用的是面向无连接的传输方式，灵活高效，可充分利用。

IP地址

• IP地址就是将IP地址划分为若干个固定类，每个类地址都由网络号和主机号两个网段构成，一共分为A、B、C、D、E五类，其中A、B、C类IP地址较为常用。A类地址的网络号占一个字节（8bit），B类地址的网络号站两个字节（16bit），C类地址的网络号占3个字节（24bit）。A、B、C三类地址的网络号有1~3bit，其数值分别规定为0，10，110。
• IP地址具有以下特点：
  • 每一个IP地址都由网络号和主机号两部分组成；
  • 实际上IP地址是一个主机和一条链路的接口。
  • 按照因特网的观点，用转发器或者网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有相同的网络号；
  • 在IP地址中，所有分配到网络号的网络都是平等的。

IP和MAC的区别

• MAC地址是硬件地址，由制造商指定，唯一、固定，LAN中依靠MAC地址通信；IP地址是软件地址，在因特网中由人工设置或者自动分配而得到的，可变。
• TCP/IP网路依靠IP地址通信。
• 当IP分组到达目的网路后，由目的路由器用ARP协议根据目的IP解析出目的主机的MAC地址，从而在LAN中用MAC地址递交数据帧。

ICMP

• IP数据包在网络中传输时，在某路由器处出现错误，该路由器产生一个差错报文(ICMP协议报文)，这个报文采用IP协议进行包装，传向出错报文的源主机。

运输层

TCP协议三次握手

• A请求建立到B的连接。
• B对连接请求进行确认，并建立B到A的连接。
• A对方向连接进行确认。
• 作用：
  • 三次握手可以解决被延迟的分组问题，从而可以保证数据交换的安全和可靠。
  • TCP“三次握手”要是为了防止A方之前已过时的连接请求又到来；如果没有第三次握手，前面已经过期的连接来到了B方，B方无法辨认过期的连接，从而响应，造成了线路资源的浪费。

TCP和UDP

• TCP协议：是面向连接的协议，具有通信质量高，控制性能好，功能强等特点，但处理复杂，不适合流媒体数据传送。
• UDP协议：是面向无连接的协议，格式简单，出来快、灵活等特点，但是通信质量不高，功能稍差，对于小数据量的猝发式通信、流媒体数据通信比较合适。

网络层和运输层的主要区别

• 网络层和运输层有很大的区别，运输层为主机应用程序之间提供端到端的逻辑通信，但网络层是为主机之间提供逻辑通信。

应用层

• 网络安全套接层SSL位于TCP/IP模型的应用层与传输层之间。

FTP

• 在FTP中，21端口为控制端口，一直打开，监听网络客户连接请求；
• 20端口为数据端口，有客户请求的时候，打开次端口为用户传送数据，传送结束则关闭。

TCP的多路复用是

• 1、多路复用通过端口机制来实现。
• 2、端口机制用于标志主机的不同进程。一个主机上的多个应用程序可以通过不同的端口同时使用TCP进行通信。

计算机组成原理

主存储器的技术指标

• 字存储单元：存放一个机器字的存储单元，相应的单元地址叫字地址。
  字节存储单元：存放一个字节的单元，相应的地址称为字节地址。
• 存储容量：指一个存储器中可以容纳的存储单元总数。存储容量越大，能存储的信息就越多。
• 存取时间又称存储器访问时间：指一次读操作命令发出到该操作完成，将数据读出到数据总线上所经历的时间。通常取写操作时间等于读操作时间，故称为存储器存取时间。
• 存储周期：指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。通常，存储周期略大于存取时间，其时间单位为ns。
• 存储器带宽：单位时间里存储器所存取的信息量，通常以位/秒或字节/秒做度量单位。
• 存取时间、存储周期、存储器带宽这三个概念反映了主存的速度指标。

SRAM和DRAM的区别

按照存储信息的不同，随机存储器分为静态随机存储器（Static RAM,SRAM)和动态随机存储器（Dynamic RAM,DRAM)。

●静态存储单元（SRAM）

• 存储原理：
  • 由触发器存储数据
• 单元结构：
  • 六管NMOS或OS构成
• 优点：
  • 速度快、使用简单、不需刷新、静态功耗极低；常用作Cache
• 缺点：
  • 元件数多、集成度低、运行功耗大
• 常用的SRAM集成芯片：6116(2K×8位)，6264(8K×8位)，62256(32K×8位)，2114(1K×4位)

●动态存储单元（DRAM）

• 存贮原理：
  • 利用MOS管栅极电容可以存储电荷的原理，需刷新（早期：三管基本单元；现在：单管基本单元）
• 刷新(再生)：
  • 为及时补充漏掉的电荷以避免存储的信息丢失，必须定时给栅极电容补充电荷的操作
• 刷新时间：
  • 定期进行刷新操作的时间。该时间必须小于栅极电容自然保持信息的时间（小于2ms）。
• 优点：
  • 集成度远高于SRAM、功耗低，价格也低
• 缺点：
  • 因需刷新而使外围电路复杂；刷新也使存取速度较SRAM慢，所以在计算机中，DRAM常用于作主存储器。

●尽管如此，由于DRAM存储单元的结构简单，所用元件少，集成度高，功耗低，所以目前已成为大容量RAM的主流产品。

DRAM和SRAM不同的是：

• 1）增加了行地址锁存器和列地址锁存器。由于DRAM存储器容量很大，地址线宽度相应要增加，这势必增加芯片地址线的管脚数目。为避免这种情况，采取的办法是分时传送地址码。若地址总线宽度为10位，先传送地址码A0～A9，由行选通信号RAS打入到行地址锁存器；然后传送地址码A10～A19，由列选通信号CRS打入到列地址锁存器。芯片内部两部分合起来，地址线宽度达20位，存储容量为1M×4位。
• 2）增加了刷新计数器和相应的控制电路。DRAM读出后必须刷新，而未读写的存储元也要定期刷新，而且要按行刷新，所以刷新计数器的长度等于行地址锁存器。刷新操作与读/写操作是交替进行的，所以通过2选1多路开关来提供刷新行地址或正常读/写的行地址。
  • 什么是刷新？
    • 刷新是对DRAM定期进行的全部重写的过程。
  • 刷新操作有两种方式：
    • 集中式刷新
      • DRAM中的所有行在每一个刷新周期中都被刷新。
    • 分布式刷新
      • 每一行的刷新插入到正常的读写周期中。

存储器容量扩展

字长位数扩展

给定的芯片字长位数较短，不满足设计要求的存储器字长，此时需要用多片给定芯片扩展字长位数。三组信号线中，地址线和控制线公用而数据线单独分开连接。
　　d=设计要求的存储器容量/选择芯片存储器容量

存储器容量的扩充

给定的芯片存储容量较小（字数少），不满足设计要求的总存储容量，此时需要用多片给定芯片来扩展字数。三组信号组中给定芯片的地址总线和数据总线公用，控制总线中R/W公用，使能端EN不能公用，它由地址总线的高位段译码来决定片选信号。所需芯片数仍由（d=设计要求的存储器容量/选择芯片存储器容量）决定。

控制总线

• 控制总线用于指定主存和I/O设备接口电路的地址。

Cache

Cache的功能

• 解决了CPU与主存之间的速度不匹配的问题。
  • 一般采用告诉的SRAM构成。
  • CPU和主存之间的速度差别很大采用二级或者多级的Cache系统。
  • 全有硬件调度，对用户透明。

Cache的基本原理

• 地址映射
• 替换策略
• 写一致性
• 性能评价

简述Cache的基本原理

• CPU与Cache之间的数据交换是以字为单位的，而Cache与主存之间的数据交换是以块为单位。一个块由通常若干定长的字组成。
• 因此Cache的基本原理是当CPU要读取主存中的一个字的时候，总是将存放该字的内存地址同时发给Cache和主存。此时Cache控制逻辑立即依据地址判断该字当前是否已在Cache中，若是，则将此字立即传送给CPU，CPU无需再访问主存，同时让主存访问失效；若非，则用主存读周期把此字从主存读出送到CPU，与此同时把含有这个字的数据块从主存读出并装入到Cache中，把Cache中较旧的内容替换掉。这种替换控制有始终管理Cache使用情况的硬件逻辑电路来实现，最常用的替换算法为LRU最近最少使用策略。

主存与cache的地址映射

全相联的映射方式

• 转换公式
  • 主存地址长度＝(s+w)
  • 位寻址单元数＝2w个字或字节
  • 块大小＝行大小＝2w个字或字节
  • 主存的块数＝2^s
  • 标记大小＝s位
  • cache的行数＝不由地址格式确定

全相联的映射方式

• 特点：
  • 优点：
    • 冲突概率小，Cache的利用高。
  • 缺点：
    • 比较器难实现，需要一个访问速度很快代价高的相联存储器
• 应用场合：
  • 适用于小容量的Cache

指令和数据的寻址方式

• 指令的寻址方式
  • 顺序寻址方式
  • 跳跃寻址方式

多总线结构的三个桥的特点是

• HOST桥（北桥）
• PCI/PCI桥（南桥）
• PCI/LEGACY总线桥

CPU中的主要寄存器

• 指令寄存器IR
• 程序计数器PC
• 数据地址寄存器AR
• 缓冲寄存器DR
• 通用寄存器（R0~R3）
• 状态字寄存器PSW

指令周期

• 指令周期常常用若干个CPU周期来表示，CPU周期称为机器周期。

RISC机器的特点

三个基本要素

• 一个有限的简单的指令集；
• CPU配备大量的通用寄存器；
• 强调对指令流水线的优化。

RISC机器的特点

• （采用流水线技术）
• 简单而统一格式的指令译码
• 大部分指令可以单周期执行
• 只有LOAD/STORE可以访问存储器
• 简单的寻址方式
• 采用延迟转移技术
• 采用LOAD延迟技术
• 三地址指令格式
• 较多的寄存器
• 对称的指令格式
• 其他

总线的内部结构

传统总线

• 地址线是单向的，用来传送主存与设备的地址。
• 数据线是双向的，用来传送数据。
• 控制线对每一根线来讲都是单向的（CPU发向接口，或者接口发向CPU），用来指明数据传送的方向，中断控制和定时控制等等。

总线标准目标

• 当前流行的总线内部结构，他是一些标准总线，追求与结构、CPU、技术无关的开发标准，并满足多个CPU在内的主控者环境需求。
• 总线可以分为四个部分：
  • 数据传送总线
  • 仲裁总线
  • 中断和同步总线
  • 公用线

多总线结构

• HOST总线：该总线有CPU总线、系统总线、主存总线、前端总线等多种名称，各自反映了总线功能的一个方面。这里称“宿主”总线，也许更全面，因为HOST总线不仅连接主存，还可以连接多个CPU。
• HOST总线：连接“北桥”芯片与CPU之间的信息通路，它是一个64位数据线和32位地址线的同步总线。32位的地址线可支持处理器4GB的存储寻址空间。总线上还接有L2级cache，主存与cache控制器芯片。后者用来管理CPU对主存和cache的存取操作。CPU拥有HOST总线的控制权，但在必要情况下可放弃总线控制权。
• PCI总线：连接各种高速的PCI设备。PCI是一个与处理器无关的高速外围总线，又是至关重要的层间总线。它采用同步时序协议和集中式仲裁策略，并具有自动配置能力。PCI设备可以是主设备，也可以是从设备，或兼而有之。在PCI设备中不存在DMA（直接存储器传送）的概念，这是因为PCI总线支持无限的猝发式传送。这样，传统总线上用DMA方式工作的设备移植到PCI总线上时，采用主设备工作方式即可。系统中允许有多条PCI总线，它们可以使用HOST桥与HOST总线相连，也可使用PCI/PCI桥与已和HOST总线相连的PCI总线相连，从而得以扩充PCI总线负载能力。
  • PCI总线上面上有HOST桥、PCI/LAGACY总线桥，PCI/PCI桥。桥在PCI总线体系结构中起着重要的作用，它连接两条总线，使彼此之间相互通信。桥是一个总线转换部件，可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上，从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。桥可以实现总线间的猝发式传送，可使所有的存取都按CPU的需要出现在总线上。由上可见，以桥连接实现的PCI总线结构具有很好的扩充性和兼容性，允许多条总线并行工作。
• LEGACY总线：可以是ISA，EISA，MCA等这类性能较低的传统总线，以便充分利用市场上丰富的适配器卡，支持中、低速I/O设备。

存储单元

• 存储单元是指存放一个机器字的所有存储单元的集合。

机器指令

• 在微程序控制器中，机器指令和微指令之间的关系是每一条机器指令有一段用微指令组成的微程序来解释执行。

总线仲裁

• 在集中式总线仲裁中，独立请求方式响应时间最快，菊花链方式对电路故障最敏感。

流水线中CPU

• 流水线CPU存在三种数据相关冲突：
  • 写后读（RAW）相关；
  • 读后写（WAR）相关；
  • 写后写（WAW）相关。
• 解决数据相关冲突的办法：
  • 在流水CPU运算器中设置若干运算结果缓冲寄存器，暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用，这称为“向前”或者定向传送技术。