计算机网络概论——第一章计算机网络概论笔记（计算机体系结构）
计算机体系结构
- 一、计算机体系结构的发展
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- 1.1 计算机系统结构概述
- 1.2 计算机体系结构分类
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- 1.2.1 宏观上
- 1.2.2 微观上
- 1.2 指令系统
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- 1.2.1 指令集体系结构分类
- 1.2.2 CISC和RISC
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- 1.2.2.1 CISC：复杂指令集计算机（目前绝大部分计算机属于此类）
- 1.2.2.2 RISC:精简指令集计算机
- 1.2.3 指令的流水处理
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- 1.2.3.1 指令控制的方式
- 1.2.3.2流水线的种类
- 1.2.4 吞吐率和流水建立时间
- 二、存储系统
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- 2.1存储器的层次结构
- 2.2存储器的分类
- 2.3 高速缓冲存储器Cache
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- 2.3.1 地址映像的方法
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- 2.3.1.1 直接映像
- 2.3.1.2 全相联映像
- 2.3.1.3 组相联映像
- 2.3.4 Cahce的性能分析
- 2.3 虚拟存储器
- 2.4 外存储器
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- 2.4.1 分类
一、计算机体系结构的发展
1.1 计算机系统结构概述
计算机体系由结构、组织、实现、性能四个基本方面组成。
结构指的是计算机系统各种硬件的互连；组织指的是各个部件的动态联系和管理；实现指的是各模块设计的组装完成；性能指的是计算机的行为表现。
计算机体系结构、计算机体系组织和计算机实现三者的关系如下：
①计算机体系结构：计算机的概念性结构和功能属性。
②计算机体系组织：计算机体系结构的逻辑实现。
③计算机实现：计算机组织的物理实现。
1.2 计算机体系结构分类
1.2.1 宏观上
（1）单处理系统：利用一个单元和其他外部设备结合起来，实现存储、计算、通信、输入与输出功能的系统。
（2）并行处理系统与多处理系统：将两个以上的处理机互连起来，彼此进行通信协调。
（3）分布式处理系统：指物理上远距离二松耦合的多计算机系统。 在通信线路上的数据传输速率要比在处理机内部总线上传输慢得多。
1.2.2 微观上
1.2 指令系统
指令集体系结构（ISA）：一个处理器支持的指令和指令的字节级编码
1.2.1 指令集体系结构分类
1.2.2 CISC和RISC
1.2.2.1 CISC：复杂指令集计算机（目前绝大部分计算机属于此类）
基本思想：进一步增强原有指令的功能。用更为复杂的新指令替代原先由软件子程序完成的功能。
CISC的主要弊端：
① 指令集过于复杂
② 每条复杂指令都需要一段解释性微程序才能完成，从而降低了机器的处理能力
③ 难以优化编译使之生成高效的目标代码
④ CISC强调完善的中断控制，导致动作繁多、设计复杂、研制周期长
⑤ CISC给芯片设计带来很多困难，使芯片种类多，出错率增大，成本提高，成品率下降
1.2.2.2 RISC:精简指令集计算机
基本思想：通过减少指令总数和简化指令功能降低硬件设计的复杂度。使指令能单周期执行，并通过优化编译提高指令执行速度，采用硬布线控逻辑优化编译程序。
RISC的技术关键：
① 重叠寄存器窗口技术：在处理机中设置一个数量比较大的寄存器堆，并把它划成很多个窗口。
② 优化编译技术：RISC使用了大量的寄存器，如何合理的使用这些寄存器，都应通过编译技术的优化来实现。
③ 超流水及超标量技术：为了进一步提高流水线速度而采用的技术。
④ 硬布线逻辑与微程序相结合在微程序技术中。
1.2.3 指令的流水处理
1.2.3.1 指令控制的方式
（1） 顺序方式：各条机器指令按照顺序逐步执行。其有点是控制简单。缺点是速度慢，机器各部件的利用率低。
（2） 重叠方式：在解释第X条指令的操作完成前，可以开始解释第X+1条指令，如下图所示：
（3） 流水方式：把并行性或并发性嵌入到计算机系统里的一种形式，将重复的顺序处理过程分解若干个子过程，就像工厂的流水线一样。如下图所示：
1.2.3.2流水线的种类
1.2.4 吞吐率和流水建立时间
吞吐率：单位时间内流水线处理机流出的结果数。对指令而言，就是单位时间内执行的指令数。
若流水线子过程所用的时间不一样，则吞吐率p应为最长子过程的倒数，即
p = 1/max{△t1,△t2,···，△tm}
若m个流水线子过程所用时间一样，均为△t0，则建立时间为
p= m△t0
二、存储系统
2.1存储器的层次结构
2.2存储器的分类
2.3 高速缓冲存储器Cache
高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器，其作用是存放当前最活跃的程序和数据。
2.3.1 地址映像的方法
地址映像：CPU工作时，送出的是主存单元地址，而应从Cache中读/写信息，这就需要将主存地址转换成Cache的地址。
2.3.1.1 直接映像
主存的块与Cache块的对应关系是固定的。
优点：地址变换简单
缺点：灵活性差
2.3.1.2 全相联映像
全相联映像允许主存的任何一块可以调入Cache任何一块空间中
优点：主存调入Cache的位置不受限制，十分灵活
缺点：无法从主存块中直接获得Cache的块号，变化比较复杂，速度比较慢
2.3.1.3 组相联映像
组相联映像就是规定组采用直接映像方式，块采用全相联映像方式。即主存任何区的0组只能存到Cache的0组中，1组只能存到Cache的1组中，依次类推。
2.3.4 Cahce的性能分析
设Hc为Cache的命中率，tc为Cache的存取时间，tm为主存的访问时间，Cache的等效加权平均访问时间为ta：
当Cache访问和主存访问是同时启动时ta为
t~a~ = H~c~+(1-H~c~)t~m~ = t~c~+(1-H~c~)(t~m~-t~c~)
若在Cache不命中时才启动主存，则ta = t~c~+(1-H~c~)t~m~
随着容量的增加，Cache的命中率也会增加，但这意味着需要提高Cache的成本和增加Cache的命中时间
2.3 虚拟存储器
虚拟存储器实际上是一个逻辑存储器，实质是对物理存储设备进行逻辑化处理，并将统一的逻辑视图呈现给用户。
2.4 外存储器
作用：存放暂时不用的程序和数据，并且以文件的形式存储。
注：CPU不能直接访问外存中的程序和数据，只有将其以文件为单位调入主存才可访问。
2.4.1 分类
