架构-计算机体系结构

章节架构

分值约 3 分

计算机体系结构

计算机硬件组成

指令系统

复杂指令系统
精简指令系统
指令的流水

存储系统

存储器的层次
主存储器
磁盘阵列

校验码

循环冗余校验码

总线

计算机硬件组成

硬件

主机

运算器

CPU

控制器

主存

存储器

辅存

I/O设备

输入设备

输出设备

指令系统

指令系统是计算机的语言系统，是计算机所具有的全部指令的集合 ，反映了计算机所拥有的基本技能。

复杂指令系统

• 复杂指令系统（Complex Instruction Set Computer，CISC）的基本思想是进一步增强原有指令的功能，用更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化，导致机器的指令系统越来越庞大、复杂。目前使用的绝大多数计算机都属于CISC类型。
• CISC的特点
  • 指令数量众多。通常有 100 ~ 250 条
  • 指令使用频率相差悬殊。最常使用的简单指令占20%，但程序中出现频率占 80%。大部分指令很少使用。
  • 支持很多种寻址方式。5 ~ 20 种。
  • 变长的指令。指令长度不是固定的，增加指令译码电路的复杂性。
  • 指令可以对主存单元中的数据直接处理。执行速度较慢。
  • 以微程序控制为主。指令系统复杂，难用硬布线逻辑（组合逻辑）电路实现控制器，通常采用微程序控制。

精简指令系统

• 精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer）的基本思想是通过减少指令总数和减少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的执行速度，采用硬布线控制逻辑优化编译程序。
• RISC 的特点
  • 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。提高操作执行速度。
  • 单周期指令执行，采用流水线技术。
  • 优化的编译器。精简指令集使编译工作简单化，易于实现优化，从而可以生成高效率执行的机器代码。
  • 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。

指令的流水

• 指令流水技术：指令步骤的并行、提高处理器执行指令的效率。几乎所有高性能计算机都采用了指令流水线。

顺序方式

• 各条机器指令之间串行的执行，执行完一条指令后再取下一条。缺点是速度慢，机器各部件利用率低。
  

重叠方式

• 在解释第 K 条指令的操作完成之前就可以开始解释第 K+1 条指令。
  

流水方式

• 流水线周期：执行时间最长的一段
• 流水线执行时间 （t1+t2+…+tk) + (n-1) * Δt
• 流水线的吞吐率和最大吞吐率：吞吐率是指单位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。TP=指令条数/流水线执行时间。 TP_max=1/Δt
• 流水线加速比 S = 不使用流水线执行时间 / 使用流水线执行时间

存储系统

存储器的层次

主存储器

• 主存用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据。CPU 可以直接随机的进行读写。
  
• 主存的基本单位是存储单元，一般以八位二进制为一个存储单元。每个存储单元都有一个地址，一般用十六进制数表示。

磁盘阵列

磁盘阵列是由多台磁盘存储器组成的一个快速、大容量、高可靠的外存子系统。现在常见的磁盘阵列称为廉价冗余磁盘阵列（Redundant Array of Independent Disk，RAID）。

• RAID机制中共分8个级别，RAID应用的主要技术有分块技术、交叉技术和重聚技术。

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• RAID 0 级：无冗余无校验。最高 I/O 性能和利用率。
• RAID 1 级：磁盘镜像阵列。高安全性，50%利用率。
• RAID 2 级：采用纠错海明码的磁盘阵列。大数据量性能较高，现实很少用。
• RAID 3，4 级：采用奇偶校验码。
• RAID 5 级：无独立校验盘的奇偶校验码。当有 N 块阵列盘时，用户空间为 N-1 块容量。
• RAID 6 级：具有独立的数据硬盘与两个独立的分布式校验方案。
• RAID 7 级：具有最优化的异步高 I/O 速率和高数据传输率。优异性能，目前最高档。
• RAID 10 级：高可靠性与高性能的组合。

校验码

循环冗余校验码

计算机系统运行时，为了确保数据在传输过程中正确无误，一是提高硬件电路的可靠性；而是提高代码的校验能力，包括查错和纠错。

• 循环冗余校验码：（Cyclic Redundancy Check，CRC）广泛应用于数据通信领域和磁介质存储系统中。利用多项式为K个数据位产生r个校验位来进行编码，其编码长度为 k+r 。

总线

• 总线（BUS），是指计算机设备和设备之间传输信息的公共数据通道。
  
• 按总线相对于 CPU 或其他芯片的位置可分为内部总线和外部总线两种。
• 按总线的功能来划分，又可以分为地址总线、数据总线、控制总线三类。
• 按照总现在数据线的多少，可分为并行总线和串行总线。

名称	数据线	特点	应用
并行总线	多条双向数据线	有传输延迟，适合近距离连接	系统总线（计算机各部件
串行总线	一条双向数据线或两条单向数据线	速率不高，但适合长距离连接	通信总线）计算机之间或计算机与其他系统之间}