目录
一、CPU结构的分类
二、寻址方式
三、CISC 和 RISC
四、层次化存储结构
五.Cache
六、主存编址计算
七、索引节点法计算访问文件的大小
八、输入输出(IO)技术
九、总线
CPU 由运算器和控制器组成。
(1)运算器的分类:
运算器包含以下部分:
控制器包含以下部分:
例1.1计算机中提供指令地址的程序计数器在()中
A.控制器 B.运算器 C.存储器 D. IO设备
例1.2 CPU 执行算术运算或逻辑运算时,常将源操作数存储在
A.程序计数器 B.累加器 C.指令寄存器 D.地址寄存器
(1)指令的格式如下:
op指操作码又称之为立即数,如, mov ,ADD ,SUB等
(2)寻址方式的分类:
寻址方式 | 特点 | 对比 |
立即寻址方式 | 操作数直接存在指令中,速度快,灵活性差 | |
直接寻址方式 | 操作数的地址存在指令中 | 相比立即寻址,多了一步通过地址在内存中访问操作数的过程,因此比立即寻址方式慢。 |
间接寻址方式 | 操作数的地址的地址存在指令中 | 比直接寻址方式,又多了一步访问内存,因此比直接寻址慢 |
寄存器寻址 | 操作数的存放在寄存器中 | 相比立即寻址,多了一步访问寄存器。因此比立即寻址方式慢。但是访问寄存器要比访问内存快,因此比直接寻址方式快。 |
寄存器间接寻址 | 操作数的地址存放在寄存器中 | 相比寄存器寻址多了一步访问内存,因此比寄存器寻址慢。但是比间接寻址方式快。 |
例2.1 在机器指令的地址字段中,直接指出操作数本身的寻址方式称为()
A.隐含寻址 B寄存器寻址 C立即寻址 D 直接寻址
CISC 指复杂指令集计算机 ,RISC指精简指令集计算机,CISC的思想是,每次增加功能都要考虑是否增加指令。而RISC的思想是,每次增加功能都考虑如何在原来的指令上组合完成所需的功能。
时间局部性原理:一个存储单元被访问,那么有可能不久又要被访问,如循环程序
空间局部性原理:一个存储单元被访问,那么有可能相邻存储空间即将被访问,如数组访问。
在虚拟存储体系中,把外存和内存合成一个大的可访问的地址空间,让用户觉得内存很大。
除此之外,三级存储体系,包含了内存、外存和cache
(1)层次化存储结构分类
1.按存储器位置分类 : 内存(主存) & 外存(辅存)
2.按存取方式分类:
3.按工作方式
1.随机存储存取器 RAM
如内存,存储的位置是随机的,其掉电会丢失内容,动态的随机存储存取器(DRAM)会定时做一些刷新工作,成本要低点,静态的随机存储存取器(SRAM)不会做刷新工作,成本要高点。
2.只读存储器
对于仅能读取的存储器称之为只读存储器,掉电不丢失可长期保存数据,其中又分为
3.相联存储器
如段表、页表、块表存储器、Cache等
地址映像是将主存与Cache存储空间分为若干大小的相同的页,映射功能是由系统电路自动完成的。
(1) 直接相联映像
根据cache的大小划分内存的区,每个区中的页只能放在Cache中的页号相同的页中。此方案可能会导致,Cache还有很多空闲空间,就会频繁产生冲突 ,但是硬件电路实现起来简单。
(2)全相联映像
主存中的页可以放在Cache中的任意位置。Cache满了才会产生冲突。此方案能充分利用Cache但是硬件电路实现起来复杂。
(3)组相联映像
此方案是直接相联映像和全相联映像折中。将内存区和Cache进行分组,主存中的每一组空间,只能映射到Cache相同的区。
例.5.1下列关于Cache的叙述中不正确的是()
A.Cache的设置扩大了主存容量
B.Cache的内容是主存的拷贝
C.Cache的命中率并不随其容量的增大而提高
D.Cache位于内存和CPU之间
每个存储单元都有自己的地址,每个相邻的存储单元其地址也是连续的。因此
存储单元个数 = 最大地址 - 最小地址 + 1
而存储单元的编址分为按字编址和按字节编址。所谓1B(字节)=8bit(比特位) ,如果在32位计算机中1字就相当于32比特,在64位机中,1字就是64比特 。因此
总容量 = 存储单元个数 * 单位编址大小 (bit)
同时还可以按照芯片容量计算
总容量 = 每个芯片容量 * 芯片数量
解析: 该区间的有 CFFFFH + 1 - A0000H = 30000H 即3*16^4 个存储单元,按字节编址有3*16^4B ,即8*3*16^4bit,,因此需要芯片 8* 3*16^4 bit / (64K * 8bit)
每个文件的索引节点有8个地址项,每个地址项有4字节,其中5个地址项为直接地址索引,2个是一级间接地址索引,1个是二级间接地址索引,磁盘索引块和磁盘数据大小均为1KB,要访问的文件逻辑块号分别为1和518,则系统应分别采用()
A, 直接地址索引和一级间接地址索引 B.直接地址索引和二级间接地址索引
C.一级间接地址索引和一级间接地址索引 D.一级间接地址索引和二级间接地址索引
解。直接地址索引是一对一的,前5个索引块映射到逻辑块号0~4号,每个索引块1KB,每个地址项4B,因此可以容纳 1K / 4 =2^8 号 因此两个一级索引块映射到逻辑块5号~517号,二级间接地址索引存放的是一级索引的地址项,因此每个二级间接地址索引可以放2^8个一级间接地址索引地址,每个一级间接地址索引可以存放2^8个逻辑块号,因此每二级间接地址索引可以映射2^16个地址,映射到518号~66052号逻辑块.
(1)数据传输控制方式
数据的传输控制是由CPU进行控制,它负责向内存和外设之间的交互。传输控制方式有如下几种
把CPU比作老师,IO等设备当作学生,数据当作老师要传给学生的知识。老师在授课,学生在学习,程序查询方式就相当于老师给讲完一部分内容要向学生确认学生是否听懂,确认听懂后再继续讲,而程序中断是CPU只顾讲自己的内容,当学生学习完成,举手中断讲课后,CPU再去向学生传递知识。而DMA就相当于助教,老师把要讲课的内容告诉助教,助教负责给学生传递知识。
(2)中断处理过程
(3)时钟周期
通常,时钟周期<机器周期<指令周期
解:总线周期,DMA控制器在需要的时候代替CPU作为总线主设备,在不受CPU干预的情况下,控制I/O设备与系统主存之间的直接数据传输。DMA操作占用的资源是系统总线,而CPU并非在整个指令执行期间即指令周期内都会使用总线,故DMA青求的检测点设置在每个机器周期也即总线周期结束时执行,这样使得总线利用率最高。
一条总线既能接受信息也能发送信息,同一时刻仅允许一个设备发送,但是允许多个设备接受,即,像对讲机一样。
总线的分类如下:
解析:并行总线就是设备之间由多条总线连接,这样的好处是当一条总线故障,另一条还可以接着用,同时传输数据也变快了,但是成本变高。串行总线,就是多个总线当成一个总线去用,可以进行远距离传输。
(2)常见总线(转)
总线类型 | 功能 |
QPI 快速通道互联总线 | 实现处理器之间的直接互联,并基于包传输的串行式高速点对点连接协议,采用差分信号与专门的时钟进行传输。特点是高速带宽,低功耗,支持热插拔。 |
Memory总线(内存总线) | 用来实现处理器和内存的之间的连接.处理器里集成的内存控制器负责通过内存总线和内存模组通讯,例如寻址、读写等。目前内存总线所支持的内存模组有DDR2, DDR3, 将来还会支持DDR4。 |
DMI总线,直接媒体接口 | 用来连接处理器和南桥的总线.它是基于PCIE总线,因此具有PCI-E总线的优势,这个高速接口集成了高级优先服务,允许并发通讯和真正的同步传输能力。它的基本功能对于软件是完全透明的,因此早期的软件也可以正常操作。 |
USB总线,通用串行总线 | USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB总线会根据外设情况在两种传输模式中自动地动态转换。USB是基于令牌的总线。 |
SMBUS/I2C总线 | 是一种二线制串行总线。不需要高速通讯,但希望通过一条廉价并且功能强大的总线(由两条线组成),来控制主板上的设备并收集相应的信息。 |
SPI(Serial Peripheral Interface--串行外设接口)总线 | 是一种同步串行外设接口。它可以使南桥与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息 |
PCI总线 | PCI是一种先进的局部总线。采用了目前业内流行的点对点串行连接,比起PCI以及更早期的计算机总线的共享并行架构,每个设备都有自己的专用连接,不需要向整个总线请求带宽,而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率,达到PCI所不能提供的高带宽。 |
SCSI(Small Computer System Interface), | 用于计算机和智能设备(硬盘、软驱、光驱、打印机、扫描仪等)之间系统级接口的独立处理器标准。SCSI可支持多个设备;SCSI还允许在对一个设备传输数据的同时,另一个设备对其进行数据查找,SCSI占用CPU极低;SCSI设备还具有智能化,SCSI卡自己可对CPU指令进行排队;最快的SCSI总线有160MB/s的带宽。 |
SATA串行高级技术附件 | 一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口.有支持热插拔,传输速度快,执行效率高等优点。 |