软考中级-计算机组成原理：CPU结构、存储结构、总线

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

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一、CPU结构的分类

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：

• 算术逻辑单元(ALU)： 它的用途是用来做逻辑运算的
• 累加器(AC):它的用途是用来存储参与逻辑运算的数据。
• 数据缓冲寄存器(DR)：它在CPU向内存读写数据时，作为CPU和内存的中转站即数据缓冲，以提高CPU读写内存的效率。
• 状态条件寄存器：它的用途记录状态标志信息。比如溢出，借位。它不仅可以存储运算的状态还可以用来存储控制的状态，因此它还可以分在控制器中

控制器包含以下部分：

• 程序计数器(PC):在加载程序时，PC用于加载程序地址，因此PC时用来存(下一条)程序地址的。
• 指令寄存器(IR)：:根据PC的地址，把对应的指令存储进IR，指令存储完后，PC中的当前地址就无业务意义了，此时的PC会自动指向下一条指令。因此IR存的是指令
• 指令译码器(ID)：存到IR的指令，想要变成机器能运行的二进制，就要通过指令译码器进行翻译。
• 地址寄存器(AR)：在程序计算过程中，用于存放程序中数据的地址的。注意PC存放的程序地址，而地址寄存器用于存放数据地址
• 时序部件：计算机在完成功能的过程中，可能会涉及到时序控制信号
• 状态条件寄存器：(略)

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

二、寻址方式

（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

三、CISC 和 RISC

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。

四、层次化存储结构

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：

• 按内容存取，如相联存储器 cache
• 按地址存取，如随机存储存取器(如内存)，顺序存储存取器(如磁带) ，直接存储存取器(结合了前面两种类型，如磁盘)

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

• 固定只读存储器，ROM：一般厂家生产时就写好的数据。如：BIOS
• 可编程的只读存储器，PROM：其中内容可以由用户一次性的写入，写入后不能再修改。
• 可擦除可编程的只读存储器，EPROM：用特殊的设备可以让用户自由地写入，修改，读取数据
• 电擦除可编程的只读存储器，EEPROM：用电擦除的方法让用户自由地写入，修改，读取数据
• 闪速存储器（闪存）：特性介于EPROM和EEPROM之间，可以电信号将数据再数秒内删除，速度远高于EPROM

3.相联存储器

如段表、页表、块表存储器、Cache等

五.Cache

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

六、主存编址计算

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） 

七、索引节点法计算访问文件的大小

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.

八、输入输出(IO)技术

(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

• 程序传输控制方式：分为无条件传送和程序查询方式两种。所谓无条件传送就是系统默认IO都是已经准备好的，直接传输就行，而程序查询方式是CPU频繁访问IO状态判断是否可传输。此方式的IO能力弱，严重利用率
• 程序中断方式：由IO将自己的状态通知CPU，CPU触发中断后CPU再去做IO。
• DMA方式：DMA方式是为了在主存与外设之间的高速缓冲，实现批量数据交换。比前面的两种方式都高效,

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

• cpu无需等待也无需查询IO状态
• cpu被中断后，需要保存当前执行状态，然后通过中断向量表去处理中断请求，中断请求完成后再通过原先的状态去继续处理原先的程序
• CPU和IO是并行的，当前IO完成时发出中断请求，CPU才会去处理中断，CPU完成请求后，IO开始写数据，同时CPU会到原先程序继续执行

(3)时钟周期

通常，时钟周期<机器周期<指令周期

• 时钟周期(震荡周期)，是计算机最基本的时间单位，通常10纳秒为一个时钟周期，
• 指令周期，指执行一条指令所用的时间，包括取执行，分析指令，执行指令过程中的全部时间。，一般由若干个机器周期组成

 

 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。

九、总线

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：

• 控制总线，用于传递控制信号，通常指控制单元传到周边设备的电线。
• 数据总线，用于传递数据，在CPU与RAM之间来回传送需要处理或存储的数
• 地址总线，用来指定RAM之中存储的数据地址。

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。