计算机组成原理知识——CPU结构组成和功能、堆栈、RISC、

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前言

2023.9.6 计组知识开始学习

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一、CPU组成

中央处理单元：简称为CPU或处理器，功能是控制计算机的操作和处理数据

• 控制器：控制计算机的操作，例如读取指令、分析指令、时序、总线的控制等
• 运算器：完成数据处理功能
• 寄存器：临时存储指令、地址、数据、计算结果等
• 中断

二、指令执行步骤

• 3个：取指、分析、执行
• 5个：取指、译码、执行、访存、写回

冯诺依曼型计算机的CPU就是5个阶段

1、取指Instruction Fetch/IF

从主存取指令到指令寄存器

2、译码Instruction decode/ID

指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别出不同的指令操作和操作数

3、访存Memory/MEM

根据译码得到的地址，去取相对于的操作数，可能需要访问主存

4、执行Execute/EX

完成指令的操作

5、写回Writeback/WB

把指令运行的结果数据写到某个存储的地方，通常经常被写到CPU的内部寄存器，方便后续的指令快速地存取

三、冯诺依曼结构和哈佛结构

冯诺依曼结构：数据空间和程序空间是一体的，指令存储器和数据存储器合并在一起，取指令和取操作数在同一总线上，指令和数据位宽相同，因此在同一个总线上进行读写时，指令和数据不能同时操作，必须按照先后顺序，因而限制了处理速度。采用的是CICS指令集

• 优点：硬件简单，如intel的x86

哈佛结构：数据和程序是分开存放的，分开的，独立地址，独立访问，在一个周期内可以同时获得指令和操作数，指令和数据位宽可以不相同。采用的RISC指令集

• 优点：逻辑代码和变量单独存放，互不干扰，如ARM、DSP

四、数据结构中的堆栈 VS 程序内存中的堆区和栈区

1、数据结构的堆栈

定义：数据按序排列的数据结构

堆：经过排序的树形结构，可任意存取。由程序员手动分配和释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。
栈：有先进先出的性质的数据结构，由操作系统自动分配和释放

2、C语言程序的内存

• 代码区：存放二进制代码，.text段
• 全局区：存放全局和静态变量，初始化-.data段，未初始化的-.bss段。内存由系统分配，程序结束后，由系统释放
• 常量区：存储常量的区域，不允许修改。内存在程序结束时，由系统释放
• 堆区：Heap，存放程序员自己创建的变量，是不连续的内存区域，常使用new、alloc等关键词，需要用delete来进行释放，否则的话可能造成内存泄漏
• 栈区：Stack，存放函数的参数，局部变量的区域，由编译器自动分配和释放，这部分是连续的

区别	堆区	栈区
内存分配方式	手动申请和释放	操作系统自动分配和释放
空间大小	理论上最大为虚拟内存的大小	远小于堆
存放内容	自定义内容	存储函数返回地址、参数、局部变量等
数据结构	使用数据结构中的树	先进后出的队列
缓存方式	二级缓存	一级缓存，调用时存放，调用完立马释放
分配效率	低	高

五、CISC和RISC

指令：完成任务的多个步骤组成，把数值传送到寄存器或进行相加运算

CICS：complex instruction set computer，复杂指令系统计算机
RISC：reduced instruction set computer，精简指令集计算机，执行较少类型计算机指令的微处理器，能够以更快的速度来执行操作
（原因：执行不同类型指令需要不同的晶体管和电路器件，类型越少，电路越快）

六、虚拟内存和cache

虚拟内存：基于局部性原理（选择题有做过），在程序装入时，把程序运行所需要的装入内存，其他的部分放在外存，使得速度提升。
（程序运行时，只会用到小部分的数据，把这部分放在较快的存储器里面，其他部分放在速度慢、容量大的存储器中）