计算机组成原理之组成篇

一、章节导学

1. 冯诺依曼机

输入设备
输出设备
存储器
运算器
控制器

2. 计算机硬件

CPU：存储器，运算器，控制器
内存：存储器
硬盘：存储器
鼠标：输入设备
键盘：输入设备
显示器：输出设备
电源
主板
显卡、声卡
网卡

3. 主要内容

计算机总线与IO设备：计算机的总线，计算机的输入、设备
计算机的存储器：计算机的存储概览，计算机的主存储器与辅助存储器，计算机的高速存储器
计算机的CPU：计算机的指令系统，计算机的运算器，计算机的控制器，指令执行过程

二、计算机的总线

1. 总线的概述

1.1 总线的概述（是什么、什么用）

提供了对外连接的接口
不同设备可以通过USB接口进行连接
连接的标准，促使外围设备接口的统一

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USB
PCI总线
ISA总线
Thunderbolt总线

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解决不同设备之间的通信问题

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1.2 总线的分类

片内总线：高集成度芯片内部的信息传输线

芯片内部的总线
寄存器与寄存器之间
寄存器与控制器、运算器之间

片内总线

系统总线

数据总线：一般与CPU位数相同（32位、64位）
- 双向传输各个部件的数据信息
- 数据总线的位数（总线宽度）是数据总线的重要参数
地址总线：地址总线位数=n，寻址范围：0~2^n
- 指定源数据或目的数据在内存中的地址
- 地址总线的位数与存储单元有关
控制总线
- 控制总线是用来发出各种控制信号的传输线
- 控制信号经由控制总线从一个组件发给另外一个组件
- 控制总线可以监视不同组件之间的状态（就绪/未就绪）

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2. 总线的仲裁

2.1 为什么需要总线的仲裁

解决不同设备使用总线优先顺序的一个设备

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2.2 总线仲裁的方法（为了解决总线使用权的冲突问题）

链式查询

好处：电路复杂度低，仲裁方式简单
坏处：优先级低的设备难以获得总线使用权
坏处：对电路故障敏感

链式查询

计时器定时查询

仲裁控制器对设备编号并使用计数器累计计数
接收到仲裁信号后，往所有设备发出计数值
计数值与设备编号一致则获得总线使用权

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独立请求

每个设备均有总线独立连接仲裁器
设备可单独向仲裁器发送请求和接收请求
当同时收到多个请求信号，仲裁器有权按优先级分配使用权

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好处：响应速度快，优先顺序可动态改变
设备连线多，总线控制复杂

三、计算机的输入输出设备

1. 常见的输入输出设备

1.1 字符输入设备

键盘：薄膜键盘，机械键盘，电容键盘

1.2 图像输入设备

鼠标
数位板
扫描仪

1.3 图像输出设备

显示器
打印机
投影仪

2. 输入输出接口的通用设计

2.1 要考虑的内容

读取数据
向设备发送数据
设备是否已经连接
设备有没有被占用
设备是否已经启动

2.2 设计

数据线

是I/O设备与主机之间进行数据交换的传送线
单向传输数据线
双向传输数据线

状态线

IO设备状态向主机报告的信号线
查询设备是否已经正常连接并就绪
查询设备是否已经被占用

命令线

CPU向设备发送命令的信号线
发送读写信号
发送启动停止信号

设备选择线

主机选择I/O设备进行操作的信号线
对连在总线上的设备进行选择

3. CPU与IO设备的通信（CPU速度与IO设备速度不一致）

3.1 程序中断

当外围IO设备就绪时，向CPU发出中断信号
CPU有专门的电路响应中断信号

程序中断

提供低速设备通知CPU的一种异步的方式
CPU可以高速运转同时兼顾低速设备的响应

3.2 DMA（直接存储器访问）

DMA直接连接主存与IO设备
DMA工作时不需要CPU的参与

DMA

当主存与IO设备交换信息时，不需要中断CPU
可以提高CPU的效率

应用

硬盘
外置显卡

四、计算机存储器的概览

1. 存储器的分类

1.1 按存储介质分类

半导体存储器

内存
U盘
固态硬盘

磁存储器

磁带
磁盘

1.2 按存取方式分类

随机存储器（RAM）

随机读取
与位置无关

串行存储器

与位置有关
按按照顺序查找

只读存储器（ROM）

只读不写

2. 存取器器的层次结构

2.1 需要考虑的因素

读写速度
存储容量
价格

2.2 希望的结果

读写速度（高）
存储容量（大）
价格（低）

容量+价格 => 位价：每比特价格

2.3 层次结构

缓存：速度快，价格高
主存：速度适中，价格适中
辅存：速度慢，价格低

存储器的层次结构

原理：局部性原理

局部性原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。

局部性原理

实现：在CPU与主存之间增加一层速度快（容量小）的Cache
目的：解决主存速度不足的问题

五、计算机的主存储器与辅助存储器

1. 主存储器——内存

RAM（随机存取存储器：Random Access Memory）
RAM通过电容存储数据，必须隔一段时间刷新一次
如果掉电，那么一段时间后将丢失所有数据

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2. 辅助存储器——磁盘

2.1 磁盘

表面是可磁化的硬磁特性材料
移动磁头径向运动读取磁道信息

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2.2 磁盘调度算法

先来先服务算法
最短寻道时间优先
扫描算法（电梯算法）
循环扫描算法

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先来先服务算法

1=>4=>2=>3=>1=>5

最短寻道时间优先

与磁头当前位置有关
优先访问离磁头最近的磁道

4=>5=>3=>2=>1=>1

扫描算法（电梯算法）

每次只往一个方向移动
到达一个方向需要服务的尽头再反方向移动
4=>3=>2=>1>1=>5

循环扫描算法

只能往一个方向读取
4=>5=>1=>1=>2=>3

六、计算机的高速缓存

CPU与主存的速度不匹配

缓存-主存层次

1. 高速缓存的工作原理

1.1 字与字块

字：是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合
字块：存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字

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例子：假设主存用户空间容量为4G，字块大小为4M，字长为32位，则对于字地址中的块地址m和块内地址b的位数，至少应该是多少？

$4G=4096M$
字块数： $4096 ÷ 4 = 1024$
字块地址m： $\log_21024 = 10$
块内字数： $4M \div 32bit = 1048576$
块内地址b： $log_21048576 = 20$
$≥ 10,b ≥ 20$

1.2 缓存

存储的逻辑结构类似
缓存的容量较小
缓存的速度更快

高速缓存

1.3 缓存的使用

CPU需要的数据在缓存里
CPU需要的数据不在缓存里
不在缓存的数据需要去主存拿

1.4 命中率

命中率是衡量缓存的重要性能指标
理论上CPU每次都能从高速缓存取数据的时候，命中率为1

访问主存次数： $N_m$
访问Cache次数： $N_c$
$h=\frac{N_c}{N_c+N_m}$

1.5 访问效率

访问效率： $e$
访问主存时间： $t_m$ 访问缓存时间： $t_c$
访问Cache-主存系统平均时间： $t_a=ht_c+(1-h)t_m$
$e=\frac{t_c}{t_a}=\frac{t_c}{ht_c+(1-h)t_m}$

例子：假设CPU在执行某段程序时，共访问了Cache命中2000次，访问主存50次，已知Cache的存取时间为50ns，主存的存取时间为200ns，求Cache-主存系统的命中率、访问效率和平均访问时间。

命中率： $h=\frac{N_c}{N_c+N_m}=\frac{2000}{2000+50}=0.97$
访问效率： $e=\frac{t_c}{t_a}=\frac{t_c}{ht_c+(1-h)h_m}=\frac{50}{0.97*50+(1-0.97)*200}=0.917=91.7\%$
平均访问时间： $0.97*50+(1-0.97)*200=54.5ns$

2. 高速缓存的替换策略

2.1 高速缓存替换的时机

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2.2 随机算法

2.3 先进先出算法（FIFO）

把高速缓存看做是一个先进先出的队列
优先替换最先进入队列的字块

FIFO

2.4 最不经常使用算法（LFU）

优先淘汰最不经常使用的字块
需要额外的空间记录字块的使用频率

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2.5 最近最少使用算法（LRU）

优先淘汰一段时间内没有使用的字块
有多种实现方法，一般使用双向链表
把当前访问节点置于链表前面（保证链表头部节点是最近使用的）

LRU

七、计算机的指令系统

1. 机器指令的形式

1.1 机器指令

机器指令主要由两部分组成：操作码、地址码

机器指令

操作码指明指令所要完成的操作
操作码的位数反映了机器的操作种类
地址码直接给出操作数或者操作数的地址
分三地址指令、二地址指令和一地址指令

三地址指令

二地址指令

一地址指令

1.2 零地址指令

在机器指令中无地址码
空操作、停机操作、中断返回操作等

2. 机器指令的操作类型

2.1 数据传输

寄存器之间、寄存器与存储单元、存储单元之间传送
数据读写、交换地址数据、清零置一等操作

2.2 算术逻辑操作

操作数之间的加减乘除运算
操作数的与或非等逻辑位运算

2.3 机器指令的操作类型

数据左移（乘2）、数据右移（除2）
完成数据在算术逻辑单元的必要操作

2.4 控制指令

等待指令、停机指令、空操作指令、中断指令等

3. 机器指令的寻址方式

3.1 指令寻址

顺序寻址
跳跃寻址

跳跃寻址

3.2 数据寻址

立即寻址

指令直接获得操作数
无需访问存储器

立即寻址

直接寻址

直接给出操作数在主存的地址
寻找操作数简单，无需计算数据地址

直接寻址

间接寻址

指令地址码给出的是操作数地址的地址
需要访问一次或多次主存来获取操作数

间接寻址

寻址方式	优点	缺点
立即寻址	速度快	地址码位数限制操作数寻址范围
直接寻址	寻找操作数简单	地址码位数限制操作数寻址范围
间接寻址	操作数寻址范围大	速度较慢

八、计算机的控制器

控制器是协调和控制计算机运行的

控制器

1. 程序计数器

程序计数器用来存储下一条指令的地址
循环从程序计数器中拿出指令
当指令被拿出时，指向下一条指令

2. 时序发生器

电气工程领域，用于发送时序脉冲
CPU依据不同的时序脉冲有节奏的进行工作

3. 指令译码器

指令译码器是控制器的主要部件之一
计算机指令由操作码和地址码组成
翻译操作码对应的操作以及控制传输地址码对应的数据

4. 指令寄存器

指令寄存器也是控制器的主要部件之一
从主存或高速缓存取计算机指令

5. 主存地址寄存器

保存当前CPU正要访问的内存单元的地址

6. 主存数据寄存器

保存当前CPU正要读或写的主存数据

7. 通用寄存器

用于暂时存放或传送数据或指令
可保存ALU的运算中间结果
容量比一般专用寄存器要大

八、计算机的运算器

运算器是用来进行数据运算加工的

运算器

1. 数据缓冲器

分为输入缓冲和输出缓冲
输入缓冲暂时存放外设送过来的数据
输出缓冲暂时存放送往外设的数据

2. ALU

ALU：算术逻辑单元，是运算器的主要组成
常见的位运算（左右移、与或非等）
算术运算（加减乘除等）

ALU

3. 状态字寄存器

存放运算状态（条件码、进位、溢出、结果正负等）
存放运算控制信息（调试跟踪标记位、允许中断位等）

4. 通用寄存器

用于暂时存放或传送数据或指令
可保存ALU的运算中间结果
容量比一般专用寄存器要大

十、计算机指令执行的过程

1. 指令执行过程

指令执行过程

2. CPU的流水线设计

2.1 指令执行过程的问题

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2.2 CPU的流水线设计

类似工厂的装配线
工厂的装配线使得多个产品可以同时被加工
在同一个时刻，不同产品均位于不同的加工阶段

流水线设计

串行执行m条指令： $T_1=3t \times m$
流水线执行m条指令： $T_2=t \times (m+2)$
$H=\frac{T_2}{T_1}=\frac{t \times (m+2)}{3t \times m} = \frac{1}{3} + \frac{1}{3m}$

十一、习题

1.计算机的总线就像是计算机的“高速公路”，你是否可以说出总线主要的功能和分类？

总线可以分为：片内总线、系统总线，其中系统总线可以分为数据总线、地址总线、控制总线。

2.什么是总线标准，为什么需要总线标准，现在有哪些常见的总线标准？

总线标准是系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。总线标准有利于各模块高效使用总线。USB、PCIe等。

3.常说的“IO设备”，“I”、“O”分别是什么的缩写？

Input、Output，输入设备、输出设备。

4.常见的输入设备可以分为什么种类？

字符输入设备（键盘等）、图像输入设备（鼠标、数位板、扫描仪）。

5.常见的输出设备可以分为什么种类？

主要是图像输出设备（显示器），但在计算机远未普及的时候，显示器属于字符输出设备。

6.日常常见的计算机外设（显示器、键盘、鼠标、打印机），分别属于什么设备？

显示器、打印机属于输出设备，键盘、鼠标属于输入设备。

7.输入输出接口一般需要完成什么工作，可以把接口的线路分为什么线路？

数据线、状态线、命令线、地址线。

8.DMA的全称是什么？

DMA：Direct Memory Access，直接内存存取。

9.程序中断和DMA相比，有什么优劣？

程序中断和DMA都是计算机IO和低速设备的交互方式，程序中断方式实现简单，DMA方式效率更高。

10.你是否可以清晰的表述计算机存储器的层次结构？存储器的层次结构是为了解决什么问题的？

存储器的层次结构可以简单划分为：缓存-主存-辅存三个层次，缓存-主存主要是为了解决主存速度不够的问题；主存-辅存主要是为了解决主存容量不足的问题。

11.么是局部性原理，局部性原理对计算机存储系统的设计产生了什么影响？

局部性原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。

12.计算机存储系统的每一个层次分别有什么特点？

缓存：速度快、位价高；主存：速度适中、位价适中；辅存：速度慢、位价低。

13.计算机的辅助存储器一般是指计算机硬盘，你了解计算机磁盘的物理结构吗？

14.磁盘的调度算法有哪些？分别有什么特点？

先来先服务算法、最短寻道时间优先算法、扫描算法、循环扫描算法。

15.计算机的主存一般是指计算机内存，内存有什么特点？

主存容量比缓存大、比辅存小，访问速度比缓存慢，比辅存快，主存需要持续通电使用，停电时主存数据将会丢失。

16.请解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、ROM？

主存：主存储器，即常说的计算机内存条，辅存：辅助存储器，即常说的磁盘、U盘、光盘、磁带等，Cache：高速缓存，即常说的L1、L2、L3缓存，CPU寄存器等，RAM：随机存取存储器（英语：Random Access Memory，缩写：RAM），ROM：只读存储器（Read Only Memory，缩写：ROM）。

17.什么是字？什么是字块？

字是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合；字块是指存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字。

18.计算机的高速缓存一般是指Cache，Cache一般位于计算机的什么硬件设备上？

在CPU上。

19.一般使用什么指标去评估主存-高速缓存的性能？

命中率。

20.命中率是怎么定义的？

访问主存次数： $N_m$
访问Cache次数： $N_c$
$h=\frac{N_c}{N_c+N_m}$

21.访问效率是怎么定义的？
访问效率： $e$
访问主存时间： $t_m$ 访问缓存时间： $t_c$
访问Cache-主存系统平均时间： $t_a=ht_c+(1-h)t_m$
$e=\frac{t_c}{t_a}=\frac{t_c}{ht_c+(1-h)t_m}$

22.假设CPU执行某段程序共计访问Cache命中4800次，访问主存200次，已知Cache的存取周期是30ns，主存的存取周期是150ns，求Cache-主存系统的平均访问时间和效率，试问该系统的性能提高了多少？

平均访问时间：(480030+150200)/5000=34.8ns，命中率：4800/5000100%=96%，访问效率e：30/34.8100%=86.2%，性能提升：(150-34.8)/150*100%=76.8%。

23.请描述LFU、LRU、FIFO缓存置换算法的过程。

24.计算机的指令一般由操作码和地址码组成，那么计算机指令可以分类为几种类型？

移位操作指令、数据传输指令、控制指令、算术逻辑操作指令。

25.对计算机指令数据的寻址有哪几种方式？

立即寻址、直接寻址、间接寻址。

26.计算机的运算器主要由什么组成？控制器呢？

控制器主要由：程序计数器、时序发生器、指令译码器、寄存器、总线组成。运算器主要由：数据缓冲器、ALU、寄存器、状态字寄存器、总线组成。

27.请简述计算机指令的执行过程。

计算机组成原理之组成篇

一 、章节导学

1. 冯诺依曼机

2. 计算机硬件

3. 主要内容

二、 计算机的总线

1. 总线的概述

1.1 总线的概述（是什么、什么用）

1.2 总线的分类

片内总线：高集成度芯片内部的信息传输线

系统总线

2. 总线的仲裁

2.1 为什么需要总线的仲裁

2.2 总线仲裁的方法（为了解决总线使用权的冲突问题）

链式查询

计时器定时查询

独立请求

三、计算机的输入输出设备

1. 常见的输入输出设备

1.1 字符输入设备

1.2 图像输入设备

1.3 图像输出设备

2. 输入输出接口的通用设计

2.1 要考虑的内容

2.2 设计

数据线

状态线

命令线

设备选择线

3. CPU与IO设备的通信（CPU速度与IO设备速度不一致）

3.1 程序中断

3.2 DMA（直接存储器访问）

应用

四、计算机存储器的概览

1. 存储器的分类

1.1 按存储介质分类

半导体存储器

磁存储器

1.2 按存取方式分类

随机存储器（RAM）

串行存储器

只读存储器（ROM）

2. 存取器器的层次结构

2.1 需要考虑的因素

2.2 希望的结果

2.3 层次结构

原理：局部性原理

五、计算机的主存储器与辅助存储器

1. 主存储器——内存

2. 辅助存储器——磁盘

2.1 磁盘

2.2 磁盘调度算法

先来先服务算法

最短寻道时间优先

扫描算法（电梯算法）

循环扫描算法

六、计算机的高速缓存

1. 高速缓存的工作原理

1.1 字与字块

1.2 缓存

1.3 缓存的使用

1.4 命中率

1.5 访问效率

2. 高速缓存的替换策略

2.1 高速缓存替换的时机

2.2 随机算法

2.3 先进先出算法（FIFO）

2.4 最不经常使用算法（LFU）

2.5 最近最少使用算法（LRU）

七、计算机的指令系统

1. 机器指令的形式

1.1 机器指令

1.2 零地址指令

2. 机器指令的操作类型

2.1 数据传输

2.2 算术逻辑操作

2.3 机器指令的操作类型

2.4 控制指令

3. 机器指令的寻址方式

3.1 指令寻址

一、章节导学

二、计算机的总线