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计算机体系结构

冯·诺依曼体系结构

组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

控制器主要组成部件

程序计数器pc：存放吓一条指令的地址

指令寄存器IR：存放当前正在执行的指令

指令译码器ID：分析指令中的操作码

地址寄存器AR：保存当前CPU所访问的内存单元的地址

时序部件：控制各部件之间有序协调

运算器主要组成部件

算术逻辑单元ALU：执行算术和逻辑运算

累加寄存器AC：暂时存放运算的中间结果

数据缓冲寄存器：存放一条指令或数据

状态条件寄存器：保存运算中的各种标志位信息

多路转换器：对送入加法器的数据进行选择和控制的电路

运算器和控制器是中央处理器CPU的两大核心部件

简记口诀：程序指令守时时控制、数据累加计算是运算、累加靠谱存结果、程序计数候指令

存储器

存储器可分为主存储器（简称主存或内存）和辅助存储器（简称辅存或外存）两大类，和cpu直接交换信息的是主存

1. 主存储器

• 其作用是存放指令和数据，并能由cpu直接随机存取

• CPU和主存储构成主机

2. 辅助存储器

• 用于存放一些需要长期保存的程序或数据，断电后也不会丢失，容量比较大，但存取速度慢

• 输入设备

用于向计算机输入数据和信息的设备，是计算机与用户或其他设备通信的桥梁，如键盘，鼠标，摄像头，扫描仪等都属于输入设备

• 输出设备

1. 用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。常见的输出设备有显示器、打印机等

2. 统称为输入输出设备，或i/o设备

计算机总线

是计算机各种功能部件之间传送的公共通信干线

• 计算机总线的分类

1. 按照计算机所传输的信息总类，计算机的总线可分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号

数据总线宽度：指cpu中运算器与存储器之间互连的内部总线根数，也指cpu一次读取的二进制位数，同时也说明字长

地址总线的宽度就是cpu寻址范围，若地址总线为n位，则可寻址空间位2的n次方

1byte（比特）=8bit（字节）

1024bit=1kb

k→M→G（1024）

2.按照数据传输方法的不同，计算机总线可以并行总线和串行总线

• 常见的串行总线和并行总线有：

串行总线：12c、USB、RS232、SPI、SATA、SAS（串行SCSI）
并行总线：PCI总线、STD、IEEE488总线、SCSI

指令系统

• 指令的组成：操作码+地址码（操作码+操作数）
  操作码：指明该指令要完成的操作，如取数、做加法或输出数据等
  地址码：指名操作数的内容或所在的存储单元地址

寻址方式

指获得操作数的方法。在指令系统中可采用多种寻址方式，用以实现扩大寻址空间并提高编程灵活性的目的

1. 立即寻址
2. 直接寻址
3. 寄存器寻址
4. 寄存器间接寻址

指令系统类型

两种指令集系统

流水线技术

取指→分析→执行

• 流水线技术指标

1. 吞吐率：单位时间内流水线完成的任务数量，TP=n/Tk

• n表示指令数，TK表示处理n条指令所需的时间
• 理论上最大吞吐率是：1/流水线周期

2. 加速比：不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间比即为加速比，S=Ts/Tk
3. 效率：流水线的设备利用率称为流水线效率（采用流水线你完成n个任务占用的时空区域有效面积与所占区域总面积之比）

• 各段流水时间相同，就越能提升流水线的性能

相关术语

• 时钟周期：计算机中最基本的、最小的时间单位（cpu完成一个最基本的动作所花费的时间）
• CPI：平均指令周期数，表示平均每条计算机指令执行所需的时钟周期
• MIPS：表示每秒处理百万级的机器语言指令数

存储系统

多级存储结构

• 采用多级存储结构的目的：解决存储容量、成本和速度之间的矛盾问题

cache缓存-主存层次和主存-辅存层次

多级存储的速度/容量/目的

主存

• 主存储器
  简称主存，其作用是存放指令和数据，并能由中央处理器（cpu）直接随机存取主要由随机存储器RAM和只读存储器ROM组成，主要为DRAM

• flash闪存的特点
  flash闪存：可读可写，掉电不丢失，属于非易失性存储器，以块为单位进行擦除和重写，可以代替ROM，但不能代替RAM和主存

主存容量

• 采用随机存取方式存储，需对每个存储单元进行编址。而存储单元通常以word（字或字节）为单位进行标识，即每个字一个地址编号。
• 地址编号通常采用16进制表示
  主存容量=存储单元的个数*存储单元的容量
• 表示存储容量的相关单位

• 存储芯片片数=主存总容量/单个存储芯片容量

cache

cache高速缓存寄存器是位于cpu和主存之间，容量较小，但速度很高的存储器，通常由SRAM组成

• cache利用局部性原理，将主存中可能被访问的内容调入速度更快的cache中，以解决cpu和主存之间速度不匹配的问题，进而提升计算机性能
• cache的作用：解决cpu和主存之间速度不匹配的问题
• 主存与cache之间的地址映射：由硬件自动完成

硬盘

• 磁盘：是计算机主要的存储介质，可以存储大量的二进制数据，且断电不丢失。硬盘属于磁盘的一种。
• 按照接口分类有
  SATA、SCSI、SAS、FC等
• 按照硬盘材质分类

1. HDD：传统硬盘，即机械硬盘
2. SSD：固态硬盘