計算機組成原理——組成篇

1、總線的作用及概述

解決設備間通訊問題，

總線是為了解決不同設備之間的通信問題，

總線可以連接CPU和IO設備，

2、總線分類：片內總線、系統總線

片內總線：連接CPU內部高速快取、暫存器、運算單元的總線；

系統總線：資料總線、地址總線、控制總線

資料總線：雙向傳輸各個部件的資料資訊;資料總線的位數（總線寬度）是資料總線的重要引數（一般于CPU位數相同）

總線如果是32位 則一次可傳遞4個位元組的資料 總線如果是64位 則一次可傳遞8個位元組的資料

地址總線：指定源資料或目的資料在記憶體中的地址;地址總線的位數和存盤單元相關

（地址總線的位數=n，尋址范圍0～2^n-1）

控制總線：控制總線是用來發出各種控制信號的傳輸線;

控制信號經由控制總線從一個組件發給另一個組件;

控制組件可以監視不同組件之間的狀態（就緒/未就緒）;

3、總線的總裁：為了解決總線使用權的沖突問題，

仲裁方法有三種，（鏈式查詢、計時器定時查詢、獨立請求）

為了解決各設備之間的總線使用權問題；

鏈式查詢：各個設備與仲裁器串聯，當有設備申請總線使用權時，仲裁器發出使用許可，總是按照設備優先順序接收到信號，導致優先級高的設備總是能先獲取到使用權，

鏈式查詢的優缺點：

好處：電路復雜度低，總裁方式簡單

壞處：優先級低的設備難以獲得總線使用權

壞處：對電腦故障敏感

計時器定時查詢：仲裁控制器對設備標號并使用計數器累計計數，其次當控制器接收到仲裁信號后，往所有設備發出計數值，計數值與設備編號保持一致時會優先獲得使用權，

計時器查詢的作業程序：設備主要是通過設備地址與計數器進行對比的，課程使用計數器是為了方便理解，可以理解為設備有一個唯一的設備地址，將設備地址的值與計數器比較，如果一致的話，才會得到總線使用權，

獨立請求：每個設備均有縱線獨立連接仲裁器，可獨立向仲裁器發送和接受請求，同時接到多個請求信號時，仲裁器有權按優先級分配使用權，

獨立請求的優缺點：

好處：回應速度快，優先順序可動態改變

壞處：設備連接多，總線控制復雜

計算機的輸入輸出設備

常見的輸入輸出設備：

字符輸入設備：鍵盤（薄膜鍵盤，機械鍵盤），

影像輸入設備：滑鼠；數位板；掃描儀，

影像輸出設備：顯示幕（CRT顯示幕、液晶顯示幕）；列印機；投影儀，

輸入輸出介面的通用設計：

資料線：IO設備與主機之間進行資料交換的傳送線（單向，雙向），

狀態線：IO設備狀態向主機報告的信號線（是否正常連接；是否被占用），

命令線：CPU向設備發送命令的信號線（發送讀寫信號；發送啟動停止信號），

設備選擇線：主機選擇IO設備進行操作的信號線，（對連在設備總線上進行選擇）

CPU與IO設備的通信方法（程式中斷、DMA）：

前提：CPU速度和IO設備速度不一致

程式中斷：外圍設備就緒時，向CPU發出中斷，專門電路相應中斷信號，

提供低速設備通知CPU的一種異步的方式、CPU可以高速的運轉同時兼顧低速設備的回應

第一種方法如果頻繁打斷CPU的作業，會降低其效率，

因此產生了第二種方法，DMA 直接存盤器訪問方法：

DMA：DMA(Direct Memory Access,直接存盤器訪問)，對于沒有DMA的情況，CPU可能需要被IO設備頻繁打斷，并且由CPU進行IO設備快取與主存之間的資料拷貝，占用大量的CPU時間，對于有DMA的情況，當IO設備準備完成以后，會先通知CPU，然后后續的資料傳輸由DMA協助就可以完成，不再需要CPU的參與，

DMA的出現就是為了解決批量資料的輸入/輸出問題，DMA是指外部設備不通過CPU而直接與系統記憶體交換資料的介面技術，這樣資料的傳送速度就取決于存盤器和外設的作業速度，

通常系統總線是由CPU管理的，在ＤＭＡ方式時，就希望CPU把這些總線讓出來，即CPU連到這些總線上的線處于第三態(高阻狀態)，而由DMA控制器接管，控制傳送的位元組數，判斷DMA是否結束，以及發出DMA結束信號，

因此DMA控制器必須有以下功能:

1、    能向CPU發出系統保持(HOLD)信號，提出總線接管請求；

2、    當CPU發出允許接管信號后，負責對總線的控制，進入DMA方式;

3、    能對存盤器尋址及能修改地址指標，實作對記憶體的讀寫；

4、    能決定本次DMA傳送的位元組數，判斷DMA傳送是否借宿，

5、    發出DMA結束信號，使CPU恢復正常作業

計算機儲存器概述

存盤器的分類

按存盤介質分類

• 半導體存盤器：記憶體、u盤、固態硬碟等
• 磁存盤器：磁帶、磁盤等

按存取方式分類

• 隨機存盤器（RAM）：隨機讀取、與位置無關
• 串存盤器： 與位置有關、按順序查找
• 只讀存盤器（ROM）：只讀不寫

存盤器的層次結構

讀寫速度

存盤容量

價格

容量+價格=>位價：每位元位價格

快取：速度快 位價高

主存：速度適中 位價適中

輔存：速度慢 位價低

快取-主存層次

原理：區域性原理

    CPU訪問存盤器時，無論是存取指令還是存取資料，所訪問的存盤單元都是趨于聚集在一個較小的連續區域中

實作：在CPU與主存之間增加一層速度快容量小的快取

目的：解決主存速度不足的問題

主存-輔存層次

原理：區域性的原理

實作：主存之外增加輔助存盤器（磁盤、SD卡、U盤等）

目的：解決主存容量不足的問題

計算機的主存盤器與副存盤

主存盤器——記憶體RAM（隨機存盤器）

作業原理：RAM，（隨機存盤器；Random Access Memory）通過電容存盤資料，必須每隔一段時間重繪一次，如果斷電，那么一段時間后將丟失所有資料，

記憶體與CPU的互動：

作業系統位數與記憶體大小關系

首先，2是從位元位來的，一個位元位可以表示0和1，

那么，對于32位地址，就有2^32次方的尋址范圍可以表示，換算成數值就是4*2^30次方，指的是尋址范圍，每個地址按字尋址是1byte，所以總的程序就是4 * 1024 * 1024 * 1024 * 1Byte = 4G，

32位CPU的意思是，一次CPU尋址，可以尋址32個位元位長度的地址，也就是最多2^32個資料地址，這里面，對于每個地址，尋址資料大小是一個位元組1Byte，可以得到4G的結果；因此，對于32位CPU，安裝超過4G的物理記憶體，都是浪費的，

輔助存盤器——磁盤

作業原理：表面是可磁化的硬磁特性材料，移動磁頭徑向運動讀取磁道資訊，

磁盤內容讀取主要演算法

• 先來先服務演算法
• 最短尋道時間優先
• 掃描演算法（電梯演算法）
• 回圈掃描演算法

例題：假如磁盤最外圈磁道為1，最內圈磁道為5，磁頭現在在4磁道，且磁頭移動向外，求不同尋道演算法的磁頭移動順序，假設磁頭需要讀取的順序為142315.

先來先服務演算法（FCFS）：按順序訪問行程的磁道讀寫需求，讀取順序為142315.

最短尋道時間優先演算法（SSTF）：與磁頭當前位置有關，優先訪問離磁頭最近的磁道，讀取順序為452311

掃描演算法（電梯演算法/SCAN）：每次只往一個方向移動，到達一個方向的盡頭后反方向移動，讀取順序為432115

回圈掃描演算法（C-SCAN）：只往一個方向移動，讀取順序為451123

計算機的高速快取

高速快取的作業原理

前提知識之主存存取資料的方法：

1. 字：指存放在一個存盤單元中的二進制代碼組合

2. 字塊：存盤在連續的存盤單元中而被看作是一個單元的一組字

例題：假設主存用戶空間容量為4G,字塊大小為4M,字長為32位，則對于字地址中的塊地址m和塊內地址b的位數，至少應該是多少?

解： 

高速快取的內部存盤結構與主存的邏輯結構非常類似，緩沖容量較小，緩沖的速度更快

CPU可以從高速快取和主存中獲取資料，前者的效率比后者高，

命中率：

• 命中率是衡量快取的重要性能指標
• 理論上CPU每次都能從高速快取存取資料時候，命中率為1

例題：

假設CPU在執行某段程式時，共訪問了Cache命中2000次，訪問主存50次，已知Cache的存取時間為50ns,主存的存取時間為200ns，求Cache-主存系統的命中率、訪問效率和平均訪問時間，

解：命中率、訪問效率、平均訪問時間分別是0.97、91.7%、54.5ns

高速緩沖的替換策略

替換時機：高速快取內沒有需要運行的資料，就會從主存內拿資料，

替換演算法：隨機演算法、先進先出演算法（FIFO）、最不經常使用演算法（LFU）、最近最少使用演算法（LRU）

• 隨機演算法（RAND）：每一次需要發生替換，隨機選取一個高速快取的位置，然后把相關的內容替換掉
• 先進先出演算法（FIFO）：把高速快取看做是一個先進先出的佇列，優先替換最先進入的字塊

• 最不經常使用演算法（LFU）：優先淘汰掉最不經常使用的字快，需要額外的空間記錄字塊的使用頻率

• 最近最少使用演算法（LRU）：優先淘汰一段時間內沒有使用的字塊;有多種實作方法，一般是用雙向串列;把當前訪問節點置與鏈表前面（保證鏈表頭部節點是最近使用的）

計算機的指令系統

機器指令的形式

機器指令主要由兩部分組成:操作碼.地址碼

操作碼:操作碼指明指令所要完成的操作;操作碼的位數反映了機器的操作種類(比如有8位,那么就是2^8 = 256種操作)

地址碼:直接給出運算元或者運算元的地址;分三地址指令、二地址指令和一地址指令、零地址指令

三地址指令：   

二地址指令：

一地址指令： 

零地址指令：

機器指令的操作型別（資料傳輸、算數邏輯操作、位移操作、控制指令）

1.         資料傳輸

• 暫存器之間、暫存器與存盤單元、存盤單元之間的傳送（存盤單元可以是主存，高速快取，硬碟等等...）
• 資料讀寫、交換地址資料、清零置一等操作

2.         算數邏輯操作

• 運算元之間的加減乘除的運算
• 運算元的與或非等邏輯位運算

3.         位移操作

• 資料左移（乘2）、資料右移（除2）
• 完成資料在算術邏輯單元的必要操作

4.         控制指令

• 等待、停機、空操作、中斷等

機器指令的尋址方式（指令尋址、資料尋址）

指令尋址（順序尋址、跳躍尋址）

1.        順序尋址：通程序式計數器PC加1，自動形成下一條指令的地址

2.　　跳躍尋址：通過轉移指令實作，

資料尋址（立即尋址、直接尋址、間接尋址）

1.        立即尋址：機器指令內包含了操作的資料，無需訪問存盤器

2.        直接尋址：機器指令內包含了資料在記憶體中的地址，無需計算資料地址

3.        間接尋址:機器指令內包含了資料地址在記憶體的地址，通過記憶體地址找到真正的資料，需要訪問一次或多次主存來獲取運算元

資料尋址的優缺點

計算機的控制器

控制器是協調和控制計算機運行的

程式計數器：

1. 用來存盤下一條指令的地址
2. 回圈從程式計數器中拿出指令
3. 當指令被拿出時指向下一條指令

時序發生器：

1. 電氣工程領域，用于發送時序脈沖
2. CPU依據不同的時序脈沖有節奏的進行作業

指令譯碼器：

1. 是控制器的主要部件之一
2. 計算機指令有操作碼和地址碼組成
3. 翻譯操作碼對應的操作以及控制傳輸地址碼對應的資料

指令暫存器：

1. 也是控制器的主要部件之一
2. 從主存或高速快取取計算機指令

主存地址暫存器：

1. 保存當前CPU正要訪問的單元的地址

主存資料暫存器：

1. 保存當前CPU正要讀或寫的主存資料

通用暫存器：

1. 暫時存放或存送資料或指令
2. 可保存ALU的運算中間的結果
3. 容量比一般專業暫存器要大

計算機的運算器

運算器時用來進行資料運算加工的

資料快取器：

1. 分為輸入緩沖和輸出緩沖
2. 輸入緩沖暫時存放外設送過來的資料
3. 輸出緩沖暫時存放送往外設的資料

ALU：

1. ALU：算術邏輯單元，是運算器的主要組成
2. 常見的位運算（左右移、與、非）
3. 算術運算（加減乘除）

狀態字暫存器：

1. 存放運算狀態（條件碼、進位、溢位、結果正負等）
2. 存放運算控制資訊（除錯跟蹤標記位、允許中斷位等）

通用暫存器：

1. 用于暫時存放或傳送資料或指令
2. 可保存ALU的運算中間結果
3. 容量比一般專用暫存器要大

CPU指令執行的程序

由于是在cpu內執行的,所以涉及的設備有: 控制器(程式計數器,指令譯碼器,時序發生器,指令暫存器)

高速快取(資料快取器,指令快取器),運算器(通用暫存器,資料暫存器,狀態暫存器),他們是由片內總線連接的;

詳細程序是:

首先,系統operator(自己)呼叫系統功能的時候,會生成指令,和資料,然后它們快取入指令快取和資料快取中(例:資料快取有"地址"1,資料120;

指令快取有地址101,操作碼MOV,地址碼RO,R1),接著程式計數器會把指令快取中,指令的地址記錄下來(例:101), 指令會通過片內總線傳輸到指令暫存器(操作碼,地址碼),接著又從指令暫存器發送到指令譯碼器中,之后程式計數器會+1(例:變成102), 之后指令譯碼器譯碼完成(把匯編語言變成機器語言),之后其通過片內總線發送控制信號給運算器進行運算:

例如,把指令快取中,地址101,操作碼MOV,地址碼R0,R1的資料中的R1,加載到ALU(算數邏輯單元,是邏輯門),再通過片內總線的資料總線,傳入資料快取器,然后把R1資料覆寫掉R0,記錄運算狀態(狀態暫存器)并送出運算結果給UI至此,就完成了這條指令的操作,CPU會執行下一條指令(如果有發起操作)

CPU的流水線設計

執行程序中,控制器和運算器不能同時作業,所以CPU綜合利用率不高所以需要流水線設計

可以看到,非流水線情況,指令只能一條一條被執行,而流水線的情況,系統可以并發執行指令(不等前一條結束,后一條指令就可以執行),從而大大增加執行效率

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