1计算机组成结构

计算机组成结构

CPU(中央处理单元)

前景知识

计算机硬件系统组成：

• 运算器
• 控制器
• 存储器
• 输入设备
• 输出设备

cup的功能

获取指令 -> 译码指令->执行指令

控制器：

1. 程序控制：控制程序的执行顺序。

2. 操作控制：控制相应的部件完成操作

3. 时间控制：cpu对操作进行时间上的控制

运算器

4. 数据处理：对数据进行算数运算或者逻辑运算进行加工。

运算器

算数逻辑单元（ALU）：对数据进行算数运算和逻辑运算。

累加寄存器(AC)：提供给算数逻辑单元操作的空间。

数据缓存寄存器(DR):CPU、内部设备、外部设备的总转站。

条件状态寄存器（PSW）：标志进位，错误...状态。

控制器

保证程序的正常执行，并且可以处理异常。

指令 = 操作码 + 地址码 例如 2+(操作码)3(地址码)

指令寄存器（IR）：暂存指令。

指令译码器（Id）：翻译操作码。发出具体控制信号。

地址寄存器（AR）:保存当前cpu访问的地址单元。解决cpu快内存慢。

程序计数器（PC）:保存下个指令的地址。

*进制转换

原码

二进制码

范围

128个数 0 - 127来表示

127 = 0 111 1111

-127=1 111 1111

反码

二进制取反

127 = 0 111 1111

-127=1 111 1111

*补码

补码 求原码 = 补码求补码

正： 0 - 127

负： -1 - 128

*浮点数

小数点可以浮动的数 $2.33 * 10 ^ 3$ = $0.233 * 10 ^ 4$

小阶对大阶 位数左移

奇 偶 奇

最小负数的阶符一定是奇数 最大正数的第一个二的阶数为偶数 第二个二的阶数为奇数

*寻址

1. 立即寻址：操作数包含在指令中 指令 = 1+2
2. 寄存器寻址：操作数在寄存器中 指令中给出存放操作数的寄存器名。R1+R2 [寄存器R1 1] [寄存器R2 1]
3. 直接寻址：操作数在内存中。指令 = 0 x 11 + 0 x 22
4. 寄存器间接寻址：指令中是寄存器的地址 寄存器中放操作数。 又去寄存器 又去内存。
5. 间接寻址：指令中给出操作数地址的地址 相当于访问内存两次。

*校验码

校验数据传送过程中错码

奇偶校验码

就是用奇数个1或者偶数个1来校验数据是否传输错误

奇校验:

奇偶校验码只能校验奇数位出错，

符号位 0 0 1 0 ---数据传输---> 0 1 0 0 (2个位置出错无法检测)

​ 1 1 1 0---数据传输---> 1 1 1 1 (一个位置出错可以检验)

码距

符号位(偶)
0	1	0	0
1	1	1	0
1	0	1(异或 不同为1)	0

1 + 0 + 1 + 0 = 2 =>码距为 2

海明码

码距 = 2 检错

码距 >= 3 海明码可以 检错+纠错

n数据位 k校验位

$2^k - 1 >= n + k $

循环冗余校验码

1. k个数据位+r个校验位。
2. 模除2。
3. 只能检错，码距 = 2。

*RISC和CISC

RISC

1. 硬布线
2. 寄存器多
3. 支持流水线

*流水线

顺序执行

设备利用率低

I 输入

c 计算

o 输出

i= 0.1 c = 0.3 o=0.2 执行100条 =>总时间为 （0.1+0.3+0.2）* 100

流水线

利用率高

执行时间

i= 0.1 c = 0.3 o=0.2 执行100条 =>总时间为 （0.1+0.3+0.2）+ 99 * (0.3 最长的)

加速比

$不使用流水线的总时间/使用流水线的总时间$

操作周期：max(i,c,o)

吞吐率：最长时间段的倒数

执行n条指令的吞吐率：$n/流水线的执行时间$

*存储器

按照工作方式分类

读写存储器（Read Access Memory）:可读可写。

只读存储器：

1. 固定只读存储器（ROM Read Only Memory）
2. 可编程的存储器（Progammable Read Only Memory）:由用户一次性写入，不可修改。
3. 可擦除 可编程 的只读存储器（Erasble P R O M）:可以写入 可以修改 修改前要用紫外线照15-20min，再由特殊设别写入。
4. 电擦除可编程的只读存储器（Electrically Erasble P R O M）：用电擦除的方式。
5. 闪速存储器(Flash Memory):介于Eprom和Eeprom之间的存储器，可以电擦除。
   1. 以块为单位。
   2. 断电信息不丢失。
   3. 可以代替Rom,不可以代替内存（DRAM）

按内容的存储器----相联存储器

按寻址方式分类

1. 直接存储
2. 按顺序存储
3. 随机存储

虚拟存储器 ---- 主存+辅存

局部性

空间局部性：cpu访问内存的一个单元后，可能会访问旁边的单元。

时间局部性：对一个单元再一段时间内再次使用。

缓存

介于cpu和内存中间，cup先去访问缓存，缓存中没有就去内存中拿，拿到后复制副本到chche中。

替换算法

chche中存满了，需要拿一部分数据替换，纠错就出现了替换算法。

1. 随机替换算法
2. 先进先出算法
3. 近期使用最少算法
4. 优化替换算法

地址映像

1. 直接映像（内存的分区块和chche的块映射对应，冲突大）
   1. 
2. 全相联映像（允许主存的任意一块映射到chche中的空闲区域，冲突小）
3. 组相联映像(内存和cache都分块，每个块互相映射 但是内存块中的单元允许映射到chche块中的任意空闲位置 冲突较少)

中断

计算机在执行程序中，遇到了紧急处理的事件时，赞停正在运行的程序，转去执行有关 的程序，处理完成后返回源程序，这个过程称为中断。

断点：中断向量（提供中断服务程序的入口地址）

中断响应事件：发出中断请求开始 到 进入中断服务程序。

保存现场：（TODO） 堆栈的方式保存。

输入输出（I/O）控制方式

1.程序查询方式

1. 一次只能读一个字
2. cpu和I/o设备只能串行工作做轮询检查，检查状态，cpu处于忙(检查状态)等(等待I/O读取) 状态，cpu利用率低。
3. cpu写入数据到存储器。

2.中断驱动方式

1. cup和i/o可以并行
2. i/o设备通过中断告诉cpu我读取完成，需要你来判断状态。判断完成cpu继续去到其他程序，cpu利用率高。
3. 由cpu将数据放入主存。

3.直接存储器方式（DMA）

1. 一次读取一块。
2. cpu和i/o并行。
3. 块读取完成中断告诉cpu。
4. 由外设直接放入内存。

总线

分类

1. 数据总线
2. 地址总线
3. 控制总线

*加密技术以及认证技术

窃听：偷听消息 加密

篡改：修改消息 摘要

假冒：冒充他人 数字签名

否认：我没收到你的消息 数字签名

加密

对称加密

加密解密 相同的密钥 只有一把密钥。

优点：

加密解密速度快，适合大量明文加密。

缺点

密钥分发缺陷：密钥容易被窃取。

非对称加密

用公钥加密必须用私钥解密 反之亦然。

公钥 (所有人知道)

私钥(自己知道)

用接受方的公钥加密

优点

安全

缺点

速度慢

混合加密

解决非对称加密的缺陷

用对称密钥加密明文，把明文和对称密钥再次用接收方的公钥加密。

认证技术

摘要

防止篡改

发送方：把信息提取出来摘要，使用hash算法生成哈希码，和密文一起发送过去。

接收方：收到密文，解密后得到摘要继续hash得到哈希码。把当前的哈希码和发送来的哈希码对比，即可知道是否被篡改。

数字签名

假冒 否认

发送方：用自己的私钥进行签名，和密文摘要一起发送。

接受方：用对方的公钥解密，看看数字签名是否一直。

数字证书

加密算法

可靠性分析

串联系统

R = R1 * R2 * ....*RN

并联系统

R = 1-(1-R1)(1-R2)(1-R3)...(1-Rn)