计算机组成原理之组成
计算机的总线
总线的概述
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提供了对外连接的接口
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不同设备可以通过USB接口进行连接
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连接的标准，促使外围设备接口的统一
没有总线如下，连接复杂，不好扩展
有总线
总线的分类
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片内总线
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系统总线
片内总线
高集成度芯片内部的信息传输线
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芯片内部的总线
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寄存器与寄存器之间
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寄存器与控制器、运算器之间
系统总线
CPU、主内存、IO设备、各组件之间的信息传输线
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数据总线
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地址总线
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控制总线
数据总线
一般与CPU位数相同（32位、64位）
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双向传输各个部件的数据信息
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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
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指定源数据或目的数据在内存中的地址
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地址总线的位数与存储单元有关
控制总线
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控制总线是用来发出各种控制信号的传输线
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控制信号经由控制总线从一个组件发给另外一个组件
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控制总线可以监视不同组件之间的状态（就绪/未就绪）
总线的仲裁
作用：为了解决总线使用权的冲突问题
总线的仲裁方法
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链式查询
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计时器定时查询
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独立请求
链式查询
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好处：电路复杂度低，仲裁方式简单
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坏处：优先级低的设备难以获得总线使用权
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坏处：对电路故障敏感
1拥有优先使用权
计时器定时查询
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仲裁控制器对设备编号并使用计数器累计计数
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接收到仲裁信号后，往所有设备发出计数值
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计数值与设备编号一致则获得总线使用权
独立请求
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每个设备均有总线独立连接仲裁器
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设备可单独向仲裁器发送请求和接收请求
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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
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
计算机的输入输出设备
输入输出接口的通用设计
输入输出接口的通用设计
数据线
状态线
命令线
设备选择线
数据线
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是I/O设备与主机之间进行数据交换的传送线
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单向传输数据线
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双向传输数据线
状态线
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IO设备状态向主机报告的信号线
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查询设备是否已经正常连接并就绪
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查询设备是否已经被占用
命令线
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CPU向设备发送命令的信号线
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发送读写信号
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发送启动停止信号
设备选择线
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主机选择I/O设备进行操作的信号线
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对连在总线上的设备进行选择
CPU与IO设备的通信
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程序中断
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DMA（直接存储器访问）
CPU速度与IO设备速度不一致
程序中断
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当外围IO设备就绪时，向CPU发出中断信号
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CPU有专门的电路响应中断信号
DMA（直接存储器访问）
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DMA直接连接主存与IO设备
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DMA工作时不需要CPU的参与
计算机存储器
缓存-主存层次
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原理：局部性原理
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实现：在CPU与主存之间增加一层速度快（容量小）的Cache
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目的：解决主存速度不足的问题
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。
计算机的主存储器与辅助存储器
主存储器——内存
辅助存储器——磁盘
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
辅助存储器——磁盘
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表面是可磁化的硬磁特性材料
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移动磁头径向运动读取磁道信息
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先来先服务算法
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最短寻道时间优先
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扫描算法（电梯算法）
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循环扫描算法
先来先服务算法
- 按顺序访问进程的磁道读写需求
最短寻道时间优先算法
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与磁头当前位置有关
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优先访问离磁头最近的磁道
扫描算法（电梯算法）
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每次只往一个方向移动
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到达一个方向需要服务的尽头再反方向移动
计算机的高速缓存
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？
命中率
高速缓存的工作原理
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
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。
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。
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。
高速缓存的替换策略
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随机算法
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先进先出算法(FIFO)
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最不经常使用算法(LFU)
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最近最少使用算法(LRU)
先进先出算法(FIFO)
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把高速缓存看做是一个先进先出的队列
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优先替换最先进入队列的字块
最不经常使用算法(LFU)
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优先淘汰最不经常使用的字块
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需要额外的空间记录字块的使用频率
最近最少使用算法(LRU)
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优先淘汰一段时间内没有使用的字块
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有多种实现方法，一般使用双向链表
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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）
计算机的指令系统
机器指令的形式
数据传输
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寄存器之间、寄存器与存储单元、存储单元之间传送
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数据读写、交换地址数据、清零置一等操作
算术逻辑操作
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操作数之间的加减乘除运算
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操作数的与或非等逻辑位运算
移位操作
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数据左移（乘2）、数据右移（除2）
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完成数据在算术逻辑单元的必要操作
控制指令
- 等待指令、停机指令、空操作指令、中断指令等
机器指令的寻址方式
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指令寻址
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数据寻址
计算机的控制器
程序计数器
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程序计数器用来存储下一条指令的地址
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循环从程序计数器中拿出指令
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当指令被拿出时，指向下一条指令
时序发生器
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电气工程领域，用于发送时序脉冲
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CPU依据不同的时序脉冲有节奏的进行工作
指令译码器
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指令译码器是控制器的主要部件之一
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计算机指令由操作码和地址码组成
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翻译操作码对应的操作以及控制传输地址码对应的数据
指令寄存器
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指令寄存器也是控制器的主要部件之一
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从主存或高速缓存取计算机指令
主存地址寄存器
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保存当前CPU正要访问的内存单元的地址
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保存当前CPU正要读或写的主存数据
通用寄存器
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用于暂时存放或传送数据或指令
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可保存ALU的运算中间结果
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容量比一般专用寄存器要大
计算机的运算器
数据缓冲器
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分为输入缓冲和输出缓冲
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输入缓冲暂时存放外设送过来的数据
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输出缓冲暂时存放送往外设的数据
ALU
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ALU：算术逻辑单元，是运算器的主要组成
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常见的位运算（左右移、与或非等）
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算术运算（加减乘除等）
状态字寄存器
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存放运算状态（条件码、进位、溢出、结果正负等）
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存放运算控制信息（调试跟踪标记位、允许中断位等）
通用寄存器
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用于暂时存放或传送数据或指令
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可保存ALU的运算中间结果
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容量比一般专用寄存器要大
计算机指令的执行过程
指令执行过程
CPU的流水线设计
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类似工厂的装配线
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工厂的装配线使得多个产品可以同时被加工
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在同一个时刻，不同产品均位于不同的加工阶段
计算机的异构计算设备
图像处理器(GPU)
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又称显示核心、视觉处理器、显示芯片
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擅长执行复杂的数学和几何计算
Intel
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主要是集成显卡，配合自家的CPU
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占据GPU市场的60%以上
Nvidia
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世界上最大的独立显卡厂商
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Geforce系列、Quadro系列、Tesla系列
AMD
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自AMD收购ATI后，市场进一步扩大
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世界上第二大的独立显卡厂商
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是常见游戏机Xbox、PS4等的GPU厂商
