【重学计算机】计算机组成原理

一、计算机系统概论

1. 冯诺依曼计算机组成

• 主机（cpu+内存），外设（输入设备+输出设备+外存），总线（地址总线+数据总线+控制总线）

2. 计算机层次结构

• 应用程序-高级语言-汇编语言-操作系统-指令集架构层-微代码层-硬件逻辑层

3. 计算机性能指标

• 非时间指标
  • 【字长】机器一次能处理的二进制位数 ，常见的有32位或64位
  • 【总线宽度】数据总线一次能并行处理的最大信息位数，一般指运算器与存储器之间的数据总线的位数
  • 【主存容量】主存的大小
  • 【存储带宽】单位时间内与主存交换的二进制位数 B/s
• 时间指标
  • 【主频f】时钟震荡的频率 Hz；【时钟周期T】时钟震荡一次的时间 t
  • 【外频】cpu与主板之间同步的时钟频率，系统总线的工作频率；【倍频】主频与外频的倍数 =主频/外频
  • 【CPI】clock cycles per instruction，执行一条指令需要的周期数（平均）
  • 【MIPS】million instructions per second，每秒执行的指令总条数 MIPS= f / CPI （忽略单位）

二、数据表示

1. 基本概念

• 真值：+0101，-0100
• 机器数： [x]原=0101

2. 几种机器数

• 原码：x = -0101，[x]原 = 1101
• 反码：x = -0101，[x]反 = 1010
• 补码：x = -0101，[x]补 = 1011
• 移码：x = -0101，[x]移 = 2^n + x = 0011

PS：这里说说对补码与移码自己的理解。补码是为了化减法为加法方便计算机设计运算，移码是为了方便比较大小，用在浮点数的阶码中。

补码——任何一个有模的系统中，减法都可以通过加其补码来表示。最简单的例子就是以12为模的钟表，比如现在是3点，那么-5个小时就等于+7个小时，都是10点。这里7就是5的补码。

移码——数据对应关系一次挪动一下位置，使得看起来小的数真值也小。比如原本0000表示0，现在表示-128，然后0001表示-127，一直到1111表示+127，这样就方便比较了。

3. 定点数与浮点数

定点数：小数点固定 x.xxxxxx，表示范围受限，忘掉它吧

浮点数：数的范围和精度分别表示。

　　一般格式 ：EEEE......EMMM.......M，E部分是阶码（数的范围i），M部分是尾数（数的精度）。缺点：阶码和尾数位数不固定，太灵活了

　　IEEE754格式：跟我背下来----

　　　　32位的是（单精度）：1位符号位S + 8位偏指数E + 23位有效尾数M，偏移值为127。

　　　　64位的是（双精度）：1位符号位S + 11位偏指数E + 52位有效尾数M，偏移值为1023。

　　　　真值就是（32位为例） N = (-1)^S * 2^(E-127) * 1.M

浮点数的特殊情况：

　　E=0,M=0：机器零

　　E=255,M=0：无穷大，对应于x/0

　　E=255,M!=0：非数值NaN，对应0/0

ps：附上一份IEEE754文档：https://files.cnblogs.com/files/flashsun/7542008-2008.pdf

4. 数据校验

• 基本原理：增加冗余码
• 码距：合法编码之间不同二进制位数的最小值
• 码距与检错、纠错能力：
  • 码距 d>=e+1：检查e个错误
  • 码距 d>=2t+1：纠正t个错误
  • 码距 d>=e+t+1：同时检查e个错误，并纠正t个错误。（e>=t）

PS：这里说下我的理解，增加码距就是增加非法编码的数量，看到非法编码就算检查出错误了，而非法编码距离哪个合法编码比较进就认为正确的应该是什么（简单理解，可参考下面的图），也就是可以纠正错误。这里看到过一个好的几何理解图，仔细品味下：

举个例子：比如一共有8位，码距为1则检查不出任何错误，因为所有编码都是合法编码。如果码距为2，那合法编码应该像 00000000，00000011，00001100，00001111这样，那如果出现00000001这样的非法编码就出错了，可检查一位错，但如果两位同时错了，则有可能又跳到另一个合法编码上了，就检查不出2位错。

那如果码距是3，那合法编码应该像 00000000，00000111，00111000，00111111 这样，那如果出现一位错 00000001，或者两位错00000011，都是非法编码，都能检查出错误，并且此时可以纠正00000001为00000000，纠正00000011为00000111。但是三位同时错就检查不出了。

常见校验策略：奇偶校验，CRC校验，海明校验

ps：海明编码最强视频演示教程：https://www.youtube.com/watch?v=373FUw-2U2k

三、运算方法与运算器

1. 定点数运算及溢出

定点数加减法：减法化加法，用补码直接相加，忽略进位

溢出：运算结果超出了某种数据类型的表示范围

溢出检测方法：统一思想概括为正正得负或负负得正则溢出，正负或负正不可能溢出

　　方法1：V = XYS + XYS（XY为两个加数的符号位，S为结果的符号位，_表示非），那么V = 1则为溢出

　　方法2：V = C₀ ⊕ C₁（C₀是最高数据位产生的进位，C₁是符号位产生的进位），那么V = 1则为溢出

　　方法3：V = X_f1 ⊕ X_f2（数据采用变型补码 X_f1X_f2 X₀X₁X₂X_3...  ）

PS：以上方法都是利用正正得负负负得正则溢出为出发点的电路设计

2. 补码一位乘法——Booth算法

[x·y]_补　= [x]_补·( -y₀＋∑ y_i2^-i )

　　　　= [x]_补·[ - y₀ + y₁2^-1 + y₂2^-2 + … + y_n2^-n]

　　　　= [x]_补·[ - y₀ + (y₁ - y₁2^-1) + (y₂2^-1 - y₂2^-2) + … + (y_n2^-(n-1) - y_n2^-n)]

　　　　= [x]_补·[(y₁ - y₀) + (y₂ - y₁) 2^-1 + … + (y_n - y_n-1) 2^-(n-1) + (0 - y_n)2^-n]

总结起来设计数字电路的规则就是：

• 为00或者为11的时候，直接右移一位
• 为01的时候，加x的补，然后右移一位
• 为10的时候，加-x的补，然后右移一位

PS：其实第一行和最后一行都能设计数字电路，为什么要从第一个式子推到最后一个式子呢？原因有两点：

　　1）二进制中如果有0，可以不进行运算

　　2）如果有连续的1可以减少计算次数，比如 a * 001111100 = a * (010000000 - 0000000100)

所以每次判断 yn+1 - yn就可以减少计算次数了

参考：https://www.cnblogs.com/xisheng/p/9260861.html

3. 定点数除法 --- 略，没找到好的资料

4. 浮点数加减法

　　（1）求阶差，阶码小的对齐大的

　　（2）尾数加减

　　（3）结果规格化

四、存储系统

1. 存储系统层次结构

主存速度缓慢的原因：主存增速与CPU不同步，执行指令期间多次访问主存

主存容量不足的原因：

• 存在制约主存容量的技术因素：如由CPU、主板等相关技术指标规定了主存容量
• 应用对主存容量需求不断扩大：window98 -- 8M，windows 8 -- 1G

   -----> 存储体系结构化层次：  CPU -- Cache1 -- Cache2（解决速度） -- 主存 -- 辅存（解决容量）

存储体系结构化层次理论基础：

• 时间局部性：程序体现为循环结构
• 空间局部性：程序体现为顺序结构

2. 主存中的数据组织

存储字长：主存的一个存储单元所包含的二进制位数，目前大多数计算机主存按字节编址，主要由32为和64位

数据存储与边界的关系：

• 按边界对齐的数据存储，未按边界对齐的数据存储
• 边界对齐与存储地址的关系：（32位为例）

1. 双字长边界对齐：起始地址最末三位为000（8字节整数倍）
2. 单字长边界对齐：起始地址最末二位为00（4字节整数倍）
3. 半字长边界对齐：起始地址最末一位为0（2字节整数倍）

大端与小端存储方式：

• 大端：最高字节地址是数据地址（0123存成0123）
• 小端：最低字节地址是数据地址（0123存成3210）

3. 存储器分类

• SRAM存储器：存取速度快，但集成度低，功耗大，做缓存
• DRAM存储器：存取速度慢，但集成度高，功耗低，做主存

　　　　DRAM刷新方式：集中刷新、分散刷新、异步刷新

4. 主存容量的扩展

• 位扩展法：8K * 8位 --> 8K * 32位
• 字扩展法：8K * 8位 --> 32K * 8位
• 字位同时扩展法：8K * 8位 --> 32K * 32位

5. Cache的基本原理

• cache的工作过程
  • 数据：cpu与cache交换字，cache与内存交换块
  • 读：命中，不命中
  • 写：写穿策略，写回策略
• 写策略
  • 写穿策略（write through）：同时写缓存和内存，好像穿过缓存一样。若不命中，先写到主存中，并选择性地同时分配到缓存中（写分配/非写分配）
  • 写回策略（write back）：写到缓存后不管了，只有当缓存的内容替换回主存时再管，需有脏位。好像隔段时间后再写回到主存中一样
• 地址映射机制
  • 相联存储器：地址本身包含着位置啊可比较的信息啊等内容信息，可根据区分地址内容进行寻址
  • 主存地址 = 块地址 + 块内偏移地址 = （Tag + Index） + 块内偏移地址
  • cache结构
    • 好多行，每行与主存块大小相等
    • 每行 = tag + data + valid + dirty
  • 三种映射方式
    • 全相联：cache行号 = random（内存块号）
    • 直接相联：cache行号 = 内存块号 % cache行数
    • 组相联：两者结合。8行1路组相联就是全相联，8行8路组相联就是直接相联
• 替换算法
• 先进先出法-FIFO
• 最近最不经常使用法-LFU
• 近期最少使用法-LRU
• 随机替换法

6. 虚拟存储器

• 解决问题：主存容量不足。希望向程序员提供更大（比主存大）的编程空间
• 分类：页式，段式，段页式
• 页式实现方式：MMU（Memory Management Unit） + 页表 + TLB（Transaction Lookaside Buffer：地址转换后备缓冲器）
• 页式转换过程：虚拟地址 = 虚拟页号 + 页内偏移 ==> 物理页号 + 页内偏移

7. RAID

• 概念：独立磁盘构成的具有冗余能力的阵列（Redundant Arrays Independent Disks）
• 核心技术：使用异或运算恢复数据 （x⊕y = z  --> x = y⊕z）
• 分类：
  • RAID0：条带均匀分布

    磁盘0	磁盘1	磁盘2	磁盘3
    D0	D1	D2	D3
    D4	D5	D6	D7
    D8	D9	D10	D11

  • RAID1：以镜像为冗余方式

    磁盘0	磁盘1
    D0	D0
    D1	D1
    D2	D2

  • RAID3/4：有校验盘

    磁盘0	磁盘1	磁盘2	校验磁盘
    D0	D1	D2	P0
    D3	D4	D5	P1
    D6	D7	D8	P2

  • RAID5：校验信息分布式
    

    磁盘0	磁盘1	磁盘2	磁盘3
    D0	D1	D2	P0
    D3	D4	P1	P5
    D6	P2	D7	D8
    P3	D9	D10	D11

  • RAID10/01：10是先镜像再条带化，01是先条带化再镜像
  • RAID50：先RAID5，再条带化

五、指令系统

1. 指令系统基本概念

• 指令集：一台机器所有指令的集合。系列机（同一公司不同时期生产）；兼容机（不同公司生产）
• 指令字长：指令中包含的二进制位数，有等长指令、变长指令。
• 指令分类
  • 根据层次结构：高级、汇编、机器、微指令
  • 根据地址码字段个数：零、一、二、三地址指令
  • 根据操作数物理位置
    • 存储器-存储器（SS）
    • 寄存器-寄存器（RR）
    • 寄存器-存储器（RS）
  • 根据指令功能：传送、算术运算、位运算、控制转移
• 指令格式：操作码+数据源+寻址方式

2. 寻址方式

• 指令寻址方式：顺序寻址，跳跃寻址
• 操作数寻址方式：
  • 立即数寻址：地址码字段是操作数本身 MOV AX, 200H
  • 寄存器寻址：地址码字段是寄存器地址 MOV AX, BX
  • 直接寻址：地址码字段是内存地址 MOV AX, [200H]
  • 间接寻址：地址码字段是内存地址的地址 MOV AX, I[200H]
  • 寄存器间接寻址：地址码字段是存内存地址的寄存器地址 MOV AX, [BX]
  • 相对寻址：操作数地址 + 当前PC的值
  • 基址寻址：操作数地址 + 基址寄存器的值（一段程序中不变） MOV AX, 32[B]
  • 变址寻址：操作数地址 + 变址寄存器的值（随程序不断变化） MOV AX, 32[SI]

3. MIPS

• 三种指令格式
  • R型指令：

    6bits	5bits	5bits	5bits	5bits	6bits
    000000	Rs	Rt	Rd	shamt	funct

  • I型指令：

    6bits	5bits	5bits	16bits
    OP	Rs	Rt	立即数

  • J型指令：

    6bits	26bits
    OP	立即数

六、中央处理器

1. CPU的组成与功能

　　

2. 数据通路

• 概念：执行部件间传送信息的路径，分共享通路（总线）和专用通路
• 抽象模型：时钟驱动下，A --> 组合逻辑 --> B
• D触发器定时模型：
  • 时钟触发前要稳定一段时间：建立时间（Setup Time）
  • 时钟触发后要稳定一段时间：保持时间（Hold Time）
  • 时钟触发到输出稳定的时间：触发器延迟（Clk_to_Q）
  • 与时钟周期的关系：
    • 时钟周期 > Clk_to_Q + 关键路径时延 + Setup Time
    • Clk_to_Q + 最短路径时延 > Hold Time

3. 指令周期

•  指令执行的一般流程

• 基本概念 
  • 时钟周期 = 节拍脉冲 = 震荡周期
  • 机器周期 = CPU周期 = 从主存读取一条指令的最短时间
  • 指令周期 = 从主存读指令并执行指令的时间

• 指令时间控制：

	机器周期数	节拍数	同步方式	实践
定长指令周期	不变	不变	按机器周期	mips单周期
变长指令周期	变	变	按时钟周期	mips多周期

 

4. CPU设计

　　略，详情请参见《自制CPU系列》

七、总线

1. 系统总线的特性及应用

• 总线概念：将计算机系统中各部件连接起来
• 总线分类：（外部/内部，系统/非系统，串行/并行，同步/异步...）
  • 按用途分类：
    • 存储总线：cpu与存储器
    • 系统总线：连接存储总线和IO总线的中间总线
    • IO总线：连接外部设备
  • 按位置分类：
    • 外部总线：USB，火线（IEEE1394）
    • 内部总线：PCI（连网卡），AGB（连显卡）
    • （芯）片内总线：AMBA（ARM处理器）
  • 按组成分类
    • 数据总线：传数据，双向三态
    • 地址总线：传地址，单向三态
    • 控制总线：控制信号和时序信号
    • 电源线和地线：略

2. 总线性能和总线事物

• 总线的性能参数
  
  • 总线频率：总线工作速率f，单位是MHz
  • 总线宽度：数据总线的宽度w，单位是bit
  • 总线传输速率：总线传输数据量BW，单位是MB/s。BW = w / 8 * f
• 总线事务
  • 概念：从请求总线到完成使用的操作序列（请求 - 裁决 - 地址传输 - 数据传输 - 总线释放）
  • 角色：主设备（CPU，DMA）和从设备
  • 四个阶段：请求与仲裁 - 传输 - 寻址 - 结束
  • 常见总线操作：读，写，读修改写，写后读，块操作

3. 总线连接方式

• 单总线结构

　　　　

• 双总线结构

　　　　

• 多总线结构

　　　　 

• 总线桥：不同速率总线之间的连接，起速度缓冲、电平转换、控制协议转换的作用
  • 多级总线结构（南北桥）

　　　　　　

• • 单总线结构

　　　　　　

• 总线结构对系统性能的影响

	多总线	单总线
对最大存储容量	不影响	因要与io共享内存，影响
对指令系统	增加IO指令	无IO指令
对吞吐量	大	小

 

4. 总线仲裁和数据传输方式

• 菊花链式串行总线仲裁：简单，只要有一个主设备占用总线，其他就占不了
• 集中式并行总线仲裁：
  • 固定优先级策略：优先级高的主设备，总会优先控制总线权
  • 轮叫式策略：皇帝轮流做
  • LRG策略：最近获得控制权的，再获得控制权的优先级高（经常用的就更容易获得总线控制权）

5. 总线标准

• 概念：计算机各部件之间利用总线传输信息应遵守的协议和规范，包括硬件和软件两部分
• 常见的总线标准
  • 机箱内部总线：
    • ISA - EISA - VESA
      • ISA（Industrial Standard Architecture）：最早指定的总线技术标准，总线宽度8/16位，频率5-8MHz，带宽5-8MB/s
      • EISA：宽度变成32位
      • VESA：宽度变成64位
    • PCI（PCIe） - AGP
      • 主要用于系统总线和IO总线，取代ISA
      • 地址总线和数据总线分时复用，支持即插即用（自动寻找驱动程序）
      • 32/64位，133/264MB/s
  • 机箱外部总线：
    • USB等...

八、输入输出系统

1. 输入输出系统概述

• 组成：外设、接口、总线、管理软件
• 基本功能
  • 完成计算机内外的信息传递
  • 保证CPU正确选择输出设备
  • 利用缓冲等，实现主机与外设的速度匹配
• 特点：异步性、实时性、设备无关性
• 输入过程：CPU把地址值放入总线 --> CPU等候设备数据有效 --> CPU从总线读入数据存入寄存器
• 输出过程：CPU把地址值放入总线 --> CPU把数据值放入总线 --> 设备等数据有效取走数据
• IO系统性能：存储IO、通信IO
  • 连接特性：哪些设备可以和IO相连
  • IO系统容量：IO系统可以容纳的设备数
  • 响应时间：从用户输入命令到得到结果所花的时间（s）
  • 吞吐率：单位时间完成的IO操作次数（用IOP表示）

2. 输入输出方式

• 无条件IO方式：执行IO指令时，CPU默认外设已经准备就绪，外设很难满足这一点
• 程序控制IO方式：执行IO指令时，先获取设备状态（设备状态寄存器），决定下一步操作（程序决定）
  • 数据要经过CPU，CPU还要浪费大量时间查询设备状态
• 中断IO方式：外设主动通知CPU接收或输出数据，有实时性
• DMA方式：由硬件执行IO，外设准备好后通知DMA，DMA接管总线，完成数据交换
  • 既有中断的优点，又降低了服务的开销
• 通道和IO处理机方式：外设种类很多速度差别很大，将外设管理工作从CPU总分离出来
  • 通道本身就是个简单的CPU，执行IO指令的处理机
  • IO处理机是通道的进一步发展，更像一个CPU了

3. 中断请求与响应

• 概念：CPU由内部外部事件引起CPU中断正在运行的程序，具有随机性（符合输入输出系统特性）
• 作用：主机与外设并行；故障处理；实时处理
• 类型：
  • 内部中断（软件、异常）
  • 外部中断（可屏蔽中断INTR、不可屏蔽中断NMI）
• 基本功能：
  • 中断信号的保持与清除：通过寄存器存起来，处理完清零
  • 中断优先级：硬件响应优先序、软件服务优先序（中断服务程序开头，设置自己的中断屏蔽位）
  • 中断源识别：系统分配给每个中断源的代号（中断号），中断号获取可以用硬件或软件方式
  • 中断处理：
    • 响应：每执行完一条指令，就会判断是否有中断请求
    • 处理：保存断点（返回地址）、执行中断程序、返回断点
  • 中断控制：
    • 中断触发方式：指外设以什么逻辑信号去申请中断（边沿触发、电平触发）
    • 中断排队方式：按优先级、循环轮流排队
    • 中断嵌套：中断正在执行的中断程序，不可屏蔽中断不能嵌套
    • 中断屏蔽：处理器内部有个触发器，“1”时才会响应外部中断

 

4. DMA方式

• 原理：数据传送不经过CPU，由DMA控制器实现内存和外设、外设和外设之间的直接快速传递
• 系统构成：
  • DMA作为主设备之一
  • 
  • DMA与IO接口集成
  • 
  • DMA提供专门IO总线
  • 
• DMA的两种工作状态：被动态（未获得总线控制权，受CPU控制）、主动态（获得总线控制权）
• 传输步骤：
  • 申请：一个设备接口试图通过总线向另一个设备发送数据，先向CPU发送DMA信号
  • 响应：CPU收到DMA信号，当前总线周期结束后，按DMA信号优先级响应相应的DMA控制器
  • 数据传送：DMA收到CPU响应，获得总线控制权，开始直接数据传送
  • 传送结束：设备向CPU发送DMA结束信号，交换总线控制权
• DMA操作类型：
  • 数据传送：源地址数据传到目的地址
  • 数据校验：不传输，只校验某数据块内部的每个字节
  • 数据检索：不传输，只在制定内存区域内查找某个关键字或某几个数据位是否存在
• DMA操作方式：
  • 单字节传输模式：每次DMA操作传送一个字节
  • 块传输模式：每次传送多个字节，有个当前字节计数器，+1 +1 +1
  • 请求传输模式：DMA控制器询问外设，当外设请求信号无效时，暂停传输（不释放总线）；再次有效再继续传输
  • 级联传输模式：多个DMA级联，分布式
• DMA传输模式：
  • 停止CPU访问内存：传输速率高的设备传输时有优势
  • 周期挪用：DMA挪用一个或几个内存周期。若此时CPU不需要访存则不冲突，若冲突则DMA优先
  • DMA与CPU交替访存：直接交替访存，不需要浪费时间