计算机组成原理之组成篇
章节导学
计算机的总线 连接各个设备的一条数据线
计算机的总线
- 总线的概述
- 总线的仲裁
总线的概述
- 总线的概述（是什么、什么用）
- 总线的分类
总线的概述
通用串行总线
总线的分类
片内总线
系统总线
、
数据总线
- 双向传输各个部件的数据信息
- 数据总线的位数（总线宽度）是数据总线的重要参数
- 一般与CPU位数相同（32位、64位）
地址总线
- 指定源数据或目的数据在内存中的地址
- 地址总线的位数与存储单元有关
地址总线位数=n，寻址范围:0~2n
控制总线
- 控制总线是用来发出各种控制信号的传输线
- 控制信号经由控制总线从一个组件发给另外一个组件
- 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
- 为什么需要总线仲裁
- 总线仲裁的方法
为什么需要总线仲裁
我们之所以需要总线仲裁，是为了解决总线使用权的冲突问题
总线仲裁的方法
- 链式查询
- 计时器定时查询
- 独立请求
链式查询
如果这里我们的设备3想要拿到总线的使用权，那么在链式查询下，我们通过仲裁控制线，首先询问设备1是否使用，如果是的话，那么设备1占用总线使用权，以此类推
链式查询
- 好处：电路复杂度低，仲裁方式简单
- 坏处：优先级低的设备难以获得总线使用权
- 坏处：对电路故障敏感 (串联0
计时器定时查询
- 仲裁控制器对设备编号并使用计数器累计技术
- 接收到仲裁信号后，往所有设备发出计数值
- 计数值与设备编号一致则获得总线使用权
独立请求
- 每个设备均有总线独立连接仲裁器
- 设备可单独向仲裁器发送请求和接收请求
- 当同时受到多个请求信号，仲裁器有权按优先级分配使用权
独立请求
- 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
串联优先级判别
- 优先级高的设备经常得到总线使用权限
- 优先级低的设备长时间无法得到总线
并联优先级判别
- 优先级高的设备经常得到总线使用权向
- 优先级低的设备长时间无法得到总线
循环优先级判别
计算机的输入输出设备
- 常见的输入输出设备
- 输入输出接口的通用设计
- CPU与IO设备的通信
常见的输入输出设备
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
- 是I/O设备与主机之间进行数据交换的传送线
- 单向传输数据线
- 双向传输数据线
状态线
- IO设备状态向主机报告的信号线
- 查询设备是否已经正常连接并就绪
- 查询设备是否已经被占用
命令线
- CPU向设备发送命令的信号线
- 发送读写信号
- 发送启动停止信号
设备选择线
- 主机选择I/O设备进行操作的信号线
- 对连在总线上的设备进行选择
CPU与IO设备的通信
- 程序中断
- DMA（直接存储器访问）
CPU速度与IO设备速度不一致。
程序中断
- 当外围IO设备就绪时，向CPU发出中断信号
- CPU有专门的电路响应中断信号
提供低速设备通知CPU的一种异步的方式
CPU可以高速运转同时兼顾低速设备的响应。
DMA
DMA（直接存储器访问）
- 硬盘
- 外置显卡
计算机存储器概览
- 存储器的分类
- 存储器的层次结构
存储器的分类
存储器的层次结构
存储器的层次结构
- 原理：局部性原理
- 实现：在CPU与主存之间增加一层速度快（容量小）的cache
- 目的：解决主存速度不足的问题
缓存-主存层次
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；
局部性原理
计算机的主存储器与辅助存储器
- 计算机断电，内存数据丢失
- 计算机断电，磁盘数据不会丢失。
主存储器-内存
辅助存储器-磁盘
计算机的主存储器与辅助存储器
主存储器
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
主存地址寄存器，32位系统与64位系统差别是地址总线寻址能力不同
辅助存储器-磁盘
辅助存储器
- 表面是可磁化的硬磁特性材料
- 移动磁头经向运动读取磁道信息
辅导存储器-磁盘
- 先来先服务算法
- 最短寻道时间优先
- 扫描算法（电梯算法）
- 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
- 与磁头当前位置有关
- 优先访问离磁头最近的磁道
扫描算法（电梯算法）
- 每次只往一个方向移动
- 到达一个方向需要服务的尽头再反方向移动
扫描算法(电梯算法)
循环扫描算法
循环扫描算法，只能由外往内，或者说是由内往外进行读取
计算机的高速缓存
- 高速缓存的工作原理
- 高速缓存的替换策略
高速缓存的工作原理：
字：是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合字块：存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字
此处前m位指定字块的地址
高速缓存的替换策略
高速缓存的替换策略
- 随机算法
- 先进先出算法(FIFO)
- 最不经常使用算法(LFU)
- 最近最少使用算法(LRU)
先进先出算法(FIFO)
- 把高速缓存看做是一个先进先出的队列
- 优先替换最先进入队列的字块
最不经常使用算法(LFU)
- 优先淘汰最不经常使用的字块
- 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)
- 优先淘汰一段时间内没有使用的字块
- 有多种实现方法，一般使用双向链表
- 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
- 机器指令的操作类型
- 机器指令的寻址方式
机器指令的形式
- 机器指令主要由两部分组成：操作码、地址码
机器指令的操作类型
- 数据传输
- 算术逻辑操作
- 移位操作
- 控制指令
数据传输
- 寄存器之间、寄存器与存储单元、存储单元之间传送
- 数据读写、交换地址数据、清零置一等操作
算术逻辑操作
- 操作数之间的加减乘除运算
- 操作数的与或非等逻辑位运算
移位操作
- 数据左移（乘2）、数据右移（除2）
- 完成数据在算数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
- 指令寻址
- 数据寻址
| 寻址方式 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 立即寻址 | 速度快 | 地址码位数限制操作数表示范围 |
| 直接寻址 | 寻找操作数简单 | 地址码位数限制操作数寻址范围 |
| 间接寻址 | 操作数寻址范围大 | 速度较慢 |
计算机的控制器
程序计数器
- 程序计数器用来存储下一条指令的地址
- 循环从程序计数器中拿出指令
- 当指令被拿出时，指向下一条指令。
时序发生器
- 电气工程领域，用于发送时序脉冲
- CPU根据不同的时序脉冲有节奏的进行工作
指令译码器
- 指令译码器是控制器的主要部件之一
- 计算机指令由操作码和地址码组成
- 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
- 指令寄存器也是控制器的主要部件之一
- 从主存或高速缓存取计算机指令
主存地址寄存器
- 保存当前CPU正要访问的内存单元的地址
主存数据寄存器
- 保存当前CPU正要读或写的主存数据
通用寄存器
- 用于暂时存放或传送数据或指令
- 可保存ALU的运算中间结果
- 容量比一般专用寄存器要大
计算机的运算器
- 数据缓冲器
- ALU
- 通用寄存器
- 状态字寄存器
- 总线
数据缓冲器
- 分为输入缓冲和输出缓冲
- 输入缓冲暂时存放外设送过来的数据
- 输出缓冲暂时存放送往外设的数据
ALU
- ALU：算数逻辑单元，是运算器的主要组成
- 常见的位运算(左右移动、与或非等)
- 算术运算(加减乘除等)
状态字寄存器
- 存放运算状态(条件码、进位、溢出、结果正负等)
- 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
- 用于暂时存放或传送数据或指令
- 可保存ALU的运算中间结果
- 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
指令執行過程
取指令->分析指令->执行指令
CPU的流水线设计
- 类似工厂的装配线
- 工厂的装配线使得多个产品可以同时被加工
- 在同一个时刻，不同产品均位于不同的加工阶段
串行执行m条指令 ： T1 = 3t * m
流水线执行m条指令：t2 = t(m+2)
H = t2/t1 = t(m+2)/3t*m = 1/3 + 1/3m
计算机的异构计算设备
- 图像处理器(GPU)
- 现场可编程门阵列（FPGA）
图像处理器(GPU)
- 又称显示核心、视觉处理器、显示芯片
- 擅长执行复杂的数学和几何计算
现场可编程门阵列(FPGA)
- 是一种专用集成电路，诞生于1985年
- 电路级别的设备，属于硬件层面的开发
- AI人工智能的大热，FPGA逐渐走进大众的视野
