计算机组成原理之组成篇

 

USB(Universal Serial Bus):通用串行总线；
总线解决了不同设备之间的通信问题！
总线的概述：
    ①提供了对外连接的接口；
    ②不同设备可以通过USB接口进行连接；
    ③连接的标准，促使外围设备接口的同一

常见的总线有：USB、PCI总线、ISA总线、Thunderbolt总线；

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

片内总线：高集成度芯片内部的信息传输线。
    ①芯片内部的总线；
    ②寄存器于寄存器之间；
    ③寄存器与控制器、运算器之间；


问题：为啥用位数形容总线？？USB不是一根线吗？(按位数表示是指传输的容量么？)
系统总线：CPU、主内存、IO设备、各组件之间的信息传输线。
    ①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(32/64)；
    ②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：0~2^n；
    ③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。

 

仲裁的目的就是为了解决不同设备使用总线顺序的优先级问题！

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

字符输入设备：键盘（薄膜键盘、机械键盘[黑轴、红轴、青轴、茶轴]、电容键盘）
图形输入设备：鼠标、数位板[输入板+压感笔]、扫描仪(将图形信息转换为数字信号)
图像输出设备：显示器、打印机、投影仪

输入输出接口的通用设计(以下几点必不可少)： 
①能够向设备发送数据；②能够读取数据；③能够判断设备有没有被占用；④能够判断设备是否已经启动；⑤能够判断设备是否已经连接。

数据线
①是I/O设备与主机之间进行数据交换的传送线；
②单向传输数据线；
③双向传输数据线；
状态线
①IO设备状态向主机报告的信号线；
②查询设备是否已经正常连接并就绪；
③查询设备是否已经被占用；
命令线
①CPU向设备发送命令的信号线；
②发送读写信号；
③发送启动停止信号；
设备选择线
①主机选择I/O设备进行操作的信号线；
②对连在总线上的设备进行选择。

"程序中断"提供低速设备通知CPU的一种异步的方式，这样CPU可以高速运转的同时兼顾低速设备的响应！

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

缓存：CPU里面的寄存器和高速缓存；
主存：主要指计算机中的内存；
辅存：主要指计算机外部储存设备，如磁盘、U盘、移动硬盘等；

 

 

 

 

 

 

 

 

局部性原理：该原理是指CPU在访问储存器时，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。

 

 

 

 

 

 

主存储器：内存；
辅存储器：磁盘；

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

常见磁盘调度算法：
①先来先服务：按顺序访问进程的磁道读写需求；
②最短寻道时间优先：与磁头当前位置有关，优先访问离磁头最近的磁道；
③扫描算法(电梯算法)：每次只往一个方向走，到达一个方向需要服务的尽头再反方向移动；
④循环扫描算法：与扫描算法类似，但是只能往一个方向走；

 

 

 

 

 

 

要了解高速缓存得先了解一下主存！
可参考：https://blog.csdn.net/qq_42103479/article/details/89743061

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

高速缓存的替换策略：
    ①随机算法;
    ②先进先出算法(FIFO):把高速缓存看作是一个先进先出的队列，优先替换最先进入队列的字块；
    ③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；
    ④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的前面以保证链表头部是最近使用的；

FIFO示例如下：

LFU示例如下：

LRU示例如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

除了上述三种指令，还有一种特殊的地址指令，即零地址指令。
该类机器指令无地址码，一般为空操作、停机操作、中断返回操作等。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

算术逻辑单元（英语：Arithmetic logic unit，简称：ALU）是一种可对二进制整数执行算术运算或位运算的组合逻辑数字电路。[1][2][3][4]ALU 与浮点数运算单元（FPU）不同，后者仅对浮点数进行操作。ALU 是许多类型的计算电路的基本部件，这些计算电路包括计算机的中央处理单元（CPU）、浮点处理单元（FPU）和图形处理单元（GPU）。单个CPU、FPU 或 GPU 可能包含多个 ALU。
ALU 的输入包括需要运算的数据（也称为运算数）和表明了运算操作类型的指令码。ALU 的输出是其执行运算的结果。在许多的设计中，ALU 还带有状态输入或输出，可将其之前操作或当前操作的信息在 ALU 和外部状态寄存器间传递。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

上述过程存在一个问题：取指令和分析指令是在控制器中进行的，而执行指令是在运算器中进行的，这说明这两个部分没有同时工作，从而导致CPU的综合利用率不高。

 

 

 

 

 

 

 

#习题
1.计算机的总线就像是计算机的“高速公路”，你是否可以说出总线主要的功能和分类？
2.什么是总线标准，为什么需要总线标准，现在有哪些常见的总线标准？
3.常说的“IO设备”，“I”、“O”分别是什么的缩写？
4.常见的输入设备可以分为什么种类？
5.常见的输出设备可以分为什么种类？
6.日常常见的计算机外设（显示器、键盘、鼠标、打印机），分别属于什么设备？
7.输入输出接口一般需要完成什么工作，可以把接口的线路分为什么线路？
8.DMA的全称是什么？
9.程序中断和DMA相比，有什么优劣？
10.你是否可以清晰的表述计算机存储器的层次结构？存储器的层次结构是为了解决什么问题的？
11.什么是局部性原理，局部性原理对计算机存储系统的设计产生了什么影响？
12.计算机存储系统的每一个层次分别有什么特点？
13.计算机的辅助存储器一般是指计算机硬盘，你了解计算机磁盘的物理结构吗？
14.磁盘的调度算法有哪些？分别有什么特点？
15.计算机的主存一般是指计算机内存，内存有什么特点？
16.请解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、ROM？
17.什么是字？什么是字块？
18.计算机的高速缓存一般是指Cache，Cache一般位于计算机的什么硬件设备上？
19.一般使用什么指标去评估主存-高速缓存的性能？
20.命中率是怎么定义的？
21.访问效率是怎么定义的？
22.假设CPU执行某段程序共计访问Cache命中4800次，访问主存200次，已知Cache的存取周期是30ns，主存的存取周期是150ns，求Cache-主存系统的平均访问时间和效率，试问该系统的性能提高了多少？
23.请描述LFU、LRU、FIFO缓存置换算法的过程。
24.计算机的指令一般由操作码和地址码组成，那么计算机指令可以分类为几种类型？
25.对计算机指令数据的寻址有哪几种方式？
26.计算机的运算器主要由什么组成？控制器呢？
27.请简述计算机指令的执行过程。

 

 

#习题答案：
1.总线可以分为：片内总线、系统总线，其中系统总线可以分为数据总线、地址总线、控制总线。

2.总线标准是系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。总线标准有利于各模块高效使用总线。USB、PCIe等。

3.Input、Output，输入设备、输出设备。

4.字符输入设备（键盘等）、图像输入设备（鼠标、数位板、扫描仪）。

5.主要是图像输出设备（显示器），但在计算机远未普及的时候，显示器属于字符输出设备。

6.显示器、打印机属于输出设备，键盘、鼠标属于输入设备。

7.数据线、状态线、命令线、地址线。

8.DMA：Direct Memory Access，直接内存存取。

9.程序中断和DMA都是计算机IO和低速设备的交互方式，程序中断方式实现简单，DMA方式效率更高。

10.存储器的层次结构可以简单划分为：缓存-主存-辅存三个层次，缓存-主存主要是为了解决主存速度不够的问题；主存-辅存主要是为了解决主存容量不足的问题。

11.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。

12.缓存：速度快、位价高；主存：速度适中、位价适中；辅存：速度慢、位价低。

13.略，参考PPT图片。

14.先来先服务算法、最短寻道时间优先算法、扫描算法、循环扫描算法。

15.主存容量比缓存大、比辅存小，访问速度比缓存慢，比辅存快，主存需要持续通电使用，停电时主存数据将会丢失。

16.主存：主存储器，即常说的计算机内存条，辅存：辅助存储器，即常说的磁盘、U盘、光盘、磁带等，Cache：高速缓存，即常说的L1、L2、L3缓存，CPU寄存器等，RAM：随机存取存储器（英语：Random Access Memory，缩写：RAM），ROM：只读存储器（Read Only Memory，缩写：ROM）。

17.字是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合；字块是指存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字。

18.在CPU上。

19.命中率。

20.略，参考PPT图片

21.略，参考PPT图片

22.平均访问时间：(480030+150200)/5000=34.8ns，命中率：4800/5000100%=96%，访问效率e：30/34.8100%=86.2%，性能提升：(150-34.8)/150*100%=76.8%。

23.略。

24.移位操作指令、数据传输指令、控制指令、算术逻辑操作指令。

25.立即寻址、直接寻址、间接寻址。

26.控制器主要由：程序计数器、时序发生器、指令译码器、寄存器、总线组成。运算器主要由：数据缓冲器、ALU、寄存器、状态字寄存器、总线组成。

27.略。