计算机组成原理速查

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数制与编码
存储系统与 I/O
中央处理器

计算机系统概述

冯·诺依曼机：运算器、控制器、存储器、输入/输出设备

  • 运算器的核心是算术逻辑单元（ALU）
  • CPU：取指、解码、执行

CPU 的性能（执行时间）主要取决于

  • 主频（时钟频率）
  • 每条指令执行所用的时钟周期数（CPI）
  • 指令条数

数据的表示和运算

数制转换

  • 以二进制为基准进行与八、十六进制间的转换即可
  • 十进制转其他进制：除数取余 + 乘数取整（小数部分）

纠错理论

  • 校验码需能指示出错的位置，所以有 $2^k-1\geq n+k$，其中 $k$ 为校验位位数，$n$ 为有效信息位数
  • 校验位也可能失真，所以校验位的位置至关重要（防止出现歧义）

校验码

  • 奇偶校验码
  • 海明校验码：1010 -> 101_0__ -> 1010010
  • 循环冗余校验码：移位、相除、商数与余数合并

  海明码的设计思路是把校验位置于它纠错时表示的位置，这样校验位出错时校验码纠错的位置刚好就是校验位。以 1010 的四位信息为例，依纠错理论我们需要至少 3 位校验位，即 101_0__，我们记 s 为校验位与数据位异或运算的结果，位长为 3，我们希望经过异或运算，s 的数值可以指示出编码出错的位置，例如 s1 为 1 时表示第 1、3、5、7 位可能出错；s2 为 1 时表示第 2、3、6、7 位可能出错，因此保证编码独热性的运算规则如下：

  • $s_1=p_1\oplus d_1\oplus d_3\oplus d_4$
  • $s_2=p_2\oplus d_1\oplus d_3\oplus d_4$
  • $s_3=p_3\oplus d_2\oplus d_3\oplus d_4$

定点数的表示与运算

  • 无符号数 unsigned
  • 有符号数：原码、补码、反码
    • 正数的补码与原码相同
    • 负数的补码为原码取反加一
  • 算数移位与逻辑移位：区分在于符号位是否补全
  • 强制类型转换：大转小截断，小转大按转换类型选择是否补充符号位
  • 大小端对齐问题

浮点数：$N=r^E\times M$，$r$ 为底数，一般为 $2$；$E$ 为阶码，$M$ 为尾数

  • float：$1+8+23$，偏置 $\text{bias}=2^{8-1}-1=127$
  • （搞几个例子康康）

存储系统

  • 内存、外存、高速缓冲存储器
  • 随机存储器（Random Access Memory）：主要用于内存和 Cache，易失性，断电即丢失
    • SRAM（static）：触发器实现，不会刷新，主要用于高速缓存
    • DRAM（dynamic）：电容实现，地址复用，会刷新，主要用于内存
  • 只读存储器（Read Only Memory）：非易失性，断电仍保存，BIOS 存在这里
    • MROM（mask）：生产即写入，无法修改
    • PROM（program）：一次可编程
    • EPROM：elimination and program，可多次改写，先擦除后写入，写入时间长
    • 闪存、SSD
  • 4M x 16 位：数据线 16 根，地址线 22 根（DRAM 需减半）
  • 主存储器通过数据总线、地址总线和控制总线与 CPU 连接
    • 字、位扩展问题：注意数据线和地址线相匹配即可
    • 片选与字选
  • 交叉编址：体内地址 + 体号，类似于分页

程序访问的局部性原理

  • 时间局部性
  • 空间局部性

Cache 的工作机制：与操作系统中分页机制相仿

  • 地址映射
    • 直接映射：简单的线性哈希
    • 全相联映射
    • 组相联映射：Cache 分组，组间直接映射，组内全相联映射；多路组相联即每组有多少个 Cache 行
  • 内存地址：标记位 + 组号 + 块内地址（与 Cache 行大小相等）
  • 替换算法
    • 随机算法
    • FIFO 先进先出
    • LRU 最近最少使用
  • 写策略
    • 全写法：Cache 写命中时，必须把数据同时写入 Cache 和内存
    • 写回法：Cache 写命中时，只修改 Cache；被换出时写回内存
    • 写分配法：未命中时从内存读取并载入 Cache 后更新
    • 非写分配法：未命中时只写入内存修改

虚拟存储器：与操作系统中虚拟内存部分相同

指令系统（汇编）

寻址方式

  • 指令寻址
    • 顺序寻址：程序计数器（PC）指示
    • 跳跃寻址：jmp func
  • 数据寻址
    • 直接寻址：地址即数据
    • 间接寻址：需从地址中取数据
    • 变址寻址：地址可偏移
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# Argument: 5 at %ebp + 8
init:
    movl 8(%ebp), %eax # Get 5
loop:
    subl $1, %eax # Decrement %eax
    cmpl $1, %eax # Compare 1 with %eax
    jg func # if >, goto loop
  • CISC：complicated，指令复杂，寄存器少，多采用微程序控制
  • RISC：refined，精简，寄存器多，以硬布线控制为主

中央处理器（一些图例很重要）

CPU：运算器 + 控制器

  • 运算器：ALU 及其他通用寄存器等
  • 控制器：程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、MAR、MDR 等
    • 硬布线控制器，数字逻辑电路
    • 微程序控制器，编码时互斥性微命令分在同一段内

指令周期

  • 取指：根据 PC 从主存中取指令存入 IR
  • 间址：取操作数的有效地址，存入 MDR
  • 执行：即运算
  • 中断：处理中断请求

数据在功能部件之间通过数据通路传送

  • MAR 与 MDR
  • 数据、地址、控制总线

指令流水线（取指、译码、执行）

  • 一般性问题画甘特图求解
  • 资源冲突、数据相关（前置）、条件转移（控制）会引起流水线阻塞

总线

总线仲裁：解决多个主设备竞争总线控制权问题

  • 链式查询
  • 计数器定时查询：计数控制优先级
  • 独立请求：需要更多额外的请求允许线

输入/输出系统

磁盘存储器

  • 结构：磁头臂，盘片，磁道，扇区，柱面
  • 柱面（cylinder）、磁头（head）、扇区（sector）：CHS（三维坐标）、LBA（线性编址）定位具体扇区
  • 扇区交错：便于读取（因为磁盘始终在旋转）
  • 密度：建立映射，逻辑上各个磁道的扇区数相近

独立硬盘冗余阵列（磁盘阵列）

  • RAID 0：多个磁盘并联（条带化），读写速度最快；其中任何一块硬盘损坏，则整个组就毁了
  • RAID 1：两组以上的 N 个硬盘相互做镜像，可靠性最高
  • RAID 1 + 0：RAID 0 的最低组合，将两组镜像并联，每组视为 RAID 1 运作；1 + 0要优于0 + 1
  • RAID 0 + 1：与 1 + 0 相反，每组视为 RAID 0 运作
  • RAID 5：条带化，算法（奇偶校验）备份分散在其他硬盘上，兼顾各方面，至少需要三块硬盘（通过算法恢复损坏数据）

CPU 与 I/O 设备通信方式

  • I/O 端口空间：独立编址，使用专门的 I/O 端口和专门的 I/O 指令与内存通信
  • 内存映射 I/O：统一编址，共用统一的地址空间，使用访问内存的方式访问外部设备

I/O 方式

  • 程序查询：CPU 与 I/O 串行工作
  • 程序中断：CPU 与 I/O 可并行工作
    • 中断向量是中断服务程序的入口地址
  • DMA（Direct Memory Access）：硬件替换