计算机组成之机器

第一章 计算机系统概论

指令

指令格式由操作码和地址码组成，操作码指明执行什么操作，地址码指明操作数在内存单元（存储单元）中的地址。指令和数据以二进制的形式以同等地位保存在存储器的存储单元中。

运算器

运算器的基本功能就是完成运算，其核心是ALU（算术逻辑运算单元）。其中的寄存器主要有ACC（累加器）、MQ（乘商寄存器）、X（数据寄存器）。

控制器

控制器的功能是解释一条指令（完成一条指令）以及保证指令的按序执行，主要由控制单元（CU）、程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）构成。

**程序计数器**PC：存放欲执行指令的地址

**指令寄存器**IR：存放当前要执行指令的地址

**控制单元**CU：控制相应的执行部件执行操作

指令以及程序的运行过程

完成一条指令的过程分成3个阶段：

1. 取指令（指令从内存单元–>指令寄存器IR）

2. 分析指令，把IR中指令的操作码部分送给控制单元（CU）进行分析

3. 执行指令，控制单元（CU）控制相应的执行部件执行操作。

以完成一条取数指令为例，需要经过的步骤为：

1. 取指令 PC➖MAR➖M(存储体)➖MDR➖IR；PC+1->PC

2. 分析指令 Op(IR)➖CU

3. 执行指令 Ad(IR)➖MAR➖(存储体)➖MDR➖ACC

对于一个程序而言，程序说到底是多条指令的集合，执行一个程序也就是有序地执行多条指令。执行前先将程序的首地址，也就是第一条指令的地址保存到PC中，之后每执行一条指令PC+1（当然不一定是1，由机器决定）。

计算机硬件的主要技术指标

1、机器字长 CPU一次能处理数据的位数，与CPU中的寄存器位数有关

2、运算速度 包括：

(1)主频

（2）核数和每个核支持的线程数

（3）CPI值 执行一条指令所需时钟周期数（越少越好） （4）MIPS值 每秒执行百万条指令

（5）FLOPS值 每秒浮点运算次数

3、存储容量 包括主存容量和辅存容量

第二章计算机的应用及展望

第三章总线

总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质，一个时刻一条总线只能传输一个信号。

按连接部件不同，总线可分为片内总线、通信总线、系统总线。

总线上信息的传输方式分为串行传输和并行传输，串行传输每次只传输一位信息，并行传输一次可以传输多位信息。

连接在主线上的设备（部件），对总线有控制权的称为主设备（主部件），没有控制权的称为从设备（从部件），从设备响应从主设备发来的总线命令。

总线判优控制：由于一个时刻一条总线只能有一个信号在传输，因此各个主设备要争抢总线的控制权，这就是总线判优控制。方式有集中式和分布式，其中集中式有链式查询方式、计数器定时查询方式、独立请求方式。

总线通信控制：即控制主设备和从设备之间的信息交流方式，以解决通信双方协调配合问题。总线通信的方式有同步通信、异步通信、半同步通信、分离式通信。

第四章存储器

存储器分类：

按存储介质：

1.半导体存储器

2.磁表面存储体

3、光盘存储器

按存取方式分类：

1.存取事件与物理地址无关（随机访问）

(1).随机存取器(RAM)

(2).只读存储器(ROM)

2.存取事件与物理地址有关（串行访问）

(1).顺序存取存储器 磁带

(2).直接存取存储器 磁盘

按在计算机中的作用分类：

1.主存，包括RAM和ROM

2.Flash Memory（闪存） 常用的U盘、SSD，存储速度比主存慢，比辅存快。

3、高度缓冲存储器Cache 速度最快，一部分集成在CPU中，一部分在主板上。

4.辅存 磁盘、磁带、光盘

存储器的层次结构

缓存➖主存 层次 解决速度问题

主存➖辅存 层次 解决容量问题

主存储器：

概述

由3部分组成： 存储体、MAR（存储器地址寄存器）、MDR（存储器数据寄存器），不过现在的计算机MAR和MDR都放到CPU中了。

存储体：以二进制的形式存放指令以及操作数，由存储单元构成，存储单元按地址访问。每个存储单元中保存的数据称为存储字，存储子的位数称为存储字长。

MAR：保存了存储单元的地址，其位数与存储单元的个数有关。

MDR：保存了要保存到存储体中的数据或刚刚从存储体重取出来的数据，其位数与存储字长一致。

存储器容量的扩展

主存储器的容量表示形式为：M*N M为存储单元个数，N为每个存储单元所能保存的数据位数。

(1)位扩展：增加存储字长

(2)字扩展：增加存储字的数量

随机存储器（RAM）

RAM又分静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)，SRAM的基本单元原件通过双稳态触发器保存信息(0/1)，只要不断电，信息就不会丢失；DRAM的基本单元元件通过MOS电容存储信息(0/1)，需不断给电容充电才能保存信息(不断刷新)。 DRAM基本单元元件又有3管DRAM和单管DRAM。一般主存用DRAM，缓存Cache用SRAM，后者速度快。

只读存储器（ROM）

一般用于保存系统程序或者系统的配置信息。

掩模ROM（MROM）：只可读

PROM：可一次性编程

EPROM：可多次编程

EEPROM：课多次编程

Flash Memory：已经具备了RAM的功能

存储器的校验

以内存为例，如果内存所处的电子环境比较复杂，或者在空间环境下受到带电粒子的打击，就可能造成电容的充电放电，或者是触发器的翻转，存放在存储器中的信息就可能会出错，因此需要对存储器中的信息进行校验。

编码的最小距离：一组合法代码中任意两个合法代码之间二进制位数的最少差异。

编码的检错、纠错能力与编码的最小距离有关。编码的最小距离=检错位数+纠错位数+1（检错位数>=纠错位数）

汉明码是具有一位纠错能力的编码，采用奇偶校验。

提高存储器的仿存速度

1.单体多字方式

2.多体并行方式 分为高位交叉方式和低位交叉方式，前者用于存储器容量的扩展，后者用于存储器带宽和访问速度的提高。

3.高性能存储芯片 （1）SDRAM(同步DRAM) （2）RDRAM (3)带Cache的DRAM

高速缓冲存储器（Cache）

概述

由于CPU速度过快，主存速度跟不上，因此引进了Cache，避免了CPU“空等”的现象。Cache由SRAM构成。

局部性原理

空间局限性：一旦主存中一个存储单元中的指令被访问，那么它附近存储单元的指令很快也会被访问。

时间局部性：一旦主存中一个存储单元中的指令被访问，那么这个指令在不久的将来还会再被访问。

空间局限性导致主存和cache之间的信息交换是以块进行交换的，一个块中又多个存储单元。

主存编址：主存块号+块内地址

cache编址：缓存块号+块内地址

主存和cache相对应的块的块内地址是完全一样的，即块的大小（块长）是一样的。

命中：主存块调入缓存，主存块与缓存块建立了对应关系。

未命中：主存块未调入缓存，主存块与缓存块未建立对应关系。

命中率：CPU要访问的信息在Cache中的比率。 命中率与Cache的容量和块长有关。

Cache-主存的地址映射

一、直接映射

主存当中任意一个块，只能映射到Cache当中指定的某一块。这种方法速度快，Cache利用率低。

二、全相联映射

主存中的任何一个快可以映射到Cache当中的任何一个块中这种方法速度慢，Cache利用率高。

三、组相联映射

缓存被分为若干组，每组r块。主存储器被分为若干区，每个区的块数与缓存的组数相等。主存储区的每个区中的第n块只能映射到Cache中的第n组的任意一块。这种方法相当于直接映射和全相联映射的结合。

替换算法

主存中的内存块如果要映射到Cache中，而Cache中能接受主存块的块全被放满了，就要对这些块中的其中某个块进行替换。

一、先进先出（FOFO）算法

最先被放入到Cache中的块被替换。

二、近期最少使用（LRU）算法

在最近一段时间里面使用最少的块被替换。

三级缓存

三级缓存的设计，弥补速度与空间利用率之间的不平衡，兼顾速度与命中率。三级缓存的设计基于这样一个原则：越是靠近 CPU Cache 层对于速度的要求越高，可以采用直接相联映射和路数少的分组相联映射。对于中间层 Cache 需要兼顾速度和空间利用率，用组相联映射更加合适。距离 CPU 远的 Cache 层，对速度的要求低，空间利用率高，适合全相联映射的 Cache。设计三级缓存是为了弥补速度与空间利用率之间的不平衡，兼顾速度与命中率。

辅助存储器

1、特点：不能直接与CPU进行信息交换

2、磁表面存储器：有硬磁盘和软磁盘，现在市场上软磁盘已经淘汰。

磁表面存储器的几个技术指标：

（1）记录密度 道密度Dt：硬盘径向方向上单位长度的磁道数 位密度Db：单位长度的磁道保存的二进制信息数。 每个磁道是一个同心圆，越往外位密度越低。

（2）存储容量：盘面数*Dt*Db

（3）平均寻址时间：寻道时间+等待时间 寻道时间：读写头在硬盘表面移动找到指定磁道所需要的事件；等待时间：找到给定磁道以后，读写头停止运动，磁盘旋转，等待给定的扇区旋转到磁头下面需要的时间。

（4）辅存的速度：与平均寻址时间和磁头读写时间有关。

（5）数据传输率Dr：Db*V V为磁盘旋转速度

（6）误码率：出错信息位数与读出信息的位数

3、光盘存储器：采用光存储技术，用激光写入和读出。

第一代光存储器：采用非磁性介质，不可擦写，存储原理是热作用（物理化学反应）。

第二代光存储器：采用磁性介质，可擦写，存储原理是热磁效应。

第五章输入输出系统

I/O设备

大致分为三类：

1、输入设备：键盘、鼠标、触摸屏等

2、输出设备：显示器、打印机等

3、其他：模数/数模转换器、网卡、磁盘等

I/O接口

I/O接口的功能及组成：

选址功能—-设备选择电路

传送命令的功能—-命令寄存器、命令译码器

传送数据的功能—-数据缓冲寄存器

反应设备状态的功能—-设备状态标记

I/O接口的基本组成：

I/O设备与主机信息传送的控制方式

1、程序查询方式

2、程序中断方式

3、DMA方式

程序查询方式

以I/O向内存输入数据为例：

CPU在执行现行程序时执行到一条I/O指令，CPU向I/O接口发送读指令，I/O接口启动相应I/O设备准备数据，同时CPU在原地踏步等待，不停地读I/O接口中的设备状态。当I/O设备中的数据缓存到I/O接口的数据缓冲寄存器后，I/O接口中的设备状态标记为准备就绪，这时候CPU开始从I/O接口的数据缓冲寄存器中读数据（I/O接口->CPU），完后再将数据从CPU中写入到内存中。接下来判断读数是否完成，若未完成，CPU继续向I/O发读指令，重复操作；若读数完成，CPU继续执行现行程序指令。

可见程序查询方式是CPU和I/O串行工作，在I/O设备准备数据的时候（I/O接口与CPU数据传输之前），CPU原地踏步等待I/O设备数据准备完成，即I/O接口中的设备状态标记为准备就绪。

程序查询方式的接口电路（以输入数据为例）：



DBR:数据缓冲寄存器

D：完成触发器，保存I/O设备状态，0为未准备就绪，1为准备就绪，受设备本身控制

B：启动设备触发器，1为启动，2为不启动

程序中断方式

与程序查询方式不同的是，CPU向I/O接口发送读指令后，不会踏步等待I/O接口中的设备状态准备就绪，而是直接继续执行现行程序的下一条指令。与此同时，I/O设备接到启动命令启动，准备数据，并将数据传送到I/O接口的数据缓冲寄存器中。这时候数据已经准备完成，I/O接口向CPU发送中断请求，请求CPU中断现行程序转而执行中断服务程序。CPU在收到请求后做出响应，如果拒绝请求则继续执行现行程序指令；如果同意请求，则中断现行程序，转而执行中断服务程序。中断服务程序执行结束，CPU回到程序断点，继续执行现行程序。

这种方式实现了CPU和I/O部分的并行工作，表现在I/O设备在准备数据的同时，CPU没有踏步等待其状态准备就绪，而是继续执行现行程序指令。

程序中断方式接口电路：



B：启动设备触发器，1为启动，2为不启动

D：完成触发器，保存I/O设备状态，0为未准备就绪，1为准备就绪，受设备本身控制

DBR：数据缓冲寄存器

MASK：中断屏蔽触发器

INTR：中断请求触发器

中断服务程序(包括4个步骤):：

（1）保护现场：程序断点的保护和寄存器内容的保护

（2）中断服务：数据传输

（3）恢复现场：恢复寄存器内容

（4）中断返回：返回程序断点处继续执行指令

DMA方式

这种方式与前面两种方式最大的不同之处在于，I/O和内存交换数据的过程中没有直接依赖于CPU，而是通过I/O与内存之间的一条直接数据通道完成的。具体流程如下：

CPU在执行现行程序时执行到一条I/O指令，发送给I/O接口（DMA接口），对DMA接口进行预处理，然后启动相应的I/O设备，然后CPU继续执行现行程序指令。I/O设备准备好数据并缓存到DMA接口之后，DMA接口向CPU发出DMA请求，请求获取总线和内存的控制权。CPU同意请求之后将总线和内存的控制权交给了DMA控制器，此时CPU不能再与内存进行数据交换，而是根据需要从Cache中获取数据。DMA接口在获取到总线和内存的控制权之后与内存进行数据传送，数据传送结束之后DMA接口会像CPU发送中断请求，CPU进行后处理。后处理结束后，CPU继续执行主程序。

这里涉及到几个关键字：

预处理：在启动I/O设备之前CPU将主存中进行数据交换的起始地址、进行数据交换的I/O设备地址、传送数据个数预先在DMA中设置好

数据传送：DMA接口与内存之间的信息传输

后处理：数据传送完成之后，DMA接口向CPU发送中断请求，CPU响应后进行后处理，包括校验送入主存的数是否正确、是否继续用 DMA以及测试传送过程是否正确,错则转诊断程序。后处理由中断服务程序完成，这个中断服务程序不同于程序中断方式的中断服务程序，后者是进行数据传输，相当于这里的数据传送（其实是一样的），而这里的中断服务程序是数据传输完毕之后的后处理。

DMA方式的数据传送过程（以数据输出为例）：



BR：数据缓冲寄存器

AR：内存地址寄存器

WC：数据个数寄存器

DAR：I/O设备地址寄存器

3种控制方式比较

从程序查询方式到程序中断方式到DMA方式，I/O系统的自治能力越来越强。