第一章 计算机组成原理与系统结构

一、 计算机的组成

控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备

二、 高速缓冲存储器

1、多级存储器体系

寄存器
Cache（最快）
磁盘存储器
光盘存储器
磁带存储器

存储器存取方式

顺序存取（磁带）
直接存取（磁盘）
随机存取（内存）
相联存取（cache）

性能指标：存取时间、存取带宽、存取周期和数据传输率

2、Cache的概念

功能：提高CPU的数据输入输出的速率。

使用cache改善性能的的依据是程序的局部性原理：时间局部性和空间局部性

3、命中率相关问题

如果以h代表对cache的访问命中率，t₁表示Cache的周期时间，t₂表示存储器时间，以读操作为例，使用“Cache+主存储器”的系统的平均周期为t3则

t3=h x t1+(1-h) x t2

其中，（1-h）又称为失效率（未命中率）。

4、cache的淘汰算法

先进先出方法：当需要替换时，总是淘汰最先调入Cache的页面内容。

近期最少使用算法（LRU）：当需要替换时，将在最近一段时间内使用最少的页面内容替换掉。

5、cache的读写过程

写直达：当要写Cache时，数据同时写回主存储器（写通）。

写回：CPU修改Cache的某一行后，相应的数据并不立即写入主存储器单元。而是当该行被从Cache中淘汰时，才把数据写回主存储器中。

标记法：对Cache中的每一个数据设置一个有效位。

6、地址映像

a. 常见映像方式：直接映像、全相联映像和组相联映像

b. 地址映像是将贮存与Cache的存储空间划分为若干大小相同的页。

c. 直接映像方式：多对一，比较容易实现主存地址分为：标记(主存块号)和块内地址

d. 全相联映像方式：只分贮存页标记和页内地址，不分页。组相联映像方式：组相联映像方式是介于直接映像和全相联映像之间的一种折中方案。设Cache中共有m个块，在采用组相联映像方式时，将m个Cache块分成u组(set)，每组k个块(即m=u×k)，组间直接映像，而组内全相联映像。所谓组间直接映像，是指某组中的Cache块只能与固定的一些主存块建立映像关系。

三、 CISC与RISC

复杂指令系统（CISC）的主要特点如下：

1、 指令数量众多；100-250条

2、 指令使用频率相差悬殊；

3、 支持很多种寻址方式；5-20

4、 变长的指令；

5、 指令可以对存储器单元中的数据直接进行处理；

精简指令系统（RISC）的主要特点：

1、 指令数量少：大多数指令都是对寄存器操作；

2、 指令的寻址方式少：寄存器寻址、立即数寻址、相对寻址；

3、 指令长度固定、格式种类少；

4、 只提供load/store指令访问存储器；

5、 以硬布线逻辑控制为主；

6、 单周期指令执行；

7、 优化的编译器

8、 适合采用流水线技术

9、 有效支持高级语言

四、 流水线技术

l K段流水线能够在（n+k-1）△t时间内完成n个任务。

l 流水线的吞吐率：[图片上传失败...(image-ba183c-1648736607814)] 其中n为任务数，k为流水线的段数

l 对于数据相关的处理：采用相关专用通路的直接读出操作数。

l 遇到转移指令影响流水线连续流动的情况可用猜测法来加快执行。

l 流水线出现I/O中断时可以让已经进入流水线的指令继续执行，知道执行完成，这种方法叫做不精确断点法。

五、 超级流水线：采用简单指令以加快执行速度是所有流水线的共同特点，超级流水线配置了多个功能部件和指令译码电路，采用多条流水线并行处理，还有多个寄存器端口和总线，可以同时执行多个操作，比普通流水线执行得更快。

六、 超长指令字（VLIW）：是一种单指令流、多操作码、多数据的体系结构。编译时把多个能并行的操作组合在一起，成为一条有多个操作码的超长指令。

七、 磁盘存储器

1、最外层为0磁道。

2、存储容量=其中n为保存数据的总盘面数；t为每面磁道数；s为每道的扇区数；b为每个扇区存储的字节数

3、存取时间包括寻道时间和等待时间。

4、数据传输速率R=TB/T TB为一个磁道上记录的字节数，T为磁盘旋转一周所需的时间。

5、磁盘读写时间=磁盘的平均寻道时间+平均旋转时间（转速/2）+读或写数据的传输时间+控制器的开销**** 一般寻道为先移动磁盘臂再旋转到对应扇区。

八、 RAID存储器

RAID0：具有最高的I/O性能和最高的磁盘空间利用率；

RAID1：磁盘镜像阵列，具有最高的安全性，但磁盘空间利用率只有50%；

九、 输入/输出接口控制方法

输入输出系统有5种方式与主机交换数据：

1、 程序控制方式（查询方式）：方法简单，硬件开销小，不能及时响应；

2、 程序中断方式：CPU无需等待而提高了效率，及时响应，不会产生数据丢失，系统开销大，实现较复杂；

3、 DMA方式：使用DMA控制器来控制和管理数据传输。DMAC获取总线的3种方式：暂停方式、周期窃取方式和共享方式。

4、 通道：可分为字节多路通道、选择通道和数组多路通道3种

5、 输入输出处理机（IOP）：又称PPU方式，用于大型、高效的计算机系统处理外围设备的输入输出，并利用共享存储器或其他共享手段与主机交换信息。

十、 设备接口

IDE：普通IDE数据传数不超过1.5Mbps，数据宽度8位，最多可接4个设备。EIDE接口传数率可达12-18Mbps，数据传输宽度32位，可接4个IDE设备；

SCSI：数据宽度为8位、16位和32位。被分配给一个唯一的ID号（0-7），其中7号分配给SCSI控制器，可以提供多达35个SCSI通道。

PCMCIA：广泛用于笔记本电脑的接口标准，体积小，扩展较方便灵活。

P1394串行接口：是一种高速的串行总线，用以连接众多的外部设备。一个端口可以支持63个设备。以树形结构配置，可以支持的设备高达1022个。支持热插拔。

USB接口：是一种串行总线式的接口。

SATA：传输率可达150MB/sec(1.5Gbps)。SATAⅡ速率可达300MB/sec.关键技术就是3Gbps的外部传输率和NCQ技术。NCQ技术可以对硬盘的指令执行顺序进行优化，避免像传统硬盘那样机械地按照接收指令的先后顺序移动磁头读写硬盘的不同位置，与此相反，它会在接收命令后对其进行排序，排序后的磁头将以高效率的顺序进行寻址，从而避免磁头反复移动带来的损耗，延长硬盘寿命。

十一、 总线结构

总线分类：内部总线、系统总线、外部总线

1、 系统总线：

PCI总线：32位总线，可扩展为64位，最大传输速率可达132Mbps

2、 外部总线

RS-232-C总线：EIA指定的一种串行物理连接标准，一个主通道和一个辅助通道，一条接收线及一条地线。一般用于20m以内的通信。

RS-485总线：采用半双工方式工作，允许并联32台驱动器和32台接收器，用于通信距离几十米到上千米。

USB总线：最高传输速率可达12Mbps，比串口快100倍。高速理论传输速率是480Mbps，即60MBps。全速理论传输速率是12Mbps，即1.5MBps

系统分析师核心考点归纳

image.png

需要材料百度网盘链接地址，请到微信小程序搜索“斌雅资料”，序列号：4，密钥：8899，查询资料获取。