郭郭的博客
计算机组成原理简述
2023-07-06
计算机基础
00
请注意，本文编写于 387 天前，最后修改于 379 天前，其中某些信息可能已经过时。

目录

常见问题
计算机的发展简史
计算机的体系与结构
计算机的层次
计量单位
容量单位
速度单位
计算机的组成
总线
总线的分类
总线的仲裁
输入输出设备
输入输出接口的通用设计
CPU与IO设备的通信方法
计算机的存储器
存储器的分类
存储器的层次结构
主存储器和辅助存储器
内存与CPU通信的方式
磁盘
高速缓存的工作原理
高速缓存是如何寻址的？
高速缓存的替换策略
计算机的指令系统
机器指令的形式
地址码类型
机器指令的操作类型
机器指令的寻址方式
控制器
运算器
指令的执行过程

本来不打算写这篇文章，因为它与前端的知识体系比较偏。但是在学习的过程中，了解了生活中的问题， 比如宽带速率、U盘空间大小、断电内存数据丢失等，了解了为什么现代的计算机演变为这个架构， 再比如缓存策略LRU在前端中也有应用， 多花两天时间了解下吧，对计算机的世界有更清晰的认识。

常见问题

  • 为什么软件安装需要下载对应的芯片处理器版本？

计算机的发展简史

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计算机发展简史.png

计算机的体系与结构

计算机的体系与结构.png

计算机的层次

计算机的层次.png

计量单位

  • 容量单位
  • 速率单位

容量单位

  • 在物理层面，高低电平记录信息， 用0/1记录状态
-bitByteKBMBGBTBPBEB
名称比特位字节千字节兆字节吉字节太字节拍字节艾字节
比例-8bits1024B1024KB1024MB1024GB1024TB1024EB
常见设备门电路-寄存器高速缓存内存/硬盘硬盘云硬盘数据仓库

为什么网上买的移动硬盘500G，格式化之后就只剩下465G ？

制作硬盘时有一个重要的指标 叫做扇区，在记录这个扇区时使用10进制更容易沟通协商，所以硬盘商一般采用10进制位标记容量

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速度单位

  • 网络速度

    • 为什么电信拉的100M光纤，测试峰值速度只有 12M/s ？
    • 100M/s = 100Mbps = 100Mbit/s
    • 100Mbit/s=(100/8)MB/s=12.5MB/s

  • CPU速度

    • CPU的速度一般体现为CPU的时钟频率
    • CPU的时钟频率单位一般是赫兹（Hz）
      • Hz其实就是秒分之一
      • 它是每秒中的周期性变动重复次数的计量
    • 主流CPU的始终频率都在2GHz以上
      • 2GHz = 2*1000^3Hz = 每秒20亿次

计算机的组成

冯诺依曼计算机有哪些组成？

  • 计算机的总线与IO设备
    • 计算机的总线
    • 计算机的输入/输出设备
  • 计算机的存储器
    • 计算机的高速存储器
    • 计算机的主存储器与辅助存储器
  • 计算机的CPU
    • 计算机的指令系统 计算机的运算器
    • 计算机的控制器 指令执行过程

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总线

总线是连接计算机不同设备，解决它们之间的通信问题。

比较常见的一个案例是 USB = Universal Serial Bus 通用串行总线

  • 提供了对外连接的接口
  • 不同设备可以通过USB接口进行连接
  • 连接的标准，促使外围设备接口的统一

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总线的好处

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总线的分类

  • 片内总线 （芯片内部的总线）
    • 可以大大简化芯片内部的电路结构
  • 系统总线
    • 连接系统外围设备的总线
    • 分类： 数据总线、地址总线、控制总线

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：0~2**n

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

为了解决总线使用权的冲突问题

为什么需要总线的仲裁？

  • 假设计算机中内存需要和硬盘或IO设备交换数据， 这时候硬盘和IO设备都已经就绪了
  • 那么总线由硬盘使用还是IO设备使用呢？ 需要第三方仲裁器

总线的仲裁方法

  • 链式查询
  • 计时器定时查询
  • 独立请求

输入输出设备

常见的输入设备

  • 字符输入设备
    • 键盘
    • 薄膜键盘
  • 图像输入设备
    • 鼠标
    • 数位板
    • 扫描仪

常见的输入设备

  • 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

  • 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

输入输出接口的通用设计

  • 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

CPU与IO设备的通信方法

  1. 程序中断
  2. DMA (直接存储器访问)

先了解一个前提： CPU速度与IO设备速度不一致（CPU速度要快很多）

程序中断示例

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补充： 7 响应中断并非同步进行，

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

程序中断提供了低速设备通知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。

缺点： 频繁打断CPU 也会影响CPU的执行效率

DMA (直接存储器访问)

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  • 当主存与IO设备交换信息时，不需要中断CPU, 可以提高CPU的效率
  • 在硬盘和外界显卡都有DMA设备

计算机的存储器

存储器的分类

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存储器的层次结构

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  • 这种层次结构，它是利用局部性原理，在CPU与主存之间增加一层速度快（容量小）的Cache，以解决主存速度不足的问题。
  • 速度快容量小的catche即高速缓存，因为有高速缓存的存在，我们使用一定的策略尽量让CPU访问高速缓存中的数据

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。

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同样 局部性原理 也可以用于解决主存容量不足的问题 具体是在主存之外增加辅助存储器（磁盘、SD卡、U盘）

主存储器和辅助存储器

计算机断电，为什么内存数据丢失，而硬盘数据不会丢失？

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，那么一段时间后将会丢失所有数据

内存与CPU通信的方式

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不同位数的操作系统对内存的支持是不一样的

  • 比如 32位系统， 最多支持 2**32 = 4*2**30 = 4GB，即使加更多的内存也是没用的，因为他的地址总线最多是32位，所以它的寻址范围最多是4GB大小
  • 64位系统 最多支持 2**64 = 2**34*2**30 = 2**34GB

主存储器 --内存 辅助存储器 -- 磁盘

磁盘

  • 表面是可磁化的硬磁特性材料
  • 移动磁头径向运动读取磁道信息

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磁盘服务算法

  • 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

高速缓存的工作原理

高速缓存是如何寻址的？

  • 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

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主存的容量远大于高速缓存中的容量，缓存的内容是主存内容的复制

  • CPU取数据有两种情况，如果缓存中有从缓存中取，如果缓存中没有从主存里拿。
  • 因为高速缓存要比内存快很多，所以要提高高速缓存的利用率。
  • 可与使用“命中率”和“访问效率”来刻画缓存的利用率

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那么如何提高缓存的 命中率 或 访问效率呢？

高速缓存的替换策略

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  • 随机算法
  • 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
      • 从队列尾部淘汰节点
      • 与FIFO的区别， 读取的时候 会把节点提取到队列头部
    • 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）

关于这几种算法，后面在我的数据结构与算法文章中讲解

计算机的指令系统

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
    • 操作码字段 地址码字段
    • 操作码指明指令所要完成的操作
    • 操作码的位数反映了机器的操作种类
    • 地址码直接给出操作数或者操作数的地址
    • 分三地址指令、二地址指令和一地址指令

地址码类型

  • 三地址指令
操作码(OP)addr1addr2addr3

(addr1)OP(addr2) → (addr3)

  • 二地址指令
操作码(OP)addr1addr2

(addr1)OP(addr2) → (addr1)或(addr2)

  • 一地址指令
操作码(OP)addr1

(addr1)OP→ (addr1) (addr1)OP(ACC) → (addr1)

  • 零地址指令
    • 空操作、停机操作、中断返回操作等

机器指令的操作类型

  • 数据传输
    • 寄存器之间、寄存器与存储单元、存储单元之间传
    • 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）
    • 完成数据在算术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

个人理解 寻址 类似解析汇编语言，它包括两部分内容 指令寻址 和 数据寻址

指令寻址有 顺序寻址 和 跳跃寻址 两种方式

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  • 顺序寻址 依次执行 101 - 102 - 103 - 104 - 105
  • 跳跃寻址 执行了105后跳回102继续执行 105 - 102

数据寻址的方式

  • 立即寻址
    • 指令直接获取操作数
    • 无需访问存储器
  • 直接寻址
    • 直接给出操作数载主存的地址
    • 寻找操作数简单，无需计算数据地址
  • 间接寻址
    • 指令地址码给出的是操作数地址的地址
    • 需要访问一次或多次主存来获取操作数
寻址方式优点缺点
直接寻址速度快地址码位数限制操作数表示范围
间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

控制器

控制器是协调和控制计算机运行的

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  • 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依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

运算器

运算器是用来进行数据运算和加工的，它包括 数据缓冲器、ALU、通用寄存器、状态字寄存器

  • 数据缓冲期
    • 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：算术逻辑单元，是运算器的主要组成
    • 常见的位运算（左右移、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

指令的执行过程

取指令 --> 分析指令 --> 执行指令

  • 先来看一下指令执行过程所涉及的元件
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    • 左边一列 是运算器
    • 上面的两块（数据缓存&指令缓存）是高速缓存
    • 右下角三块 是 控制器
    • 所有原件通过总线连接

执行过程

  1. 将数据缓存起来
  2. 程序计数器 缓存当前需要执行的指令的地址
  3. 指令寄存器 取出当前指令的操作吗和地址码

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  1. 指令计数器并不知道具体内容，需要将指令发送到指令译码器中， 同事程序计数器+1
  2. 指令译码器 知道要进行的操作 将 R1 数据 移到 R0中， 然后发出控制信号， 通过片内总线来到运算器里面

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  1. ALU运算线加载R0 (值从寄存器去除) ，然后送到片内总线 ，再送到数据缓存其中，数据缓存起将R0的数据复制到R1中去
  2. 完成了当前指令 按同样的顺序执行下一条指令。

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上述流程存在一个问题， 控制器和运算器不能同时运行， 这导致CPU的利用率不高

解决方案： CPU 的流水线设计

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本文作者:郭敬文

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