【重学计算机】计算机组成原理

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数据存储与边界的关系：

按边界对齐的数据存储，未按边界对齐的数据存储
边界对齐与存储地址的关系：（32位为例）

双字长边界对齐：起始地址最末三位为000（8字节整数倍）
单字长边界对齐：起始地址最末二位为00（4字节整数倍）
半字长边界对齐：起始地址最末一位为0（2字节整数倍）

大端与小端存储方式：

大端：最高字节地址是数据地址（0123存成0123）
小端：最低字节地址是数据地址（0123存成3210）

3. 存储器分类

SRAM存储器：存取速度快，但集成度低，功耗大，做缓存
DRAM存储器：存取速度慢，但集成度高，功耗低，做主存

DRAM刷新方式：集中刷新、分散刷新、异步刷新

4. 主存容量的扩展

位扩展法：8K * 8位 --> 8K * 32位
字扩展法：8K * 8位 --> 32K * 8位
字位同时扩展法：8K * 8位 --> 32K * 32位

5. Cache的基本原理

cache的工作过程
数据：cpu与cache交换字，cache与内存交换块
读：命中，不命中
写：写穿策略，写回策略
写策略
写穿策略（write through）：同时写缓存和内存，好像穿过缓存一样。若不命中，先写到主存中，并选择性地同时分配到缓存中（写分配/非写分配）
写回策略（write back）：写到缓存后不管了，只有当缓存的内容替换回主存时再管，需有脏位。好像隔段时间后再写回到主存中一样
地址映射机制
相联存储器：地址本身包含着位置啊可比较的信息啊等内容信息，可根据区分地址内容进行寻址
主存地址 = 块地址 + 块内偏移地址 = （Tag + Index） + 块内偏移地址
cache结构
好多行，每行与主存块大小相等
每行 = tag + data + valid + dirty
三种映射方式
**全相联：**cache行号 = random（内存块号）
**直接相联：**cache行号 = 内存块号 % cache行数
**组相联：**两者结合。8行1路组相联就是全相联，8行8路组相联就是直接相联
替换算法
先进先出法-FIFO
最近最不经常使用法-LFU
近期最少使用法-LRU
随机替换法

6. 虚拟存储器

解决问题：主存容量不足。希望向程序员提供更大（比主存大）的编程空间
分类：页式，段式，段页式
页式实现方式：MMU（Memory Management Unit） + 页表 + TLB（Transaction Lookaside Buffer：地址转换后备缓冲器）
页式转换过程：虚拟地址 = 虚拟页号 + 页内偏移 ==> 物理页号 + 页内偏移

7. RAID

- 概念：独立磁盘构成的具有冗余能力的阵列（Redundant Arrays Independent Disks）
核心技术：使用异或运算恢复数据（x⊕y = z --> x = y⊕z）
分类：
RAID0：条带均匀分布

磁盘0	磁盘1	磁盘2	磁盘3
D0	D1	D2	D3
D4	D5	D6	D7
D8	D9	D10	D11

RAID1：以镜像为冗余方式

磁盘0	磁盘1
D0	D0
D1	D1
D2	D2

RAID3/4：有校验盘

磁盘0	磁盘1	磁盘2	校验磁盘
D0	D1	D2	P0
D3	D4	D5	P1
D6	D7	D8	P2

RAID5：校验信息分布式

磁盘0	磁盘1	磁盘2	磁盘3
D0	D1	D2	P0
D3	D4	P1	P5
D6	P2	D7	D8
P3	D9	D10	D11

RAID10/01：10是先镜像再条带化，01是先条带化再镜像
RAID50：先RAID5，再条带化

五、指令系统

1. 指令系统基本概念

指令集：一台机器所有指令的集合。系列机（同一公司不同时期生产）；兼容机（不同公司生产）
指令字长：指令中包含的二进制位数，有等长指令、变长指令。
指令分类
根据层次结构：高级、汇编、机器、微指令
根据地址码字段个数：零、一、二、三地址指令
根据操作数物理位置
存储器-存储器（SS）
寄存器-寄存器（RR）
寄存器-存储器（RS）
根据指令功能：传送、算术运算、位运算、控制转移
指令格式：操作码+数据源+寻址方式

2. 寻址方式

**指令寻址方式：**顺序寻址，跳跃寻址
操作数寻址方式：
立即数寻址：地址码字段是操作数本身 MOV AX, 200H
寄存器寻址：地址码字段是寄存器地址 MOV AX, BX
直接寻址：地址码字段是内存地址 MOV AX, [200H]
间接寻址：地址码字段是内存地址的地址 MOV AX, I[200H]
寄存器间接寻址：地址码字段是存内存地址的寄存器地址 MOV AX, [BX]
相对寻址：操作数地址 + 当前PC的值
基址寻址：操作数地址 + 基址寄存器的值（一段程序中不变） MOV AX, 32[B]
变址寻址：操作数地址 + 变址寄存器的值（随程序不断变化） MOV AX, 32[SI]

3. MIPS

三种指令格式
R型指令：

6bits	5bits	5bits	5bits	5bits	6bits
000000	Rs	Rt	Rd	shamt	funct

I型指令：

6bits	5bits	5bits	16bits
OP	Rs	Rt	立即数

J型指令：

6bits	26bits
OP	立即数

六、中央处理器

1. CPU的组成与功能

2. 数据通路

概念：执行部件间传送信息的路径，分共享通路（总线）和专用通路
抽象模型：时钟驱动下，A --> 组合逻辑 --> B
D触发器定时模型：
时钟触发前要稳定一段时间：建立时间（Setup Time）
时钟触发后要稳定一段时间：保持时间（Hold Time）
时钟触发到输出稳定的时间：触发器延迟（Clk_to_Q）
与时钟周期的关系：
时钟周期 > Clk_to_Q + 关键路径时延 + Setup Time
Clk_to_Q + 最短路径时延 > Hold Time

3. 指令周期

指令执行的一般流程

基本概念
时钟周期 = 节拍脉冲 = 震荡周期
机器周期 = CPU周期 = 从主存读取一条指令的最短时间
指令周期 = 从主存读指令并执行指令的时间

指令时间控制：

	机器周期数	节拍数	同步方式	实践
定长指令周期	不变	不变	按机器周期	mips单周期
变长指令周期	变	变	按时钟周期	mips多周期

4. CPU设计

略，详情请参见《自制CPU系列》

七、总线

1. 系统总线的特性及应用

总线概念：将计算机系统中各部件连接起来
总线分类：（外部/内部，系统/非系统，串行/并行，同步/异步…）
按用途分类：
存储总线：cpu与存储器
系统总线：连接存储总线和IO总线的中间总线
IO总线：连接外部设备
按位置分类：
外部总线：USB，火线（IEEE1394）
内部总线：PCI（连网卡），AGB（连显卡）
（芯）片内总线：AMBA（ARM处理器）
按组成分类
数据总线：传数据，双向三态
地址总线：传地址，单向三态
控制总线：控制信号和时序信号
电源线和地线：略

2. 总线性能和总线事物

总线的性能参数
总线频率：总线工作速率f，单位是MHz
总线宽度：数据总线的宽度w，单位是bit
总线传输速率：总线传输数据量BW，单位是MB/s。BW = w / 8 * f
总线事务
概念：从请求总线到完成使用的操作序列（请求 - 裁决 - 地址传输 - 数据传输 - 总线释放）
角色：主设备（CPU，DMA）和从设备
四个阶段：请求与仲裁 - 传输 - 寻址 - 结束
常见总线操作：读，写，读修改写，写后读，块操作

3. 总线连接方式

单总线结构

双总线结构

多总线结构

总线桥：不同速率总线之间的连接，起速度缓冲、电平转换、控制协议转换的作用
多级总线结构（南北桥）

- 单总线结构

总线结构对系统性能的影响

	多总线	单总线
对最大存储容量	不影响	因要与io共享内存，影响
对指令系统	增加IO指令	无IO指令
对吞吐量	大	小

4. 总线仲裁和数据传输方式

菊花链式串行总线仲裁：简单，只要有一个主设备占用总线，其他就占不了
集中式并行总线仲裁：
固定优先级策略：优先级高的主设备，总会优先控制总线权
轮叫式策略：皇帝轮流做
LRG策略：最近获得控制权的，再获得控制权的优先级高（经常用的就更容易获得总线控制权）

5. 总线标准

- 概念：计算机各部件之间利用总线传输信息应遵守的协议和规范，包括硬件和软件两部分
常见的总线标准
机箱内部总线：
ISA - EISA - VESA
ISA（Industrial Standard Architecture）：最早指定的总线技术标准，总线宽度8/16位，频率5-8MHz，带宽5-8MB/s
EISA：宽度变成32位
VESA：宽度变成64位
PCI（PCIe） - AGP
主要用于系统总线和IO总线，取代ISA
地址总线和数据总线分时复用，支持即插即用（自动寻找驱动程序）
32/64位，133/264MB/s
机箱外部总线：
USB等…

八、输入输出系统

1. 输入输出系统概述

组成：外设、接口、总线、管理软件
基本功能
完成计算机内外的信息传递
保证CPU正确选择输出设备
利用缓冲等，实现主机与外设的速度匹配
**特点：**异步性、实时性、设备无关性
**输入过程：**CPU把地址值放入总线 --> CPU等候设备数据有效 --> CPU从总线读入数据存入寄存器
**输出过程：**CPU把地址值放入总线 --> CPU把数据值放入总线 --> 设备等数据有效取走数据
IO系统性能：存储IO、通信IO
连接特性：哪些设备可以和IO相连
IO系统容量：IO系统可以容纳的设备数
响应时间：从用户输入命令到得到结果所花的时间（s）
吞吐率：单位时间完成的IO操作次数（用IOP表示）

2. 输入输出方式

无条件IO方式：执行IO指令时，CPU默认外设已经准备就绪，外设很难满足这一点
程序控制IO方式：执行IO指令时，先获取设备状态（设备状态寄存器），决定下一步操作（程序决定）
数据要经过CPU，CPU还要浪费大量时间查询设备状态
中断IO方式：外设主动通知CPU接收或输出数据，有实时性
DMA方式：由硬件执行IO，外设准备好后通知DMA，DMA接管总线，完成数据交换
既有中断的优点，又降低了服务的开销
通道和IO处理机方式：外设种类很多速度差别很大，将外设管理工作从CPU总分离出来
通道本身就是个简单的CPU，执行IO指令的处理机
IO处理机是通道的进一步发展，更像一个CPU了

3. 中断请求与响应

概念：CPU由内部外部事件引起CPU中断正在运行的程序，具有随机性（符合输入输出系统特性）
作用：主机与外设并行；故障处理；实时处理
类型：
内部中断（软件、异常）
外部中断（可屏蔽中断INTR、不可屏蔽中断NMI）
基本功能：
中断信号的保持与清除：通过寄存器存起来，处理完清零
中断优先级：硬件响应优先序、软件服务优先序（中断服务程序开头，设置自己的中断屏蔽位）
中断源识别：系统分配给每个中断源的代号（中断号），中断号获取可以用硬件或软件方式
中断处理：
响应：每执行完一条指令，就会判断是否有中断请求
处理：保存断点（返回地址）、执行中断程序、返回断点
中断控制：
中断触发方式：指外设以什么逻辑信号去申请中断（边沿触发、电平触发）
中断排队方式：按优先级、循环轮流排队
中断嵌套：中断正在执行的中断程序，不可屏蔽中断不能嵌套
中断屏蔽：处理器内部有个触发器，“1”时才会响应外部中断

写在最后

还有一份JAVA核心知识点整理（PDF）：JVM，JAVA集合，JAVA多线程并发，JAVA基础，Spring原理，微服务，Netty与RPC，网络，日志，Zookeeper，Kafka，RabbitMQ，Hbase，MongoDB，Cassandra，设计模式，负载均衡，数据库，一致性哈希，JAVA算法，数据结构，加密算法，分布式缓存，Hadoop，Spark，Storm，YARN，机器学习，云计算…