計算機結構

• 計算機組成=中央處理器、存儲器(內存)、輸入/輸出設備
  • CPU 控制器 程序計數器、指令寄存器、中斷機構、時序部件
  • CPU 運算器 進行算數/邏輯運算、算數邏輯單元ALU、通用寄存器、數據總線
  • 存儲器 內存儲器 內存/主存、存儲機器指令和數據
  • 存儲器 外存儲器 外存/輔存、存儲長期保存信息
  • 輸入/輸出設備

計算機分類

指令流：機器執(zhí)行的指令序列(信號)
數據流：指令流調用的數據序列(數據)
多倍性：系統部件上允許并行執(zhí)行的指令或者數據的最大可能數

多級存儲器體系

• 存儲器體系 = 寄存器、高速緩存Cache、主存儲器、磁盤、光盤、磁帶
• 存儲器存儲方式
  • 順序存取 線性順序，磁帶
  • 隨機存儲 相同時間訪問任意存儲單元，主存儲器
  • 直接存取 每個存儲塊都有地址標識、數組，磁盤存儲器
  • 相聯存取 高速緩存cache
• 性能取決于: 存取時間、容量、數據傳輸率、價格

主存儲器

• RAM(隨機存取存儲器) 斷電后數據丟失，暫存數據
  • SRAM(static ram) 靜態(tài)存儲器 容量小，速度快，價格高 [cache]
  • DRAM(dynamic ram) 動態(tài)存儲器 [主存儲器] 需要不停刷新電路
• ROM(只讀存儲器) 廠家固定好只讀，存放BIOS或者微程序
• PROM(可編程ROM) 可以修改一次
• EPROM(可擦除PROM) 可以多次寫
• flash memory(閃存) 可電擦除，基于地址的讀寫
• CAM(相聯存儲器) 基于數據內容的讀寫，速度快于基于地址的讀寫

輔存儲器

• 磁帶存儲器
• 磁盤存儲器
  • 數據都是存放在 磁道 上，磁道是同心圓，為了避免干擾，磁道之間存在空隙，最外層磁道是0道
  • 磁盤傳輸數據單位是塊(扇區(qū))，扇區(qū)之間也有空隙
  • 柱面 是若干個磁盤疊加組成的磁盤組，所有磁盤上同一個 磁道的剖面
  • 磁盤格式化容量 = （n * t * s * b）；n=總盤數，t=每面盤的磁道數，s=每磁道的扇區(qū)數，b=每扇區(qū)的存儲字節(jié)數
  • 磁盤存儲時間 = 尋道時間 + 等待時間
    • 尋道時間 是磁頭移動到對應磁道的時間（固定磁頭則只需要耗費選擇磁道對應的磁頭時間）
    • 等待時間 是等待讀取的數據所在的扇區(qū)轉到磁頭下方的時間，一般去轉一圈的平均值
  • 磁盤數據傳輸率 -> R = TB /T；R=數據傳輸率，TB=磁道上記錄的字節(jié)數，T=磁盤轉一圈耗時
• RAID 廉價磁盤冗余陣列存儲器
  • 分布式存放數據，CPU可以并行的快速切換提高系統的IO
  • 8級：
    • RAID 0 無冗余無校驗（存儲利用率100%）
    • RAID 1 鏡像實時備份50%存儲利用率
    • RAID 5 無獨立校驗盤的奇偶校驗磁盤陣列，將校驗碼分布到所有磁盤上，存儲利用率（扣除校驗碼）
    • RAID 10 性能好，但是擴展性不好，50%存儲利用率
• 光盤存儲器 CD / CD-ROM / DVD-ROM

高速緩存Cache

• 原理：局部性原理，減少CPU->主存儲的消耗，命中率一般在 90%-95%
• Cache里面分為指令cache和數據cache，指令的讀/寫時間會比數據的讀寫時間快。
• 例子：假設一臺機器主存讀寫是100ns。有一個Cache讀寫是10ns，讀指令命中率98%，讀數命中率95%。執(zhí)行程序時，1/5指令需要讀一個操作數，不考慮流水線阻塞，問指令的平均讀取時間？
  • (2% * 100ns + 98%*10ns) + 1/5(5% * 100ns + 95% * 10ns)=14.7ns [有1/5的指令還需要讀取一個操作數, 每個請求都需要讀取指令]
• Cache 地址映射： 主存和cache均分成容量相等的塊(頁)
  • 直接映射： 一個主存塊只能復制到一個指定的cache 位置上，會存在主存多個塊映射到同一個cache位置上
  • 全相聯映射： 在cache 淘汰掉某一頁信息，可以將主存任意頁中數據進行映射，由于主存不能通過計算直接獲取 cache的映射，需要逐一對比，丟失了cache的性能，很少使用
  • 組相聯映射：結合 直接映射 和 全相聯映射，在塊分組的概念上再按照每n塊分一組的概念，縮小全地址映射的范圍

16AED3F2-F7B3-466A-8B00-FA1306C1B2A5.png

1234E8F8H是十六進制，映射的二進制是 0001 0010 0011 0100 1110 1000 1111 1000

08F05F11-6B68-4FAD-8FE2-958881F9F154.png

• 淘汰算法
  • 隨機淘汰、先進先出(FIFO first in and first out)
  • 最近最少使用(LRU least recently used) [命中率最高]
• Cache 與 主存數據一致性保證：
  • 寫回（先寫cache 做標識，當被替換時才寫入主存）
  • 直寫（既寫主存也寫cache）
  • 標記法 有效位1時讀取cache，為0時讀取主存
• 直接存儲器存取(DMA)技術 和 輸入輸出通道技術
• 現代存儲層次 cache(buffer)->主存(內存)->輔存(硬盤)
• cache 存儲器(由 硬件組成, 比主存快, 對程序員透明)
  • 組成: 存儲體(指令/數據) + 標記(在主存中的位置)
• Cache 類型
  • 指令 cache 和 數據 cache
  • 多層次 cache(一級cache、二級cache、三級cache)
• 虛擬存儲器
  • 主存-輔存的信息傳輸單位：段、頁、段頁
  • 段式管理：
    • 優(yōu)勢：段與程序分界相對應；便于共享；[堆棧、隊列]這類的段可以動態(tài)調整長度
    • 劣勢：起點、終點難以分配；空間不好回收，造成大量冗余碎片
  • 頁式管理：
    • 優(yōu)勢：傳輸定長頁；起點、終點固定，分頁方便、分配頁方便
    • 劣勢：最后一頁有浪費、每一頁都不一定是邏輯獨立的，在共享，保護，處理都不方便
  • 段頁式管理：程序按模塊分段，段內分頁，進入主存按照頁為信息基本傳輸單位
• 直接尋址 和 間接尋址