一 、章節(jié)導(dǎo)學(xué)

1. 馮諾依曼機(jī)

• 輸入設(shè)備
• 輸出設(shè)備
• 存儲器
• 運算器
• 控制器

2. 計算機(jī)硬件

• CPU：存儲器，運算器，控制器
• 內(nèi)存：存儲器
• 硬盤：存儲器
• 鼠標(biāo)：輸入設(shè)備
• 鍵盤：輸入設(shè)備
• 顯示器：輸出設(shè)備
• 電源
• 主板
• 顯卡、聲卡
• 網(wǎng)卡

3. 主要內(nèi)容

• 計算機(jī)總線與IO設(shè)備：計算機(jī)的總線，計算機(jī)的輸入、設(shè)備
• 計算機(jī)的存儲器：計算機(jī)的存儲概覽，計算機(jī)的主存儲器與輔助存儲器，計算機(jī)的高速存儲器
• 計算機(jī)的CPU：計算機(jī)的指令系統(tǒng)，計算機(jī)的運算器，計算機(jī)的控制器，指令執(zhí)行過程

二、 計算機(jī)的總線

1. 總線的概述

1.1 總線的概述（是什么、什么用）

• 提供了對外連接的接口
• 不同設(shè)備可以通過USB接口進(jìn)行連接
• 連接的標(biāo)準(zhǔn)，促使外圍設(shè)備接口的統(tǒng)一

image.png

• USB
• PCI總線
• ISA總線
• Thunderbolt總線

image.png

解決不同設(shè)備之間的通信問題

image.png

1.2 總線的分類

片內(nèi)總線：高集成度芯片內(nèi)部的信息傳輸線

• 芯片內(nèi)部的總線
• 寄存器與寄存器之間
• 寄存器與控制器、運算器之間

片內(nèi)總線

系統(tǒng)總線

• 數(shù)據(jù)總線：一般與CPU位數(shù)相同（32位、64位）

  • 雙向傳輸各個部件的數(shù)據(jù)信息
  • 數(shù)據(jù)總線的位數(shù)（總線寬度）是數(shù)據(jù)總線的重要參數(shù)

• 地址總線：地址總線位數(shù)=n，尋址范圍：0~2^n

  • 指定源數(shù)據(jù)或目的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址
  • 地址總線的位數(shù)與存儲單元有關(guān)

• 控制總線

  • 控制總線是用來發(fā)出各種控制信號的傳輸線
  • 控制信號經(jīng)由控制總線從一個組件發(fā)給另外一個組件
  • 控制總線可以監(jiān)視不同組件之間的狀態(tài)（就緒/未就緒）

image.png

2. 總線的仲裁

2.1 為什么需要總線的仲裁

解決不同設(shè)備使用總線優(yōu)先順序的一個設(shè)備

image.png

2.2 總線仲裁的方法（為了解決總線使用權(quán)的沖突問題）

鏈?zhǔn)讲樵?/h6>

• 好處：電路復(fù)雜度低，仲裁方式簡單
• 壞處：優(yōu)先級低的設(shè)備難以獲得總線使用權(quán)
• 壞處：對電路故障敏感

鏈?zhǔn)讲樵?/div>

計時器定時查詢

• 仲裁控制器對設(shè)備編號并使用計數(shù)器累計計數(shù)
• 接收到仲裁信號后，往所有設(shè)備發(fā)出計數(shù)值
• 計數(shù)值與設(shè)備編號一致則獲得總線使用權(quán)

image.png

獨立請求

• 每個設(shè)備均有總線獨立連接仲裁器
• 設(shè)備可單獨向仲裁器發(fā)送請求和接收請求
• 當(dāng)同時收到多個請求信號，仲裁器有權(quán)按優(yōu)先級分配使用權(quán)

image.png

• 好處：響應(yīng)速度快，優(yōu)先順序可動態(tài)改變
• 設(shè)備連線多，總線控制復(fù)雜

三、計算機(jī)的輸入輸出設(shè)備

1. 常見的輸入輸出設(shè)備

1.1 字符輸入設(shè)備

鍵盤：薄膜鍵盤，機(jī)械鍵盤，電容鍵盤

1.2 圖像輸入設(shè)備

鼠標(biāo)
數(shù)位板
掃描儀

1.3 圖像輸出設(shè)備

顯示器
打印機(jī)
投影儀

2. 輸入輸出接口的通用設(shè)計

2.1 要考慮的內(nèi)容

• 讀取數(shù)據(jù)
• 向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)
• 設(shè)備是否已經(jīng)連接
• 設(shè)備有沒有被占用
• 設(shè)備是否已經(jīng)啟動

2.2 設(shè)計

數(shù)據(jù)線

• 是I/O設(shè)備與主機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的傳送線
• 單向傳輸數(shù)據(jù)線
• 雙向傳輸數(shù)據(jù)線

狀態(tài)線

• IO設(shè)備狀態(tài)向主機(jī)報告的信號線
• 查詢設(shè)備是否已經(jīng)正常連接并就緒
• 查詢設(shè)備是否已經(jīng)被占用

命令線

• CPU向設(shè)備發(fā)送命令的信號線
• 發(fā)送讀寫信號
• 發(fā)送啟動停止信號

設(shè)備選擇線

• 主機(jī)選擇I/O設(shè)備進(jìn)行操作的信號線
• 對連在總線上的設(shè)備進(jìn)行選擇

3. CPU與IO設(shè)備的通信（CPU速度與IO設(shè)備速度不一致）

3.1 程序中斷

• 當(dāng)外圍IO設(shè)備就緒時，向CPU發(fā)出中斷信號
• CPU有專門的電路響應(yīng)中斷信號

程序中斷

• 提供低速設(shè)備通知CPU的一種異步的方式
• CPU可以高速運轉(zhuǎn)同時兼顧低速設(shè)備的響應(yīng)

3.2 DMA（直接存儲器訪問）

• DMA直接連接主存與IO設(shè)備
• DMA工作時不需要CPU的參與

DMA

• 當(dāng)主存與IO設(shè)備交換信息時，不需要中斷CPU
• 可以提高CPU的效率

應(yīng)用

• 硬盤
• 外置顯卡

四、計算機(jī)存儲器的概覽

1. 存儲器的分類

1.1 按存儲介質(zhì)分類

半導(dǎo)體存儲器

• 內(nèi)存
• U盤
• 固態(tài)硬盤

磁存儲器

• 磁帶
• 磁盤

1.2 按存取方式分類

隨機(jī)存儲器（RAM）

• 隨機(jī)讀取
• 與位置無關(guān)

串行存儲器

• 與位置有關(guān)
• 按按照順序查找

只讀存儲器（ROM）

• 只讀不寫

2. 存取器器的層次結(jié)構(gòu)

2.1 需要考慮的因素

• 讀寫速度
• 存儲容量
• 價格

2.2 希望的結(jié)果

• 讀寫速度（高）
• 存儲容量（大）
• 價格（低）

容量+價格 => 位價：每比特價格

2.3 層次結(jié)構(gòu)

• 緩存：速度快，價格高
• 主存：速度適中，價格適中
• 輔存：速度慢，價格低

存儲器的層次結(jié)構(gòu)

存儲器的層次結(jié)構(gòu)

原理：局部性原理

局部性原理是指CPU訪問存儲器時，無論是存取指令還是存取數(shù)據(jù)，所訪問的存儲單元都趨于聚集在一個較小的連續(xù)區(qū)域中。

局部性原理

• 實現(xiàn)：在CPU與主存之間增加一層速度快（容量?。┑腃ache
• 目的：解決主存速度不足的問題

五、計算機(jī)的主存儲器與輔助存儲器

1. 主存儲器——內(nèi)存

• RAM（隨機(jī)存取存儲器：Random Access Memory）
• RAM通過電容存儲數(shù)據(jù)，必須隔一段時間刷新一次
• 如果掉電，那么一段時間后將丟失所有數(shù)據(jù)

image.png

image.png

image.png

2. 輔助存儲器——磁盤

2.1 磁盤

• 表面是可磁化的硬磁特性材料
• 移動磁頭徑向運動讀取磁道信息

image.png

image.png

2.2 磁盤調(diào)度算法

• 先來先服務(wù)算法
• 最短尋道時間優(yōu)先
• 掃描算法（電梯算法）
• 循環(huán)掃描算法

image.png

先來先服務(wù)算法

1=>4=>2=>3=>1=>5

最短尋道時間優(yōu)先

• 與磁頭當(dāng)前位置有關(guān)
• 優(yōu)先訪問離磁頭最近的磁道

4=>5=>3=>2=>1=>1

掃描算法（電梯算法）

• 每次只往一個方向移動
• 到達(dá)一個方向需要服務(wù)的盡頭再反方向移動
  4=>3=>2=>1>1=>5

循環(huán)掃描算法

• 只能往一個方向讀取
  4=>5=>1=>1=>2=>3

六、計算機(jī)的高速緩存

CPU與主存的速度不匹配

緩存-主存層次

1. 高速緩存的工作原理

1.1 字與字塊

字： 是指存放在一個存儲單元中的二進(jìn)制代碼組合
字塊：存儲在連續(xù)的存儲單元中而被看作是一個單元的一組字

image.png

image.png

image.png

例子：假設(shè)主存用戶空間容量為4G，字塊大小為4M，字長為32位，則對于字地址中的塊地址m和塊內(nèi)地址b的位數(shù)，至少應(yīng)該是多少？

字塊數(shù)：
字塊地址m：
塊內(nèi)字?jǐn)?shù)：
塊內(nèi)地址b：

1.2 緩存

• 存儲的邏輯結(jié)構(gòu)類似
• 緩存的容量較小
• 緩存的速度更快

高速緩存

高速緩存

1.3 緩存的使用

• CPU需要的數(shù)據(jù)在緩存里
• CPU需要的數(shù)據(jù)不在緩存里
• 不在緩存的數(shù)據(jù)需要去主存拿

1.4 命中率

• 命中率是衡量緩存的重要性能指標(biāo)
• 理論上CPU每次都能從高速緩存取數(shù)據(jù)的時候，命中率為1

訪問主存次數(shù)：
訪問Cache次數(shù)：

1.5 訪問效率

訪問效率：
訪問主存時間： 訪問緩存時間：
訪問Cache-主存系統(tǒng)平均時間：

例子：假設(shè)CPU在執(zhí)行某段程序時，共訪問了Cache命中2000次，訪問主存50次，已知Cache的存取時間為50ns，主存的存取時間為200ns，求Cache-主存系統(tǒng)的命中率、訪問效率和平均訪問時間。

命中率：
訪問效率：
平均訪問時間：

2. 高速緩存的替換策略

2.1 高速緩存替換的時機(jī)

image.png

2.2 隨機(jī)算法

2.3 先進(jìn)先出算法（FIFO）

• 把高速緩存看做是一個先進(jìn)先出的隊列
• 優(yōu)先替換最先進(jìn)入隊列的字塊

FIFO

2.4 最不經(jīng)常使用算法（LFU）

• 優(yōu)先淘汰最不經(jīng)常使用的字塊
• 需要額外的空間記錄字塊的使用頻率

image.png

image.png

2.5 最近最少使用算法（LRU）

• 優(yōu)先淘汰一段時間內(nèi)沒有使用的字塊
• 有多種實現(xiàn)方法，一般使用雙向鏈表
• 把當(dāng)前訪問節(jié)點置于鏈表前面（保證鏈表頭部節(jié)點是最近使用的）

LRU

七、計算機(jī)的指令系統(tǒng)

1. 機(jī)器指令的形式

1.1 機(jī)器指令

• 機(jī)器指令主要由兩部分組成：操作碼、地址碼

機(jī)器指令

• 操作碼指明指令所要完成的操作
• 操作碼的位數(shù)反映了機(jī)器的操作種類
• 地址碼直接給出操作數(shù)或者操作數(shù)的地址
• 分三地址指令、二地址指令和一地址指令

三地址指令

二地址指令

一地址指令

1.2 零地址指令

• 在機(jī)器指令中無地址碼
• 空操作、停機(jī)操作、中斷返回操作等

2. 機(jī)器指令的操作類型

2.1 數(shù)據(jù)傳輸

• 寄存器之間、寄存器與存儲單元、存儲單元之間傳送
• 數(shù)據(jù)讀寫、交換地址數(shù)據(jù)、清零置一等操作

2.2 算術(shù)邏輯操作

• 操作數(shù)之間的加減乘除運算
• 操作數(shù)的與或非等邏輯位運算

2.3 機(jī)器指令的操作類型

• 數(shù)據(jù)左移（乘2）、數(shù)據(jù)右移（除2）
• 完成數(shù)據(jù)在算術(shù)邏輯單元的必要操作

2.4 控制指令

• 等待指令、停機(jī)指令、空操作指令、中斷指令等

3. 機(jī)器指令的尋址方式

3.1 指令尋址

• 順序?qū)ぶ?/li>
• 跳躍尋址

跳躍尋址

3.2 數(shù)據(jù)尋址

立即尋址

• 指令直接獲得操作數(shù)
• 無需訪問存儲器

立即尋址

直接尋址

• 直接給出操作數(shù)在主存的地址
• 尋找操作數(shù)簡單，無需計算數(shù)據(jù)地址

直接尋址

間接尋址

• 指令地址碼給出的是操作數(shù)地址的地址
• 需要訪問一次或多次主存來獲取操作數(shù)

間接尋址

尋址方式	優(yōu)點	缺點
立即尋址	速度快	地址碼位數(shù)限制操作數(shù)尋址范圍
直接尋址	尋找操作數(shù)簡單	地址碼位數(shù)限制操作數(shù)尋址范圍
間接尋址	操作數(shù)尋址范圍大	速度較慢

八、計算機(jī)的控制器

控制器是協(xié)調(diào)和控制計算機(jī)運行的

控制器

1. 程序計數(shù)器

• 程序計數(shù)器用來存儲下一條指令的地址
• 循環(huán)從程序計數(shù)器中拿出指令
• 當(dāng)指令被拿出時，指向下一條指令

2. 時序發(fā)生器

• 電氣工程領(lǐng)域，用于發(fā)送時序脈沖
• CPU依據(jù)不同的時序脈沖有節(jié)奏的進(jìn)行工作

3. 指令譯碼器

• 指令譯碼器是控制器的主要部件之一
• 計算機(jī)指令由操作碼和地址碼組成
• 翻譯操作碼對應(yīng)的操作以及控制傳輸?shù)刂反a對應(yīng)的數(shù)據(jù)

4. 指令寄存器

• 指令寄存器也是控制器的主要部件之一
• 從主存或高速緩存取計算機(jī)指令

5. 主存地址寄存器

• 保存當(dāng)前CPU正要訪問的內(nèi)存單元的地址

6. 主存數(shù)據(jù)寄存器

• 保存當(dāng)前CPU正要讀或?qū)懙闹鞔鏀?shù)據(jù)

7. 通用寄存器

• 用于暫時存放或傳送數(shù)據(jù)或指令
• 可保存ALU的運算中間結(jié)果
• 容量比一般專用寄存器要大

八、計算機(jī)的運算器

運算器是用來進(jìn)行數(shù)據(jù)運算加工的

運算器

1. 數(shù)據(jù)緩沖器

• 分為輸入緩沖和輸出緩沖
• 輸入緩沖暫時存放外設(shè)送過來的數(shù)據(jù)
• 輸出緩沖暫時存放送往外設(shè)的數(shù)據(jù)

2. ALU

• ALU：算術(shù)邏輯單元，是運算器的主要組成
• 常見的位運算（左右移、與或非等）
• 算術(shù)運算（加減乘除等）

ALU

3. 狀態(tài)字寄存器

• 存放運算狀態(tài)（條件碼、進(jìn)位、溢出、結(jié)果正負(fù)等）
• 存放運算控制信息（調(diào)試跟蹤標(biāo)記位、允許中斷位等）

4. 通用寄存器

• 用于暫時存放或傳送數(shù)據(jù)或指令
• 可保存ALU的運算中間結(jié)果
• 容量比一般專用寄存器要大

十、計算機(jī)指令執(zhí)行的過程

1. 指令執(zhí)行過程

指令執(zhí)行過程

指令執(zhí)行過程

指令執(zhí)行過程

2. CPU的流水線設(shè)計

2.1 指令執(zhí)行過程的問題

image.png

2.2 CPU的流水線設(shè)計

• 類似工廠的裝配線
• 工廠的裝配線使得多個產(chǎn)品可以同時被加工
• 在同一個時刻，不同產(chǎn)品均位于不同的加工階段

流水線設(shè)計

流水線設(shè)計

串行執(zhí)行m條指令：
流水線執(zhí)行m條指令：

十一、習(xí)題

1.計算機(jī)的總線就像是計算機(jī)的“高速公路”，你是否可以說出總線主要的功能和分類？

總線可以分為：片內(nèi)總線、系統(tǒng)總線，其中系統(tǒng)總線可以分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。

2.什么是總線標(biāo)準(zhǔn)，為什么需要總線標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在有哪些常見的總線標(biāo)準(zhǔn)？

總線標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)與各模塊、模塊與模塊之間的一個互連的標(biāo)準(zhǔn)界面?？偩€標(biāo)準(zhǔn)有利于各模塊高效使用總線。USB、PCIe等。

3.常說的“IO設(shè)備”，“I”、“O”分別是什么的縮寫？

Input、Output，輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。

4.常見的輸入設(shè)備可以分為什么種類？

字符輸入設(shè)備（鍵盤等）、圖像輸入設(shè)備（鼠標(biāo)、數(shù)位板、掃描儀）。

5.常見的輸出設(shè)備可以分為什么種類？

主要是圖像輸出設(shè)備（顯示器），但在計算機(jī)遠(yuǎn)未普及的時候，顯示器屬于字符輸出設(shè)備。

6.日常常見的計算機(jī)外設(shè)（顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)），分別屬于什么設(shè)備？

顯示器、打印機(jī)屬于輸出設(shè)備，鍵盤、鼠標(biāo)屬于輸入設(shè)備。

7.輸入輸出接口一般需要完成什么工作，可以把接口的線路分為什么線路？

數(shù)據(jù)線、狀態(tài)線、命令線、地址線。

8.DMA的全稱是什么？

DMA：Direct Memory Access，直接內(nèi)存存取。

9.程序中斷和DMA相比，有什么優(yōu)劣？

程序中斷和DMA都是計算機(jī)IO和低速設(shè)備的交互方式，程序中斷方式實現(xiàn)簡單，DMA方式效率更高。

10.你是否可以清晰的表述計算機(jī)存儲器的層次結(jié)構(gòu)？存儲器的層次結(jié)構(gòu)是為了解決什么問題的？

存儲器的層次結(jié)構(gòu)可以簡單劃分為：緩存-主存-輔存三個層次，緩存-主存主要是為了解決主存速度不夠的問題；主存-輔存主要是為了解決主存容量不足的問題。

11.么是局部性原理，局部性原理對計算機(jī)存儲系統(tǒng)的設(shè)計產(chǎn)生了什么影響？

局部性原理是指CPU訪問存儲器時，無論是存取指令還是存取數(shù)據(jù)，所訪問的存儲單元都趨于聚集在一個較小的連續(xù)區(qū)域中。

12.計算機(jī)存儲系統(tǒng)的每一個層次分別有什么特點？

緩存：速度快、位價高；主存：速度適中、位價適中；輔存：速度慢、位價低。

13.計算機(jī)的輔助存儲器一般是指計算機(jī)硬盤，你了解計算機(jī)磁盤的物理結(jié)構(gòu)嗎？

14.磁盤的調(diào)度算法有哪些？分別有什么特點？

先來先服務(wù)算法、最短尋道時間優(yōu)先算法、掃描算法、循環(huán)掃描算法。

15.計算機(jī)的主存一般是指計算機(jī)內(nèi)存，內(nèi)存有什么特點？

主存容量比緩存大、比輔存小，訪問速度比緩存慢，比輔存快，主存需要持續(xù)通電使用，停電時主存數(shù)據(jù)將會丟失。

16.請解釋概念：主存、輔存、Cache、RAM、ROM？

主存：主存儲器，即常說的計算機(jī)內(nèi)存條，輔存：輔助存儲器，即常說的磁盤、U盤、光盤、磁帶等，Cache：高速緩存，即常說的L1、L2、L3緩存，CPU寄存器等，RAM：隨機(jī)存取存儲器（英語：Random Access Memory，縮寫：RAM），ROM：只讀存儲器（Read Only Memory，縮寫：ROM）。

17.什么是字？什么是字塊？

字是指存放在一個存儲單元中的二進(jìn)制代碼組合；字塊是指存儲在連續(xù)的存儲單元中而被看作是一個單元的一組字。

18.計算機(jī)的高速緩存一般是指Cache，Cache一般位于計算機(jī)的什么硬件設(shè)備上？

在CPU上。

19.一般使用什么指標(biāo)去評估主存-高速緩存的性能？

命中率。

20.命中率是怎么定義的？

訪問主存次數(shù)：
訪問Cache次數(shù)：

21.訪問效率是怎么定義的？
訪問效率：
訪問主存時間： 訪問緩存時間：
訪問Cache-主存系統(tǒng)平均時間：

22.假設(shè)CPU執(zhí)行某段程序共計訪問Cache命中4800次，訪問主存200次，已知Cache的存取周期是30ns，主存的存取周期是150ns，求Cache-主存系統(tǒng)的平均訪問時間和效率，試問該系統(tǒng)的性能提高了多少？

平均訪問時間：(480030+150200)/5000=34.8ns，命中率：4800/5000100%=96%，訪問效率e：30/34.8100%=86.2%，性能提升：(150-34.8)/150*100%=76.8%。

23.請描述LFU、LRU、FIFO緩存置換算法的過程。

24.計算機(jī)的指令一般由操作碼和地址碼組成，那么計算機(jī)指令可以分類為幾種類型？

移位操作指令、數(shù)據(jù)傳輸指令、控制指令、算術(shù)邏輯操作指令。

25.對計算機(jī)指令數(shù)據(jù)的尋址有哪幾種方式？

立即尋址、直接尋址、間接尋址。

26.計算機(jī)的運算器主要由什么組成？控制器呢？

控制器主要由：程序計數(shù)器、時序發(fā)生器、指令譯碼器、寄存器、總線組成。運算器主要由：數(shù)據(jù)緩沖器、ALU、寄存器、狀態(tài)字寄存器、總線組成。

27.請簡述計算機(jī)指令的執(zhí)行過程。