计算机组织结构 合集

📖 本笔记参考计算机组织结构课程的课件, 由于时间关系, 后期缺失部分内容

📚 文档目录
合集-数的二进制表示-定点运算-BCD 码-浮点数四则运算-内置存储器-Cache-外存-纠错-RAID-内存管理-总线-指令集: 特征- 指令集:寻址方式和指令格式

系统概述

指令和数据在关机时储存在外存中，开机后存储在内存
冯·诺依曼计算机工作方式的基本特点是按地址访问指令并自动按序执行程序
指令由操作码和地址码组成
控制器通过执行指令来控制整个机器运行
注意对存储器来讲,例如 $32K\times16位$的存储器意为,该存储器为 16 位可寻址, 共有 32K 个存储单元, 若对于芯片来讲,不能得到什么信息

结构 ( Architecture ) ：对程序员可见

对于程序的逻辑执行有着直接影响
例如: 该计main算机有无乘法器

组织 ( Organization ) : 对程序员不可见

操作单元及其相互联系
该计算机中的乘法器是如何实现的

Stored Program: 意为将指令、数据以二进制的方式存储到主存中.
摩尔定律：每 18 个月，晶体管的数量增加一倍，价格下降一半，性能提高一倍

冯·诺依曼体系结构：

输入输出设备
存储（内存）
控制器: 指挥信息的处理.
处理器: 实际处理信息

只有在涉及到存储器相关时,用到的是 $2^n$, 其他任何时候都是 $10^n$, 比如时钟频率.

衡量 CPU 性能的依据

$CPI =\frac{ \sum_{i=1}^n(CPI_i\times I_i)}{I_C},I_C = \sum_{i=1}^n I_i,$ $I_i 为某种指令的条数, CPI_i为某种指令的时钟周期数, I_C 为总的指令数,$ $则 CPI 为每条指令的平均时钟周期数,$ $T = I_C \times CPI \times t, t 为时钟周期,$ $每秒钟总指令数 = \frac{f}{CPI} = \frac{I_C}{T}.$

存储

cache：主存速度较慢，如果所有指令都从 memory 中取，速度很慢。从 cache 中读取会很快。
memory hierarchy：
buffer：
- i/o输入效率比处理慢，提高效率
- 减小丢失和等待

三要素：容量、存取时间和价格，关系如下：
- 存取时间越短，平均每位的花费就越大
- 存储容量越大，平均每位的花费就越小
- 存储容量越大，存取时间就越长
为了满足容量要求、性能要求，也使每位的价格低，采用了 memory hierarchy 的结构。随着层次的下降：
- 每位价格下降
- 容量增大
- 存取时间变长
- 处理器访问存储器的频率变少