【软考】--计算机组成体系结构（下）

分手后的思念是犯贱 2024-04-01 12:39 79阅读 0赞

#### 计算机组成体系结构（下） ####

*   *  第九节 指令系统
     *   *   *  一、指令执行方式
             *  二、指令地址结构
             *  三、寻址方式
     *  第十节 存储体系
     *   *   *  一、层次化存储体系
             *  二、Cache
             *  三、主存储器：ROM和RAM
             *  四、主存储器：存储容量单位
             *  五、内存：内存编址
     *  第十一节 总线系统
     *   *   *  一、总线系统划分
             *  二、系统总线：系统总线性能
             *  三、系统总线：三总线系统
     *  第十二节 I/O接口与设备
     *   *   *  一、输入设备与输出设备划分
             *  二、CPU与外设之间进行交换数据的方式
     *  第十三节 计算机性能指标
     *   *   *  一、主要性能指标
             *  二、系统可用性

### 第九节 指令系统 ###

##### 一、指令执行方式 #####

指令执行：→取指→分析→执行→

> 1、流水线技术：  
> 第一条指令：→取指→分析→执行→  
> 第二条指令：→取指→分析  
> 第三条指令：→取指  
> （多条指令执行过程的不同阶段可以同时进行处理）  
> 2、计算机性能：  
> 通常用“百万条指令1秒”来表示（MIPS，Million Instructhon Per Second）来表示计算机的运算速度。并且计算机的字长越长处理能力越强。

##### 二、指令地址结构 #####

1、一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码，指令的基本格式如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>操作码字段</th> 
   <th>地址码字段</th> 
  </tr> 
 </thead> 
</table>

2、操作码部分指出了计算机要执行什么性质的操作，如加法，减法，取数，存数等。地址码字段需要包含各操作数的地址及操作结果的存故地址等，从其地址结构的角度可以分为三地址指令，二地址指令，一地址指令和零地址指令。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>三地址指令</th> 
   <th>OP</th> 
   <th>A1</th> 
   <th>A2</th> 
   <th>A3</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>二地址指令</td> 
   <td>OP</td> 
   <td>A1</td> 
   <td>A2</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>一地址指令</td> 
   <td>OP</td> 
   <td>A1</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>零地址指令</td> 
   <td>OP</td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
   <td></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

##### 三、寻址方式 #####

![请添加图片描述][08b2e8e31f6e415981005514896ada18.jpeg]

### 第十节 存储体系 ###

##### 一、层次化存储体系 #####

![请添加图片描述][21a46951b4c84ab788753af4e9de3f0b.jpeg]  
内存一般用于临时存储计算机运行时所需的程序，数据及运行结果。  
外存用于长期保存信息。  
寄存器位于CPU中，用于临时存放少量的数据，运算结果和正在执行的指令。

##### 二、Cache #####

> ①基于成本和性能方面的考虑，Cache（即高速缓存）是为了解决相对较慢的主存与快速的CPU之间工作速度不匹配问题而引入的存储器。  
> ②Cache容量较小，速度比主存快5-10倍，存储的是主存内容的副本。  
> ③主存地址与Cache地址之间的转换工作由硬件自动完成。  
> ④在计算机的存储系统体系中，Cache是访向速度最快的层次（若有寄存器，则寄存器最快）。  
> ⑤使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理。  
> 时间局部性：某条指令一旦执行，可能将会再次被执行；其数据被访向，可能将会再次被访问。  
> 空间局部性：某程序一旦访问了某个存储单元，其附近的存任者单元也可能将访问。

##### 三、主存储器：ROM和RAM #####

> 1、ROM（只读存储器）：ROM中的内容在厂家生产时写入，其内容只能读出不能改变，断电后其中的内容不会丢失。(Read Only memory)

> 2、RAM（随机存储器）：既可以写入也可以读出，断电后信息无法保存，只能用于暂存数据。  
> RAM又可以分为SRAM和DRAM两种。(Random Access memory)  
> ①SRAM：不断电情况下信息一直保持而不丢失。  
> ②DRAM：信息会随时间逐渐消失，需要定时对其进行刷新来维持信息不丢失。  
> SRAM，static 静态  
> DRAM，Dynamic动态  
> 彻底删除 shift＋Delete  
> 思考题：回收站和剪切版分别占用内存还是外存的存储空间？  
> 回收站占用外存的存储空间，剪切版占用内存的存储空间，并且开关机后内容缺失。

3、总结：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>名字</th> 
   <th>特点</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>RAM 随机存储器</td> 
   <td>与CPU直接交换数据的内部存储器，随时读写，速度快，计算机刚加电时，内容随机</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Rom 固定只读存储器</td> 
   <td>厂家生产时写入数据，只能读出，不能改变，存故系统程序BIOS和微程序控制</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PROM 可编程的ROM</td> 
   <td>内容一次性写入，写入后不能修改。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>EPROM 可擦除PROM</td> 
   <td>内容可读出，可写入，修改则用紫外线照射20-30min后用特殊电子设备写入。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>E2PROM 电擦除PROM</td> 
   <td>内容可读出，可写入，修改则采用电擦除的方式进行。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Flash Memory 闪速存储器</td> 
   <td>电信号进行改写，速度远快于EPROM。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

##### 四、主存储器：存储容量单位 #####

> 1、字（word）：计算机进行数据处理时，一次存取，加工和传送的数据长度称为字。字的位数可以是16位，32位，64位等。  
> 2、地址：整个内存被分成若干个存储单元，每个单元用地址（唯一的编号）来标识。  
> 3、位（b／bit）：存放一位二进制数。  
> 4、字节（B／Byte）：8个二进制位为一个字节。  
> 1B=8b 1KB=1024B 1MB=1024KB  
> 1GB=1024MB 1TB=1024GB 1PB=1024TB  
> 1EB=1024PB 1ZB=1024EB 1YB=1024ZB

##### 五、内存：内存编址 #####

1、存储单元  
按字编址：存储体的存储单元是字存储单元，即最小寻址单位是一个字。  
按字节编址：存储体的存储单元是字节存储单元，即最小寻址单位是一个字节。  
2．根据存储器所要求的容量和选定的存储芯片的容量，就可以计算出所需芯片的总数。  
总片数＝总容量／每片的容量

### 第十一节 总线系统 ###

##### 一、总线系统划分 #####

> 总线系统分为：  
> 芯片的总线：用于集成电路芯片内部各部分连接  
> 元件级总线：用于一块电路板内各元器件的连接  
> 系统总线／内总线：最重要的总线，用于计算机各组成部分（CPU、内存和接口）的连接  
> 外总线／通信总线：用于计算机与外设或计算机与计算机之间的连接或通信

> 系统总线内总线分为：  
> ISA总线：工业标准总线，16条数据线，24条地址线  
> EISA总线：扩展工业标准总线、32条数据线，32条地址线  
> PCI总线：外设部件互连标准，微机中广泛使用

> 外总线／通信总线分为：  
> RS-232C  
> SCSI总线  
> USB  
> IEEE-1394

##### 二、系统总线：系统总线性能 #####

1．总线的带宽（总线数据传输速率）：单位时间内总线上传送的数据量，即每秒钟传送MB的最大稳态数据传输率。  
总线的带宽＝总线的工作频率＊总线的位宽／8。  
2．总线的位宽：能同时传送的二进制数据的位数，或数据总线的位数，即32位，64位等总线宽度的概念。总线的位宽越宽，每秒钟数据传输率越大，总线的带宽越宽。  
3、总线的工作频率：以MHZ为单位，工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽越宽。（每秒百万个时钟脉冲）

##### 三、系统总线：三总线系统 #####

1、数据总线：CPU与内存或其他器件之间的数据传送的通道，决定了CPU和外界的数据传送速度。每条传输线一次只能传输1位二进制数据。  
例如：8根数据线一次可传送一个8位二进制数据（即一个字节）。“64位的CPU”是指CPU的数据总线的宽度是64位。字长取决于数据总线的宽度。  
2、地址总线：CPU是通过地址总线来指定存储单元的，其决定了CPU所能访问的最大内存空间的大小。例如：若计算机的地址总线的宽度为32位，则最多允许直接访间4GB的物理空间，所以最多支持4G内存。一个CPU的寻址能力为8K，那么它的地址总线的宽度为13。  
3．控制总线：对外部器件进行控制，其宽度决定了CPU对外部器件的控制能力。  
例：设有一个64Kx32位的存储器（每个存储单元为32位），其存储单元的地址宽度为64K＝2^16，总共16位。这里32位可以说是每个存储单元为32位，也可以理解为数据总线宽度是32。

### 第十二节 I/O接口与设备 ###

##### 一、输入设备与输出设备划分 #####

1、输入设备：  
键盘：字符／数字键、功能键、控制键  
鼠标：常见操作有滑动，单击，双击，拖动  
扫描仪：图形，图像输入设备  
其他输入设备：触摸屏、声音输入设备、手写输入设备、条形码阅读器、光学字符阅读器OCR  
2.输出设备:  
显示器：分辨率(清晰程度)、可视角度(观看范围)、信息响应时间(流畅情况、对比度(亮度的比值)  
打印机：激光打印机、喷墨打印机、针式打印机  
绘图仪：按照人们的要求自动绘制图形的设备

##### 二、CPU与外设之间进行交换数据的方式 #####

1.直接程序控制  
(1)立即程序传送方式(无条件传送或同步传送)：I/O接口总是准备接收来自主机的数据或向主机输入数据,无需查看接口的状态。  
(2)程序查询方式：CPU通过查询执行程序查询外设的状态进行判断是否准备好,简单且容易实现,但降低了CPU的利用率。  
2.中断方式  
I/O接口准备好后会发送中断信号通知CPU,CPU确认后保存正在执行程序现场转而执行工I/O中断服务程序。  
3、直接存储器存取DMA方式  
数据的传送由DMA控制器进行控制,不需要CPU的干涉,只能进行简单的数据传送操作。  
4.通道控制方式  
CPU按约定格式准备数据和命令,然后启动通道,通道执行相应的通道程序完成所要求的操作。

### 第十三节 计算机性能指标 ###

##### 一、主要性能指标 #####

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>分类</th> 
   <th>指标</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>CPU主要性能指标</td> 
   <td>主频</td> 
   <td>CPU时钟，频率主频越高CPU的速度越快，主频＝外频×倍频</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td>内存总线速度</td> 
   <td>CPU与二级高速缓存和内存之间的通信速度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td>扩展总线速度</td> 
   <td>CPU与扩展设备之间的数据传输速度</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>计算机系统的效率</td> 
   <td>响应时间</td> 
   <td>从用户输入完整的操作命令到系统开始显示应答信息为止的这段时间</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td>吞吐量</td> 
   <td>单位时间内系统完成的工作量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td></td> 
   <td>周转时间</td> 
   <td>用户提交作业到执行后,该作业返回给用户所需的时间</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

##### 二、系统可用性 #####

平均无故障时间→（MTTF）↑MTTF＝1／λ，λ为失效率  
平均故障修复时间→（MTTR）↓MTTR＝1／μ，μ为为修复率  
平均故障间隔时间→（MTBF）↑MTBF＝MTTR＋MTTF  
系统可用性→ MTTE／（MTTR＋MTTF）X 100％

系统的可用性取决于MTTF（平均无故障时间，表示系统的可靠性）及MTTR（平均修复故障时间，表示系统的可维护性）。  
MTBF值越大，MTTR值越小，整个系统的可用性就越高。在实际应用中，一般MTTR很小，所以通常认为MTBF ≈ MTTF。

[08b2e8e31f6e415981005514896ada18.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/8f064417e49249fea562271eee34b3e6.jpeg
[21a46951b4c84ab788753af4e9de3f0b.jpeg]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/01/b5109ba29b574a11ad1b8ddeef96843a.jpeg