计算机体系结构(计算机系统的组成,指令系统，存储系统)

水深无声 2023-09-25 16:01 50阅读 0赞

1.  ## 典型计算机系统的组成（了解即可） ##

计算机系统可划分为硬件(子系统)和软件(子系统)两部分。硬件由处理器(含运算单元和控制单元)、存储器、输入设备和输出设备等物理实体构成。软件是一系列按照特定顺序组织的数据和指令，并控制硬件完成指定的功能。可将计算机软件进一步分为系统软件和应用软件，系统软件是指支持应用软件的运行，为用户开发应用软件提供平台支撑的软件，而应用软件是指计算机用户利用计算机的软、硬件资源为某一专门的应用目的而开发的软件。典型的计算机系统组成如下图所示。

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**主机内的处理器系统结构如下：**

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## 2.指令系统（需要掌握） ##

### （1）基本概念： ###

指令系统是计算机硬件的语言系统，是机器所具有的全部指令的集合，反映了计算所拥有的基本功能。（了解）

### （2）指令的组成（了解） ###

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### （3）指令系统划分 ###

指令系统按照其复杂程度可划分为复杂指令系统和精简指令系统，如下图所示：

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### （4）复杂指令系统（CISC）的特点： ###

1.  **指令数量众多**。指令系统拥有大量的指令，通常有100~250条。

1.  **指令使用频率相差悬殊**。最常使用的是一些比较简单的指令，仅仅占指令总数的20%，但是在程序中出现的频率却占80%。而大部分复杂指令却很少使用。

1.  **支持很多种寻址方式**。支持的寻址方式通常为5~20种。

1.  **变长的指令**。指令长度不是固定的，变长的指令增加指令译码电路的复杂性。

1.  **指令可以对主存单元中的数据直接进行处理**。典型的CISC通常都有指令能够直接对主存单元中的数据进行处理，其执行速度较慢。

1.  **以微程序控制为主**。CISC的指令系统很复杂，难以用硬布线逻辑（组合逻辑）电路实现控制器，通常采用微程序控制。

### （5）精简指令系统（RISC）的特点 ###

1.  **指令数量少。**优先选取使用频率最高的一些简单指令和一些常用指令，避免使用复杂指令。

1.  **指令的寻址方式少**。

1.  **指令长度固定**，指令格式种类少

1.  **以硬布线逻辑控制为主**。为了提高操作的执行速度，通常采用硬布线逻辑（组合逻辑）来构建控制器。

1.  **单周期指令执行，采用流水线技术。**因为简化了指令系统，很容易利用流水线技术，使得大部分指令在一个机器周期内完成。

1.  **优化的编译器**。RISC的精简指令集使编译工作简单化。因为指令长度固定、格式少、寻址方式少，编译时不必在具有相似功能的许多指令中进行选择，也不必为寻址方式的选择而费心，同时易于实现优化，从而可以生成高效执行的机器代码。

1.  **CPU中的通用寄存器数量多**，一般在32个以上，有的可能上千个。

### （6）指令流水技术（属于精简指令系统） ###

1.  概念：指令步骤的并行、提高处理器执行指令的效率。假设使用流水线将指令流的处理过程划分为**取指、分析、执行**三个并行处理的过程段。在这个流水线中，处理器有三个操作部件，同时对这三条指令进行加工，加快了程序的执行速度。

1.  流水方式

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1.  **流水线周期**：执行时间最长的一段

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如上图，取指3ns，分析2ns,执行1ns, 则流水线周期是3ns

1.  **流水线执行时间:**（t1 + t2 +... + tk）+ (n - 1) \* Δt

（t1 + t2 + ... + tk）是第一条指令完成的时间，也叫流水线的建立时间。N 表示一共多少条指令，Δt 是流水线周期。

1.  例题：

例如:若流水线把一条指令分为取指、分析和执行三个部分，三部分的时间分别是取指2ns，分析2ns，执行1ns。那么流水线周期是多少?100条指令全部执行完毕需要的时间是多少?

解析:①理论公式:(t1+t2+...+tk)+(n-1)\*△t=(2+2+1)+(100-1)\*2=203

1.  流水线的吞吐率和最大吞吐率：吞吐率是指单位时间内流水线处理机流出的结果数。对指令而言，就是单位时间内执行的指令数。

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e 中例题的TP = 100 / 203= TPmax = 1/2

1.  流水线加速比

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e 中例题的S = (2 + 2 + 1) \*100 / 203 = 500 / 203

## 3.存储系统 ##

### （1）存储器的层次 ###

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### （2）主存储器 ###

a. 概念：主存用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，CPU可直接随机地进行读/写

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b.例题

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题目说内存按字节编址，也就是一个存储单元可以放8位二进制数据，1Byte = 8bit.

求出地址总个数：CBFFFH –A4000H + 1 = 28000H (十六进制)

注意：16进制加减和十进制是一样的加减规则，只要是16才进1，借的话一下借16.

1KB =1024B, 28000H = 2 \* (16^4) + 8 \* (16^3)= 160KB

芯片个数：160KB/32KB = 5（个）

### （3）磁盘阵列 ###

概念：磁盘阵列是由多台磁盘存储器组成的一个快速、大容量、高可靠的外存子系统。现在常见的磁盘阵列称为廉价冗余磁盘阵列（Redundant Array of Independent Disk，RAID）。

RAID机制中总共分8个级别，RAID应用的主要技术有分块技术、交叉技术和重聚技术。

部分类型不考，掌握和了解一下4个级别即可

1.  （掌握）RAID 5（无独立校验盘的奇偶校验码磁盘阵列）；

没有独立的校验盘，校验信息分布在组内所有盘上，对于大批量和小批量数据的读写性能都很好。使用了独立存取技术，阵列中每一个磁盘都相互独立地操作，所以I/0请求可以并行处理。因此，该技术非常适合于I/0需求频繁的应用而不太适合于要求高数据传输率(大型文件)的应用，例如银行、金融、股市等大型数据处理中心的0LTP应用。当有N块阵列盘时，用户空间为N-1块盘容量。

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1.  （了解）RAID 6（具有独立的数据硬盘与两个独立的分布式校验方案）:在RAID 6级的阵列中设置一个专用的、可快速访问的异步校验盘。

1.  （了解）RAID 7（具有最优化的异步高I/O速率和高数据传输率的磁盘阵列），是目前档次最高的磁盘阵列。

1.  （了解）RAID 1 0 （高可靠性与高性能的组合）

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