2021.12.26 第一章. 计算机组成与体系结构
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該系列一共包括十三章
目錄
第一章. 計算機組成與體系結構
第一節. 數據的表示
第三節. 計算機體系結構分類 (Flynn)
第四節. CISC 和 RISC
第五節. 流水線
第六節. 層次化存儲器結構
第七節. cache
第八節. 主存
第九節. 磁盤結構與參數
第十節. 總線
第十一節. 系統可靠性分析與設計
第十二節. 差錯控制——CRC 與海明校驗碼
第十三節. 輸入輸出系統
第一章. 計算機組成與體系結構
ps：在上午考試中一般占到 6 分
2.02 數據的表示
數的表示。不同進制之間的轉換。按權展開法。
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將R進制數轉化為十進制，使用按權展開法。
進制的轉換
1.R 進制轉十進制: 將每一位數字用 R^k 表示然后相加，k 與該位與小數點的距離有關，小數點左邊第一位為 0，右邊第一位為 - 1，往左遞增，網往右遞減，如：二進制數 10100.01=1*2^4+1*2^2+1*2^-2
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原碼 反碼 補碼 移碼
浮點數運算：
浮點數的概念：浮點數即科學計數法，如 1000=1X10^3; 其中，1 為尾數，10 為基數，3 為指數。
計算機中浮點數的運算：當兩個指數不等的浮點數相加時，計算機會把低階浮點數的指數轉化為高階浮點數的指數，如：1.0X103+1.19X102, 計算機會將 1.19X10^2 轉化為 0.119X10^3, 然后作和，然后結果格式化 (即通過指數的轉化保證尾數必須為非零的一位數) 如：0.1119X103+1.119X102; 得到 11.3019X10^3 以后，要化為 1.13019X10^4
2.05 中央處理器（CPU）
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CPU 由運算器和控制器組成
運算器 (ALU）
經常考到。
運算器，算術邏輯單元，ALU，做運算的職能，加法減法
控制器，交互，
加法運算
減法運算
包括：
控制器
包括：
程序計數器 (PC)：程序計數器中存放的是下一條指令的地址。由于多數情況下程序是順序執行的，所以程序計數器設計成自動加一的裝置。當出現轉移指令時，就需重填程序計數器。
指令寄存器 (IR)：中央處理器正在執行的操作碼表存放在這里，即當前正在執行的所有指令
指令譯碼器：將操作碼解碼，告訴中央處理器該做什么。
時序部件
注：
·CPU 的尋址方式除了直接尋址以外還有多種尋址方式，目的是為了在效率和方便性上找一個平衡
·CPU 根據指令周期的不同階段來區分內存中以二進制編碼形式存放的指令和數據
· 指令最先進入到數據寄存器暫存起來，然后在拿到指令寄存器中，再交由指令譯碼器來解碼進而運算 (交給運算器)，而這一過程一結束，就會迅速提取程序計數器中的指令 (即下一條指令)，因此，程序計數器中存儲的始終是暫未執行的，下一條指令的 “地址”；
2.06 計算機體系結構分類 (Flynn)
2.陣列處理器，是對數組進行處理
4.多指令多數據流，現在所使用的機器是這樣的。
2.07 CISC 和 RISC
會給出選項，看哪一項是對的或者錯的。哪一項是誰誰的特點，哪一項不是。CISC是很久之前的了。計算機通用設備。簡化，復雜–>排除，降低了指令的數量。排除了復雜指令。
硬布線邏輯設計，硬件設計復雜，但是設計出來之后，系統效率會很高。
2.08 流水線的基本概念
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流水線能夠充分利用系統。
指令執行的流程：取指——分析——執行, 注：指令執行步驟可能多于三步，應根據題意作答
流水線的概念：流水線是指在程序執行時多條指令重疊進行操作的一種準并行處理實現技術。各種部件同時處理是針對不同指令而言的，他們可以同時為多條指令的不同部分進行工作，以提高各部分的利用率和指令的平均執行速度
2.09 流水線周期及流水線執行時間計算
流水線周期為執行時間中最長的那一段的時間。取值 分析 執行 三者中最長的一段時間。
流水線計算公式：一條指令的執行時間+（指令條數-1）*流水線周期。
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這里面的：理論公式：（t1+t2+...+tk）+（n-1）*△t，△t為流水線周期，為t中最長的一段時間。t1=2ns，t2=2ns，t3=1ns；n=100；所以為（2+2+1）+（100-1）*2。
這里面的：實際公式：(k+n-1)*△t，k=3，三個工序。n=100；（3+100-1）*2=204，這是實際公式計算得到的時間。
2.10 流水線——流水線吞吐率計算
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-Z9bX5gwA-1640573088265)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226105643597.png)]
比如在上一章節，指令條數=100，流水線執行時間=203ns，那么只要記住這兩條公式就行啦。
概念：是指在單位時間內流水線所完成的任務數量或輸出的結果數量 【可以說港口啥的吞吐量，進出貨物的數量，按年為單位】
計算公式：TP = 指令條數 / 流水線執行時間
流水線最大吞吐率計算公式：1/△t；其中 △t 是流水線周期
2.11 流水線——流水線的加速比
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-4hVDDcSi-1640573088266)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226112308532.png)]
不使用流水線所用的時間=（2+2+1）*100=500ns
使用流水線所用的時間=（2+2+1）+99*2=203ns
500/203=約為2.5。加速比反映了使用流水線對程序提高的效率，越高越好。
使用流水線所用的時間這里面的：理論公式：（t1+t2+...+tk）+（n-1）*△t，△t為流水線周期，為t中最長的一段時間。t1=2ns，t2=2ns，t3=1ns；n=100；所以為（2+2+1）+（100-1）*2。
使用流水線所用的時間這里面的：實際公式：(k+n-1)*△t，k=3，三個工序。n=100；（3+100-1）*2=204，這是實際公式計算得到的時間。
概念：完成同樣一批任務，不使用流水線所用的時間與使用流水線所用的時間之比稱為流水線的加速比
加速比計算公式：不使用流水線的執行時間 / 使用流水線執行時間
流水線——流水線的效率
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-42DK69P6-1640573088267)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226112623868.png)]
概念：指流水線的設備利用率
計算公式：E=n 個任務占用的時空區 / k 個流水段的總的時空區 = T0/kTK；即從圖形面積求解面積 【應該是陰影面積占總面積的大小】
如：
該流水線的效率即為 T0=24/KTk=60；等于 0.4
注：所有步驟花費時間相等的指令執行的效率最高
2.12 計算機層次化存儲器結構
注：內存存儲外存的部分內容，cache 存儲內存的部分內容，CPU 只處理 cache 中的指令，cache 的作用是精簡內存中重復出現的指令，提高 CPU 的執行效率，使得計算機的運算速度得到極大的提升；此外，結構中由上至下，速度越來越慢，但容量越來越大
cache并不是必須的。拿掉之后，速度極慢，慢上百倍。cache以kb為單位。內存以mb為單位。
局部性原理的存在提高了效率。循環體，cache與cpu交互。
cache按照內容存取，
2.13 cache的基本概念
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-oTSt0apJ-1640573088268)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226151351812.png)]
除了寄存器cpu，cache的速率是最快的。cache用來提高cpu數據輸入輸出的速率，突破數據傳送的帶寬的限制。利用的是“局部性原理”。
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-EiNTjhhn-1640573088269)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226152650047.png)]
上圖結果是50.95ns
1.cache 的功能：提高 CPU 輸入輸出的速率，突破馮諾依曼瓶頸，即 CPU 與存儲器系統間數據傳送帶寬限制，在程序執行過程中，Cache 與主存的地址映射是由硬件自動完成的。
2.與 cache 相關的計算：如果以 h 代表對 cache 的訪問命中率，t1 表示 cache 的周期時間，t2 表示主存儲器周期時間，以讀操作為例，使用 “chche + 主存儲器” 的系統的平均周期為 t3，則：t3=h*t1+(1-h)*t2；其中，(1-h)又稱為失效率(未命中率)。
注：CPU 會在 cache 中尋找它需要的數據，如果不能找到，CPU 就將前往內存中尋找，而 chche 的訪問命中率就是 CPU 需要的數據在 cache 中被找到的比例，未能找到的數據 CPU 將前往內存中進行再次尋找
3.內存與 cache 地址映射的三種方式：cache 與內存的地址映像方式有三種，分別是直接映像 (cache 的區號與內存的區號一一對應)、全相連映像 (cache 的一個塊號可以對應多個內存的塊號，內存的一個塊號也可以對應 cache 的多個塊號)，組相連映像 (即兩種方式相結合的方法)
注：這三種映射方式都是計算機硬件自動完成的，不是軟件
4.替換算法：替換算法的目的是使 cache 獲得盡可能高的命中率，有以下四種：隨機替換算法、先進先出算法、近期最少使用算法、優化替換算法
注：現代的計算機 cache 系統是分為了三個級別的，訪問時先從第一層開始訪問，直至三個級別的 cache 都被訪問完全時才會訪問內存
5.虛擬存儲器：即 cpu 在給出需要訪問的內存地址時，給出的并不是真正的物理地址，而是物理地址的抽象，虛擬存儲器是由主存 - 輔存兩級存儲器組成
2.14 時間局部性和空間局部性
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-IcLNa3yH-1640573088270)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226152750609.png)]
時間局部性和空間局部性。
工作集是進程運行時被頻繁訪問的頁面的集合。短時間內不被替換。
某個時段去集中的處理某些指令或者讀取某些字段。采用多級存儲體系，速度/量。局部性原理，
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-UqTuiqM4-1640573088270)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226153151616.png)]
如上圖中，體現了時間局部性原理，==剛剛訪問完成的指令，現在還要去訪問。==循環體，執行100w次，頻繁執行循環體的語句內容，
空間局部性原理，對于數組的訪問，讀數組的初始化，操作的是臨近的空間。
2.15 隨機存儲器與只讀存儲器
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-QNBqwjBC-1640573088271)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226154116413.png)]
主存的分類
RAM，一掉電，信息就會丟失。
ROM，一掉電，信息不會丟失。
隨機存取存儲器：簡稱 RAM，斷電后所有數據都將清除，有兩類 RAM：靜態的 (SRAM) 和動態的(DRAM)，SRAM 比 DRAM 速度更快，但價格也更貴。SRAM 用來作為高速緩沖存儲器(Cache)，DRAM 用來作為主存及圖形系統的幀緩沖區。SRAM 將每個位存儲在一個雙隱態的存儲器單元中，DRAM 將每個位存儲為對一個電容的充電，由于電容非常小，在 10~100ms 時間內會失去電荷，所以需要周期性地刷新充電以保持信息
只讀存儲器：簡稱 ROM，斷電后仍然能夠存儲信息
主存的編址
1.概念：主存的編址就是把許多塊芯片組成相應的存儲器
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-7jN5aeCm-1640573088271)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226154705174.png)]
8代表他有8個地址空間，4代表每一個地址空間存儲了4個bit位的地址信息。000
用內存地址，大的減去小的。1C000H。(1)填到的內容是112。
（2）：112k*16bit / 28*16K*X=1 X=4，答案為4位。
注：一般表示方式如下圖，其中左圖一中的 8 表示它有 8 個地址空間，4 表示每一個地址空間存儲了 4 位的信息，而兩個圖一則可以拼接為圖二，兩個圖二可以拼接為圖三
編址相關計算
圖注：其中 H 表示十六進制，存儲單元數量等于大的內存地址減去小的內存地址再加上一；K=1024，第一個空即為存儲單元數量除以 1024
2.16 磁盤工作原理
注：磁道一般分為許多個小的扇形區，即物理塊，磁頭在依次讀取這些物理塊時 (磁頭必須依次讀取)，會在讀取的同時將其存放進緩存區，緩存區可以是單個，也可以是多個，存放完成后會在緩存區花費時間進行處理，處理期間磁頭的讀取不會停止，因此，如果緩存區過少，就會出現：讀取一個物理塊花費了一個周期甚至更長的時間。
磁盤調度管理中，先進行移臂調度尋找磁道，再進行旋轉調度尋找扇區
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-6ArFw5ey-1640573088272)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226160319671.png)]
磁盤，環形盤片來存儲數據，
扇區存儲數據，旋轉等待磁頭到達指定扇區。
存取時間=尋道時間+等待時間。（平均定位時間+轉動延遲）
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-6z9yv8iI-1640573088273)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226161427310.png)]
11個物理塊=11個扇區，
磁盤運作原理，
磁頭讀取數據是3ms。
單緩沖區，
磁盤會均勻轉動。
一圈是33ms，再加3ms，這是（33+3）*10=360ms
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-nwXAdnSY-1640573088274)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226214434862.png)]
上圖，沒有任何的時間浪費，旋轉了兩圈，所以是33*2=66ms。
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-1xFGhlqZ-1640573088275)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226214601717.png)]
2.17 計算機總線
總線的分類
計算機總線，根據總線所處的位置的不同，可以被分為三種類型，分別是：內部總線，系統總線，外部總線。
根據總線所處的位置不同，總線通常被分成三種類型
注：總線上的多個部件之間只能分時向總線發送數據，但可以同時從總線接收數據
2.18 串聯系統和并聯系統可靠性分析
串聯系統
并聯系統
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-ShuZWNcr-1640573088276)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226220805797.png)]
模冗余系統與混合系統
這種題基本不會考到了。記不住公式吧。
圖片解釋：數據輸入 n 個子系統中，它們各自得出自己的結果，然后匯總到表決器，表決器將遵循少數服從多數的原則，輸出大多數子系統得到的那個答案然后進行輸出==【好像投票法的樣子】==
串并聯系統
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-VY8gCoI8-1640573088277)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226221418416.png)]
2.19 校驗碼的概念
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-BrGknI1E-1640573088278)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226221616497.png)]
CRC，
檢錯，檢查出錯誤。
糾錯，糾正錯誤。
碼距：整個編碼系統中任意兩個碼字的最小距離。
2.20 循環校驗碼（CRC ）
檢錯與糾錯
在尾部加上校驗信息，能夠讓余數為0。
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-So5EMWyx-1640573088279)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226222535335.png)]
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-sKjYJTYl-1640573088280)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226222731091.png)]
上圖是模2除法。
下圖也需要采用模2除法。
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-BxtWU68Q-1640573088281)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226223058156.png)]
碼距及其作用
碼距的概念：指整個編碼系統中任意兩個碼字的最小距離, 如 A 變化 X 個位得到 B，則 X 就為碼距，如：若使用 2 位長度的二進制編碼，若以 A=11，B=00 為例，A,B 之間的最小碼距為 2
碼距的作用：增大碼距能夠起到檢錯的作用，因為數據在傳輸的過程中如果鏈路出現了
問題，那么將會使得接收到的二進制數發生變化，若碼距過小，則很可能造成信息的混淆，增大碼距就使得被改變的二進制數混淆信息的概率極大的降低; 若碼距再進行增大，則能夠起到糾錯的作用，因為數據鏈路出錯的概率比較低，只能造成傳輸中極少二進制數的改變，我們可以根據該傳輸失真的二進制數中大部分二進制數的構成來進行推斷，推斷出結果就達到了糾錯的目的。
注：在一個碼組內為了檢測 e 個誤碼，要求最小碼距 d 應滿足：d>=e+1
在一個碼組內為了糾正 t 個誤碼，要求最小碼距 d 應該滿足：d>=2t+1
循環冗余校驗碼——CRC
這是一種可以檢錯但不能糾錯的一種編碼
1.CRC 的概念：在對信息進行編碼的時候在其尾部加入一些校驗信息，讓編碼后的數據能夠與循環校驗碼的生成多項式相除余數為零，若不為零則說明傳輸過程出現了錯誤，其中，原碼加上 (增添在右方) 校驗信息加 (做加法) 上余數所得的碼即為 CRC，
注 (1)：生成多項式是一個二進制數，如 “X4+X3+X+1”, 這個生成多項式實際上就是二進制數 11011；在相除時，需在原碼后方添加一些 0，添加的 0 的個數等于生成多項式的位數減去 1，增加的 0 即為校驗信息。
注 (2)：二進制的除法與算術除法相似，唯一不同的是所得除數在作減法時，減得的值要取絕對值，即 0-1=1；這樣使得整個除法運算中不存在借位。
2.21 海明校驗碼
難點。考察頻度高。
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-oFqdCfe4-1640573088281)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211226223346227.png)]
海明校驗碼，難點，考察的挺多的。哪些位置是校驗位，校驗位。信息位。信息位。
第8位只能放校驗位。
具體的編碼：
[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-cIKh8vHq-1640573088282)(D:/RenXianShou/Documents/TyporaImages/image-20211227104109905.png)]
校驗碼——海明校驗碼
概念：海明碼是一種利用奇偶性進行檢錯和糾錯的校驗碼，是一種插入到信息中的編碼，一般為多個碼，其插入的位置滿足規律：2^r>=x+r+1；其中，x 為信息的二進制數的位數，r 為校驗碼的個數，而插入信息的位置則是 2r-1，2r-2……2^0; 如 r=3 時，校驗碼就插在 1，2，4 位置
校驗碼的計算：如信息 1011，根據公式得出其校驗碼分別放在 1，2，4 位，因此其海明碼將有 7 位數，其中 3，5，6，7 位即為信息位，將 3 寫為 20+21; 將 5 寫為 20+22… 將四個信息的位數用此方法表示以后可得到校驗位的值的計算公式：r0=i4&i3&i2；r1=i4&i3&i1.r2=i4&i3&i2；其中，r 表示校驗位的值，且從 0 開始計數；在信息位被 2^ 表示以后，將都有 2^2 的信息位進行異或操作并將值賦給 r2，將都有 2^1 的信息位進行異或操作并將值賦給 r1，ro 也一樣操作，& 符號即為異或，在異或操作中，二者值相同即等于 1，不同即等于 0，而 ix 則是將其信息位施以一種運算：信息位所處的位置為奇數就將其賦值為 1，信息位所處的位置為偶數就將其賦值為 0，因此 i4=1，i3=0，i2=1，i1=1；
海明校驗碼的作用：將信息轉換為海明校驗碼形式以后，我們就能進行糾錯，如信息 1011，其海明校驗碼的正確形式為 1010101，若收到了 1011101，我們可以將兩個數的校驗碼位的數提取出來，并在對應位置進行異或運算，如該例得到了 001，則說明第 1 位’(左數第一個信息位) 出錯了, 若得到了 010，則說明第二個信息位出錯了。
校驗碼——奇偶校驗碼
概念：一個碼距為 1 的編碼系統加上一位奇偶校驗碼后，碼距就變成了 2。產生奇偶校驗時將信息數據的各位進行模二加法 (即異或運算，相同則和為 0，相反則和為 1)，直接使用這個加法的結果稱為奇校驗。把這個加法值取反后作為校驗碼的稱為偶校驗。從直觀的角度而言，奇校驗的規則是：信息數據中各位中 1 的個數為奇數，校驗碼為 1，否則校驗碼為 0，偶校驗則相反
奇偶校驗碼的作用：使用一位奇偶校驗碼的方法可以檢測出一個奇數或偶數位的錯誤，但無法判斷是哪一位出現錯誤，當錯誤數超過一個時奇偶校驗就無法檢測出來，所以奇偶校驗常用于對少量數據的校驗，這種校驗方式在通信領域被廣泛采用
第十三節. 輸入輸出系統
計算機中主機與外設間進行數據傳輸的輸入輸出的控制方法有程序控制方式、中斷方式、DMA 等，輸入輸出系統是一組固化到計算機內主板上一個 ROM 芯片上的程序
程序控制方式：由 CPU 執行程序控制數據的輸入輸出過程
中斷方式：外設準備好輸入數據或接受數據時向 CPU 發出中斷請求信號，若 CPU 決定響應該請求，則暫停正在執行的任務，轉而執行中斷服務程序進行數據的輸入輸出處理，之后再回去執行原來的被中斷的任務，中斷時根據中斷服務程序的入口地址進行中斷
3.DMA(直接存儲器控制)：CPU 只需向 DMA 控制器下達指令，讓 DMA 控制器來處理數據的傳送，數據傳送完畢再把信息反饋給 CPU，這樣就很大程度上減輕了 CPU 的負擔
注：CPU 是在一個總線周期結束時響應 DMA 請求的，即不是 DMA 一請求 CPU 就響應，而是 CPU 在接收到 DMA 請求后，在該系統總線周期結束后進行響應，因為 DMA 控制器在需要的時候會代替 CPU 作為總線主設備，在不受 CPU 干預的情況下，控制 I/O 設備與系統主存之間的直接數據傳輸
總結
以上是生活随笔為你收集整理的2021.12.26 第一章. 计算机组成与体系结构的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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