计算机组成原理

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一、计算机

计算机发展

  1. 电子管计算机
    • ENIAC：第一台计算机、十进制表示、累加器风格
  2. 晶体管计算机
    • 内存：磁芯存储器
    • 外存：磁鼓、磁带
    • 变址、中断、I/O
    • 出现高级语言
  3. 中/大规模集成电路计算机
    • 微程序、cache、虚拟存储器、流水线
  4. 超大规模集成电路计算机

摩尔定律：每18个月，集成度翻一番，速度提高一倍，价格降低一倍

计算机硬件

采用”存储程序“工作方式：将程序与数据存入主存中，能不在人为干涉下，逐条取指并执行

EDSAC为第一台存储程序计算机

五大部件

  • 运算器、控制器、存储器、输入、输出设备

计算机软件

  • 系统软件：有效、安全使用管理计算机的软件和为开发和运行应用软件而提供的软件
    • 操作系统、语言处理系统、数据库管理系统、各类实用程序
  • 应用软件

计算机系统结构划分

应用

算法

编程

操作系统

ISA 指令集体系结构

微体系结构

功能部件 RTL

电路

器件

翻译程序分类

  1. 汇编程序：将汇编程序翻译成机器语言
  2. 解释程序：将语言逐条翻译成机器语言执行
  3. 编译程序：将高级语言翻译成汇编或机器语言

程序开发过程

  1. 预处理阶段： .cpp->.i
  2. 编译阶段：对预处理后的文件编译，生成汇编语言源程序文件 .s
  3. 汇编阶段：对汇编源程序进行汇编，生成一个可重定位目标文件，是二进制文件 .o
  4. 链接阶段：将可重定位目标文件和标准函数库合并为一个可执行目标文件

计算机性能测试

CPI:执行一条指令所需的时钟周期数 CPI=总周期数/总指令条数

MIPS：(Million Instructions Per Second) 每秒执行多少百万条指令

用基准程序

计算机用户

  1. 最终用户：使用程序完成特定任务(应用层)
  2. 系统管理员：对系统进行配置、管理维护(操作系统提供的抽象层)
  3. 应用程序员：使用高级编程语言编制软件的程序员(编程层)
  4. 系统程序员：设计开发系统软件的程序员(ISA层)

ISA

ISA，指令集体系结构，规定了如何使用硬件，涉及内容：

  • 指令集合
  • 操作数类型
  • 寄存器组结构
  • 存储空间的大小与编址方式
  • 大端，小端？
  • 寻址方式
  • 指令执行控制方式，包括程序计数器、条件码定义

性能

  • 吞吐率：单位时间的工作量
  • 响应时间(执行时间)：从开始到作业结束所用的时间

二、运算

补码溢出

  • 最高次高位进位不同
  • 和的符号和加数符号不同

E1~移~ + E2~移~ = [E1 + E2]~补~

E1~移~ - E2~移~ = [E1 - E2]~补~

校验

码距d为奇数，可以发现d-1位错，纠正(d-1)/2位错

码距为偶数，可以发现d/2位错，纠正d/2-1位错

  • 奇偶校验码距为2，能发现1位错，不能纠错
  • 海明校验码距为3，能发现2位错，纠1位错

海明校验(SEC)

n位数据引入k为校验码，需满足：

$2^K \geq 1 + K + n$

  • 故障字全0：无错
  • 故障字中有1个1：1位校验位错
  • 故障字中有多个1：1位数据位错(分组确认)

浮点数加减步骤

  • 对阶
  • 尾数加减(隐藏位参与运算)
  • 规格化
  • 舍入(保护位|舍入位|粘位)
    • 就近舍入(偶数优先)
    • 正无穷向舍入
    • 负无穷向舍入
    • 朝0舍入
  • 判断溢出

加法器

$P_i = X_i + Y_i$：进位传递函数

$G_I = X_i Y_i$：进位生成函数

  1. 全先行加法器
  2. 局部现行加法器：将数据分组，组内并行，组间串行
  3. 多级现行加法器：将数据分组，组内并行，组间并行

字、字长

字：处理信息的宽度，用于度量数据类型大小

字长：整数运算数据通路宽度，反映了计算机的一种处理信息的能力

三、指令系统

指令必须包含(显示或隐含)的内容

  1. 操作码
  2. 原操作数或操作数地址
  3. 结果的地址
  4. 下条指令地址

指令设计原则

  1. 指令尽量短
  2. 要有充足的操作码位数
  3. 操作码含义唯一
  4. 指令长度是字节的整数倍
  5. 合理选择地址字段的个数
  6. 尽量规整

四、存储器

CS：片选信号

存储器逻辑框图

  • 片选信号CS
  • 写使能WE
  • 读出数据线D
  • 片内地址线A

cache

直接映射

主存地址：主存群号+群内块号+块内地址

  • 命中率最低
  • 关联度最低
  • 判断命中开销最小，命中时间最短
  • 标记所占空间最小
  • 无须替换算法

全相联映射

主存地址：主存块号+块内地址

  • 命中率最高
  • 关联度最高
  • 判断命中时间最长
  • 标记所占空间最大

组相联映射

主存地址：主存群号+cache组号+块内地址

  • n路：每组的行数为n

关联度

  1. 关联度越高，命中率越高
  2. 关联度越低，判断命中开销越小，命中时间越短
  3. 关联度越低，标记所占的空间开销越小

cache替换算法

先进先出FIFO

最近少用LRU

存储周期

存储器一次读写所需时间

DRAM芯片刷新(一次刷一行)

  • 集中刷新(整体刷新一遍)
  • 分散刷新(将存储周期分为两部分)
  • 异步刷新

磁盘

寻道时间：磁头找到磁道所需时间

磁盘操作流程

  1. 所有磁头同步寻道(由柱面号控制)
  2. 选择磁头(由磁头号控制)
  3. 磁头等待扇区到磁头下方(扇区号控制，需从0扇区开始顺序定位到指定扇区)
  4. 读写该扇区的内容

磁盘响应时间 = 寻道时间 + 转到指定扇区时间 + 数据传输时间 + 磁盘控制器开销 + 排队时间

磁盘冗余阵列(RAID)

出现原因：CPU、主存发展快、辅存提高慢

  • RAID是一组物理磁盘驱动器，但只有一个逻辑驱动器
  • 数据分布在一组物理磁盘上
  • 冗余磁盘存放校验信息

RAID0

  • 无冗余
  • 并行发送，I/O响应快
  • 数据传输速率较高

  • 不保证可靠性

RAID1

  • 实现1对1冗余(直接备份完整一份)
  • 读：读定位时间更少的磁盘
  • 写：写两次磁盘

  • 可靠性高、价格昂贵

RAID2

  • 海明校验生成冗余盘，纠正一位错，检测两位错
  • 条区小，传输速率高，但I/O响应差
  • 并行读写
  • 写操作要同时写数据盘和校验盘

  • 贵(已不再使用)

RAID3

  • 奇偶校验生成单个冗余盘
  • 条区交叉分布，使用小条区，数据传输速率高，I/O响应差
  • 用于大容量I/O请求场合

  • 磁盘可以奇偶校验恢复

RAID4

  • 一个冗余盘存放奇偶校验码
  • 大条区交叉分布，I/O响应快
  • 独立存取技术，每个磁盘操作独立进行I/O响应快

  • 少量写：有写损失，需先读之前数据，才能更新校验

  • 大量写：直接根据新数据计算奇偶校验，无需读原数据

RAID5

  • 奇偶校验放在各个磁盘中
  • 独立存取技术，I/O响应快

  • 成本低，效率高

RAID6

  • 对RAID5的扩展，引入第二种奇偶校验，可靠性很高
  • 写入速度慢

RAID7

  • 在RAID6基础上，采用Cache，速度有较大提高

五、总线

I/O性能指标

  • 吞吐率：单位时间内传输数据量
  • 响应时间：响应I/O请求的时间

输入输出系统

解决各种信息的输入输出

  • 输入系统：将人感知的信息转化成二进制输入到系统中
  • 输出系统：将二进制转换成人能感知的信息

总线分类

  • 芯片内总线:芯片内部元件间连接
  • 系统总线:系统主要功能部件间连接
  • 通信总线:主机与I/O设备间连接
  • 数据总线
  • 地址总线
  • 控制总线

组成

控制线

  • clock、reset
  • 总线请求
  • 中断相关
  • 存储器读写信号
  • 传输确认

地址线(宽度反映最大寻址空间)

数据线(宽度反映一次传输数据大小)

基本概念

总线裁决：选择哪个设备使用总线

总线定时：确定总线事务每一步的开始结束

设计趋势：点对点、异步、串行

传输方式：

  • 突发(发送一个地址后，连续传数据，后续地址默认自增)
  • 非突发：一个地址对应一个数据

I/O控制器(I/O接口的职能)

  • 数据缓冲
  • 错误或状态检测
  • 控制和定时
  • 数据格式转换
  • 与主机和设备通信

I/O设备寻址方式

统一编址：与主存空间统一编址，将主存空间分出一部分给I/O串口编号

独立编址

I/O传输方式

轮询方式

OS主动询问设备状态

程序中断方式

设备通知cpu，中断当前进程

直接存储器访问方式(DMA)

存储设备直接与主存进行数据交换

IN命令：读设备信息到CPU，OUT命令：写CPU信息到设备

中断

过程：中断检测(硬件实现)、中断响应(硬件实现)、中断处理(软件实现)

中断响应条件

  • 开中断状态
  • 指令执行完(异常无须指令执行完就要处理)
  • 有未被屏蔽的中断请求

中断响应过程

  • 关中断
  • 保护断点与程序状态
  • 识别中断源(硬件、软件通过判断优先级识别)

中断处理过程

  • 保护现场及旧屏蔽字
  • 查明原因
  • 设置新屏蔽字
  • 开中断
  • 处理中断(可被新的中断打断)
  • 关中断
  • 恢复现场及旧屏蔽字
  • 开中断
  • 清中断请求
  • 返回

DMA

出现原因

  • 轮询cpu利用率低，传输效率低
  • 中断需响应中断请求，需处理断点、保护现场，开销过大

特点

  • 高速缓存和主存间直接传输数据
  • 通过DMA控制器控制数据传输

采用请求-响应方式

  • DMA控制器优先级比CPU更高
  • DMA控制器向cpu发送DMA请求，CPU中断，将总线控制权交给DMA控制器

DMA数据传输方式

  • CPU停止法：DMA传输时，CPU脱离总线
    • CPU访存受限，主线周期没有充分利用
    • 弥补缺点方法：
      • 引入缓存
      • 周期挪用
  • 周期挪用：DMA传输时，CPU让出一个总线事务周期让DMA控制总线，传送完一个数据后立刻释放总线
    • 总线切换开销较大
  • 交替分时：每个存储周期分为两个时间，一个给CPU，一个给DMA

DMA控制器的功能

  • 请求：接收外设发来的”总线请求”信号，并向CPU发送DMA信号
  • 响应：cpu响应后，DMA控制器能接管对总线的控制
  • 能在地址线给出主存地址，并修改主存地址
  • 识别传送方向
  • 确定数据个数
  • 能发出DMA结束信号

DMA操作步骤

  1. DMA控制器初始化(软件实现)
    • 准备内存
    • 设置传送参数
    • 启动外设
  2. DMA数据传输(硬件实现)
  3. DMA结束处理(软件实现)

六、指令

寻址方式

  1. 立即寻址：指令给出操作数本身
  2. 直接寻址：指令给出操作数的地址
  3. 间接寻址：地址存放存储操作数地址的主存单元地址
  4. 寄存器间接寻址：地址为寄存器号，其中存放操作数的有效地址
  5. 变址寻址：指令给出存放基址的地址，偏移量由变址寄存器给出
  6. 相对寻址：相对PC的地址
  7. 基址寻址：指令给出存放偏移量的地址，基址由基址寄存器给出

Clock-to-signal 一定大于 Clock-to-Q

指令系统设计风格

按操作数位置

  1. 累加器型：运算的一个操作数隐含在累加器中
  2. 栈型：操作数必须来自栈顶
  3. 通用寄存器型：使用通用寄存器存放数据
  4. Load/Store型：只有Load和Store指令可以访存

按指令格式复杂程度

  1. CISC：复杂指令集
    • Intel
  2. RISC：简单指令集
    • PowerPC、MIPS、Sun、SPARC、Compaq Alpha

控制信号

  • ALUSrc：选择操作数(0:BusB；1:立即数)
  • ALUCtr：选择ALU操作类型
  • ExtOp：选择扩展类型(1符号扩展)
  • MemtoReg：选择输出到寄存器(0:ALU result；1:Mem)
  • RegDst：0:Rd；1:Rt
  • RegWr：是否写寄存器
  • MemWr：是否写主存
  • Jump

微指令编码

  1. 直接控制法(不译法)：微操作码长度和微命令个数相当
  2. 字段直接编码法
  3. 字段简介编码法：在字段直接编码的基础上进行压缩，某一字段可以表示多组微命令组，具体为哪一个微命令组需要其它字段给出(垂直型微指令)

七、异常中断处理

异常

内部异常

由处理器内部异常引起的异常，按照发生原因分类：

  1. 硬故障中断：由硬连线异常引起(电源掉电、存储器线路错误)
  2. 程序性异常：CPU执行指令时出现的异常(除零、溢出、断点、访问超时、非法操作码、栈溢出、缺页、地址越界)

按照发生异常的报告方式和返回方式不同分类：

  1. 故障(失效)：引起故障的指令启动后，执行结束前被检测到异常；由特定指令产生
  2. 自陷(陷阱、陷入)：先将CPU设定为某个特定的状态，在程序执行过程中，当满足一定状态的条件时，执行特定的程序对其进行处理，执行完异常处理后回到下一条指令执行；由特定指令产生
  3. 终止：指令执行过程中出现了使机器无法继续执行的硬件故障(掉电、线路故障等)，调出中断服务程序重启系统(随机发生)

中断

外部中断

外设完成任务或发生特定事件(打印机缺页、键盘缓冲满等)，会向CPU发中断请求

异常处理步骤

  • 关中断
  • 保护断点和程序状态
  • 识别异常并处理
Lecture Notes

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