计算机系统基础知识——计算机硬件

1. 计算机系统的基本概念

• CPU的性能指标：主频、字长、CPU缓存、核心数量

• 总线的分类：数据总数、控制总线、地址总线

• 总线的性能指标：带宽、位宽、工作频率

• BIOS（基本输入输出程序，保存ROM芯片中）/CMOS（RAM芯片，电池供电，保存BIOS数据，断电不丢失数据）

• 系统性能评测方法：时钟频率、指令执行（KIPS/MIPS）、等校指令速度法、数据处理速率（PDR）、核心程序法、基准测试程序。

• 中央处理单元：

1. 功能：程序控制、操作控制、事件控制、数据处理

2. 组成： 

运算器：算术逻辑单元ALU、累加寄存器（被减数暂存，运算数据结果暂存）、数据缓冲寄存器DR(暂存指令或数据字)、状态条件寄存器PSW(进位标志C、结果溢出标志V，0标志Z，负标志N，中断标志I，方向标志D，单步标志)等组成，负责数据加工处理，受控制器命令

控制器：正确执行，，异常处理，指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑、中断控制逻辑 指令寄存器IR：暂存CPU指令 程序计数器PC：第一次是程序的第一条指令地址，之后是将要执行的下一条指令的地址 地址寄存器AR：当前CPU访问的内存单元地址 指令译码器ID：操作码和地址码

• 时序控制，为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号，总线逻辑，为多个功能部件服务的信息通路的控制电路，中断控制逻辑，控制各种中断请求，根据优先级的高低对中断请求进行排队，诸葛交给CPU处理

• 多核CPU：一个单芯片上面集成两个甚至更多个处理器内核，每个内核有自己的逻辑单元、控制单元、中断处理器、运算单元、一级Cache，二级Cache共享或独有

• 存储器：

1. 所处位置的分类：内存、外存，

2. 按构成材料分类：磁存储器、半导体存储器、光存储器，

3. 工作方式分类：读写存储器、只读存储器（固定只读存储器ROM、可编程的只读存储器PROM、可擦除可编程的只读存储器EPROM、电可擦除可编程的只读存储器EEPROM、闪存Flash）

4. 按访问方式分类：按地址访问、按内容访问

5. 按寻址方式分类：随机存储器RAM，顺序存储器SAM，直接存储器DAM

相联存储器：一种按内容访问的存储器，把数据或数据一部分作为关键字，按顺序写入信息，适合信息检索和更新 

相联存储器中，输入检索寄存器用来存放要检索的内容(关键字)，屏蔽寄存器用来屏蔽那些不参与检索的字段，比较器将检索的关键字与存储体的每一单元进行比较。每一位有一个比较器

常用来作为段表、页表、块表，用在数据库和知识库中

• 高速缓存：存放当前最活跃的按程序和数据

1. 组成：Cache 存储器中控制部分的功能是判断 CPU 要访问的信息是否在 Cache 存储器中,若在即为命中，若不在则没有命中。命中时直接对 Cache 存储器寻址;未命中时，要按照替换原则决定主存的一块信息放到 Cache 存储器的哪一块里。

2. 地址映像方法：直接映像（主存的块与Cache对应的块是固定的，灵活性差，地址变换简单）、全相联映像（主存的任意一块可以调入Cache，分块，块内地址大小为相联存储器大小，利用主存地址高位表示的主存块号与Cache中相联存储器单元所有单元中记录的主存块号进行比较，无法从主存块号中直接获得Cache块号，变换比较复杂，速度慢，调入Cache位置灵活）

3. 组相联映像：将Cache中的块分成组，主存任何区的0组只能存到Cache的0组中，1组只能存到Cache的1组中

• 替换算法：随即替换算法、先进先出算法、近期最少使用算法、优化替换算法

什么是Cache

• 功能：提高CPU数据输入输出的速率，突破所谓的“冯*诺依曼瓶颈”。

• 速度：在计算机的存储系统体系中，Cache是访问速度较快的层次。

• 原理：使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理。

• 组成：Cache由两部分组成：控制部分和Cache存储器部分。

平均系统周期时间（以读操作为例：使用“Cache + 主存储器”）

多级Cache原理

Cache和主存之间的交互功能全部由硬件来实现，主存和辅存的交互功能由硬件和软件结合起来实现。

 多级Cache技术是指利用一个大的二级Cache来处理一级Cache的缺失，一级Cache是CPU的第一层高速缓存，分为数据缓存和指令缓存，内置于CPU中，均由静态RAM组成（无需动态刷新，但集成度低，占用面积比动态RAM大 6倍），受CPU工艺影响无法做得太大，L1级的Cache一般容量在32~256KB之间。

 L2级别的Cache是CPU的第二层高速缓存，由高速动态RAM组成，分为片内和片外两种芯片，内存的芯片二级缓存运行速度与主频相同，而外部二级缓存则只有主频的一半。目前家用CPU L2 Cache的最大容量是4MB。

地址映像

在计算机运行的过程中，需要知道Cache与内存地址的影射关系，需要由一块存储器保存相关映射数据，成为地址映像。

• 通常是由SRAM（Static Random Access Memory静态存储器）组成，其访问速度远高于主存，接近CPU。

• 其功能是提高CPU数据输入输出的速率。其理论依据是程序的局部性原理，实现基础是将主存和Cache划分为大小相同的块/页。

• 装入缓存时将主存块与Cache块的映射关系存入相联存储表（硬件实现）中。

• CPU通过主存地址访存时先访问Cache（命中可提高速度，所以其关键性性能指标是命中率），依据==主存地址关联相联存储表==转换为Cache地址。如果在Cache中没有，才需要访问主存（Cache页置换，置换算法也会影响命中率）。

地址映像方式

• 直接映像和变换

• 主存储器中一块只能映射到Cache的一个特定块中

• 主存与缓存分成相同大小的数据块

• 主存空间按缓存容量分成区，每一区的块数与缓存的总块数相等。

• 主存中某区的一块存入缓存时只能存入缓存中块号相同的位置。

特点：

• 地址变换电路简单，访问速度快

• 空间利用率低，冲突概率高

• 对页面置换算法以来度较高，且Cache空间利用率较低，命中率较低。

• 全相联地址映像和变换

• 主存的任意一块可以映射到cache中的任意一块的位置上

• 主存与缓存分成相同大小的数据块

• 主存的某一数据块可以装入缓存的任意一块空间中

特点：

• 空间利用率高，命中率较高

• 冲突概率低

• 实现复杂，速度慢，适合小容量cache

• 组相联地址映像和变换

• 主存和cache按相同大小分块

• cache分为若干组，如两块一组，主存按cache组数分区

• 每个组采用直接映射方式

• 组内的块则采用全相联映像方式

特点：

• 是以上两种方式的折衷

• 实现难度和造价要比直接映像方式高

Cache性能：命中率、Cache存取时间，主存访问事件

• 虚拟存储器：扩大主存容量

• 外存储器：磁盘（磁道track、扇区sector、柱面cylinder，寻址信息包括磁盘驱动号、柱面号、磁头号、数据块号、交换量，读写时间取决于传送时间、寻道时间、旋转时间、）、光盘存储器、固态硬盘SSD（控制芯片、缓存芯片、闪存芯片）

计算非格式化容量

 容量 = 面数 x （磁道数/面）x 内圆周长 x 最大位密度

计算格式化容量

 容量 = 面数 x （磁道数/面）x （扇区数/道）x（字节数/扇区）

• 磁盘阵列技术RAID(redundant array of Independent disk)：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

• 存储域网络SAN（stronge area network）：存储器和服务器连接的网络，将不同地点的RAID组成一个逻辑存储设备

总线

• 按传输类型，分为数据总线、地址总线、控制总线 控制芯片组，集成在主板上

北桥芯片直接与 CPU、内存、显卡、南桥相连，控制着 CPU 的类型、主板的总线频率、内存控制器、显示核心等。前端总线(FSB)是将 CPU 连接到北桥芯片的总线。内存总线是将内存连接到北桥芯片的总线。用于和北桥之间的通信，显卡则通过 IO 总线

连接到北桥芯片。南桥芯片主要负责外部设备接口与内部 CPU的联系，其中，通过 O 总线连接外部IO 设备连接到南桥，例如 USB 设备、ATA 和 SATA 设备以及一些扩展接口，扩展总线则指是主板上提供的一些 PCI、ISA 等插槽。

单芯片结构没有北桥

常见总线ISA总线、EISA总线、PCI总线、PCIE总线、前端总线、RS232C、SCSI总线（并行）、SATA(Serial ATA)、USB、IEEE-1394、IEEE-488

总线的性能指标：

带宽（bit/s，单位时间内能处理的数据量） = 位宽（bit，总线宽度）x 工作频率（Hz, 1/s）

输入输出控制

• IO有单独的内存空间

• 访问方式：无条件传送、程序查询

• 中断方式：多中断信号线、中断软件查询、菊花链、总线仲裁、中断向量表

• DMA方式，直接内存存取，以块为单位，所以说dma将一块数据传输到内存中，DMA传输可以分为中央处理器停止法、总线周期分时法、总线周期挪用法，在传送数据块的过程中不需要CPU干涉（过程开启和结束时需要CPU处理，传送数据过程中不需要CPU干预。）

• DMA的工作方式：

• 向CPU申请DMA传送

• CPU允许后，DMA接受系统总线的控制权

• 在DMA控制器的控制下，在主存和外部存储器之间交换数据，交换过程中不需要CPU的参与，传送开始前需要CPU提供传送数据的起始地址和数据长度。

• 传送结束后，向CPU返回操作完成信号。

输入输出处理机（IOP）：通道是一个特殊功能的处理器，外围处理机是专用处理机