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计算机组成原理 学习笔记I
计算机组成原理 学习笔记II

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第一章 计算机系统概述

1.1 计算机的发展(不考)

计算机系统= 硬件+软件

• 软件
  • 软件的分类
    • 系统软件——用来管理计算机系统
      如：操作系统、数据库管理系统(DBMS)
    • 应用软件——按任务需要编制成的各种程序
  • 软件的发展
    • 编程语言的发展
    • 系统软件的发展

ENIAC——世界上第一台电子数字计算机(1946)
通过手动接线来控制计算

• 硬件
  • 硬件的发展
    • 第一代：电子管时代——高级计算语言：FORTRAN、操作系统雏形
    • 第二代：晶体管时代
    • 第三代：中小规模集成电路时代——分时操作系统
    • 第四代：大规模、超大规模集成电路时代——“微处理器CPU”、微型计算机、PC
  • 微处理器的发展
    • 机器字长：计算机一次整数运算所能处理的二进制位数——8位、16位、32位、64位
    • 8080——8位
    • 8086——16位
    • …Pentium——64位…
  • 硬件发展的历史(1947-1969)
  • 摩尔定律

1.2 计算机硬件的基本组成

1.2.1 计算机硬件组成

• 计算机硬件的基本组成
  • 五大部分(存储器分为内存储器和外存储器)
    • I/O设备(+外存储器=外设)
      • 输入设备
      • 输出设备
    • 主机
      • 主存储器(内存储器)：存放数据和程序
      • CPU
        • 运算器：算术运算、逻辑运算
        • 控制器：指挥各部件、使程序运行

EDVAC——世界上第一台冯诺依曼结构的计算机

• 早期冯诺依曼机结构

  • 首次提出“存储程序”概念
  • 冯·诺伊曼机的特点：
    • 以运算器为中心

• 现代计算机结构

  • 以存储器为中心
  • CPU=运算器+控制器

1.2.2 各个硬件的工作原理🌟

存储体：
MAR(存储地址寄存器，Memory Address Register)：
MDR(存储数据寄存器，又称存储通用寄存器，Memory Data Register)：
⚠️注意：现在的计算机通常也把MAR、MDR集成在CPU内

• 主存储器的基本组成
  • 相关概念
    • 存储单元：每个存储单元存放一串二进制代码(每一个地址对应一个存储单元)
    • 存储字(word)：存储单元中二进制代码的组合
    • 存储字长：存储单元中二进制代码的位数
    • 存储元：
  • 主存储器的组成
    • 存储体：数据在存储体内按地址存储
    • MAR：MAR位数反应存储单元的个数
    • MDR：MDR位数=存储字长
      例如：
      若MAR=4位->共有2^4个存储单元
      若MDR=16位->每个存储单元可存放16bi，(此时)1个字(word)=16bit
  • 运算器的基本组成(前三个必须具备)
    • ACC(累加计数器)：
    • MQ(乘商寄存器)：
    • X(通用寄存器)：
    • ALU(算术逻辑单元)：
  • 控制器的基本组成
    • CU(控制单元)：
      IR(指令寄存器)：
      PC(程序计数器)：
  • 工作过程
    • 初始：指令、数据存入主存，PC指向第一条指令(此时PC=0)
    • 从主存中取指令放入IP、PC自动加1、CU分析指令、CU指挥其他部件执行指令

1.2.3 计算机系统的层次结构

编译、汇编、解释程序可统称为解释程序

• 计算机系统的层次结构
  • 软件
    • 虚拟机器 M4(高级语言机器)：执行高级语言
    • 虚拟机器 M3(汇编语言机器)：执行汇编语言
    • 虚拟机器 M2(操作系统机器)：向上提供广义指令
  • 硬件(计组主要讨论)
    • 传统机器 M1(用机器语言的机器)：执行机器语言指令
    • 微程序机器 M0(微指令系统)：执行微指令
• 三个级别的语言
  • 语言
    • 高级语言
    • 汇编语言
    • 机器语言
  • 程序
    • 编译程序——
    • 汇编程序——
    • 解释程序——

1.3 计算机的性能指标🌟🌟

总容量：存储单元个数x存储字长，单位bit(Byte)
例：MAR为32位，MDR为8位
总容量 $=2^{32}\times 8bit=4GB$

CPU主频——单位为Hz的含义——每秒钟振荡的次数(CPU时钟周期数)——时周数/s

执行一条指令的耗时 =CPI x CPU时钟周期
CPU执行时间(整个程序的耗时) = CPU总时钟周期数/主频 = (指令条数 x CPI)/主频
IPS =主频/平均CPI——指令数/s
其中CPI——时周数/指令，/表示“每”

🌟公式推导的独家方法：将上述的P当成/，也就是分号
IPS=I/S
CPI=C/I
主频=C/S——时钟周期数

• 存储器的性能指标
  • 总容量：
• CPU的性能指标
  • 相关概念
    • CPU主频(时钟频率)：CPU内数字脉冲信号振荡的频率，单位：Hz
    • CPU时钟周期：(与CPU主频互为倒数，)单位：微秒us、纳秒ns
    • CPI(Clock Per Instruction)：执行一条指令所需的时钟周期数 ⚠️注：不同的指令CPI不同，相同的指令CPI也不一定相同，一般讨论平均CPI
    • IPS(Instructions Per Second)：每秒执行多少条指令
    • FLOPS(Floating-point Operations Per Second)：每秒执行多少次浮点运算，KFLOPS、MFLOPS、GFLOPS、TFLOPS(此处KMGT为计网量纲)
• 系统整体的性能指标
  • 数据通路带宽：数据总线一次所能并行传送信息的位数(各硬件通过数据总线传输数据)
  • 吞吐量：指系统在单位时间内处理请求的数量
  • 响应时间：通常包括
    • CPU时间——运行一个程序花费时间
    • 等待时间——磁盘访问、存储器访问、I/O操作、操作系统开销等
  • 基准程序(动态测试)：也就是常见的“跑分软件”，测量计算机处理速度

第二章 数据的表示和运算

2.1 数据

2.1.1 进位计数制

二进制——B——Binary
十六进制——H——Hexadecimal或者0x，如0x1652
十进制——D——Decimalism
例： (1682)16 = 1682H

⚠️：有的十进制数无法用二进制精确表示，如：0.3
0.3D=0.01001…B

真值->机器数
+15->0 1111
-8->1 1000

• 各种进制
  • 罗马数字
  • 十进制
  • r进制
    • 二进制(使用原因)
      • 可使用两个稳定状态的物理器件表示
      • 0，1正好对应逻辑值真、假，方便实现逻辑运算
      • 可很方便地使用逻辑门电路(一种处理二进制的元器件)实现算术运算
    • 八进制
    • 十六进制
• 🌟其他进制转换成十进制
• 🌟二、八、十六进制之间的相互转换(注意补位)
  • 二进制->八进制：3位一组(注意补位)
  • 二进制->十六进制：4位一组(注意补位)
  • 八进制->二进制：1位对应用3位表示
  • 十六进制->二进制：1位对应用4位表示
• 🌟十进制转换成其他进制
  • 十进制->r进制
    • 整数部分——除基取余法(转换成什么进制——基就取r，也就是除数取r)，取数应从下往上(最下面的数是最高位)
    • 小数部分——乘基取整法，取数应从上往下(最上面的数为小数部分的最高位)
  • 🌟十进制->二进制->r进制
    • 拼凑法——先用拼凑法将十进制数转换成二进制再转换成对应的r进制
• 真值和机器数(有个了解即可)
  • 真值：实际的带正负号的数值
  • 机器数：把正负号数字化的数(如：0表示+，1表示-)

2.1.2 BCD码(Binary-Coded Decimal)(不考)

• 计算方法：相加所得结果大于等于10，对应二进制就需要加6进行修正(+0110)
• 常见的BCD码
  • 8421码
  • 余3码(无权码——每一位的权制并不固定)
  • 2421码

2.1.3-2.1.4 符号整数的表示和运算

• 无符号整数
  • 加法运算——从最低位开始，按位相加，向更高位进位
  • 减法运算(补码)——被减数不变，减数全部位按位取反、末位+1，减法变加法
• 带符号整数(整数，又称定点整数)
  short型(短整型，2B)、int型(整型，4B)
  计算机内部，所有带符号整数的加减法都要先转换成对应的补码
  • 原码
    • 0正1负、机器字长n+1位，表示范围±(2^n-1)，真值0有两种形式[±0]原
  • 反码
    • 正数——原码、反码、补码相同
    • 负数
      • 原码与反码互相转换：符号位不变，数值位取反，[x]原<->[x]反
      • 反码转换成补码：末位+1，[x]反->[x]补
  • 补码
    • 原码直接转换成补码(相互转换):自右向左找到第一个1，将其左边的所有数值位按位取反
    • [B]补与[-B]补相互转换：全部位按位取反、末位+1
    • 补码的减法运算——被减数不变，减数全部位按位取反、末位+1，减法变加法(与无符号整数相同，用同一套电路即可处理所有的加减法，省钱)

2.1.5 原反码的特性对比

🌟带符号整数的补码，合法表示范围为-2^n ≤ x ≤ 2^n-1，比原码多一个负数
且只有一种方法表示真值0，[0]补=0,000…0000(真值0只有一种补码)

2.1.6 移码

移码：补码的基础上将符号位取反
⚠️：移码只能用于表示整数
四码之间的转换(练习)

2.1.7 定点小数

• 定点数
  • 定点整数——带符号整数
  • 定点小数
• 定点小数
  • 原码：各个bit的位权不同——$2^{-1}、2^{-2}...$
  • 原码/反/补码——与定点整数相同
  • 加/减运算——先转换为补码(符号位参与运算)——其余与定点整数相同

🌟2.2 运算方法和运算电路

2.2.0 奇偶校验码(大纲已删)

• 校验原理
• 奇偶校验
  • 奇校验：整个校验码(有效信息位和校验位)中的1的个数为奇数
  • 偶校验：整个校验码中的1的个数为偶数
  • 检测不出偶数个位发生错误
  • 硬件实现
    • ⊕：异或(模2加)
      • 0⊕0 = 0
      • 0⊕1 = 1
      • 1⊕0 = 1
      • 1⊕1 = 0
    • 偶校验：各信息进行异或(模2加)运算，得到的结果即为偶校验位，如01001101——1⊕0⊕0⊕1⊕1⊕0⊕1=0(偶校验位为0)

2.2.1 电路的基本原理、加法器设计

• 算术逻辑单元(ALU)
  • 作用、大致原理
    • 功能
      • 算术运算：四则运算
      • 逻辑运算：与、或、非、异或等
      • 辅助功能：移位、求补等
  • 电路基础知识

    • 最基本的逻辑运算(表达式——真值表——门电路)
      门电路的输入输出信号本质上就是一些高低电平(5V/1V)
      非门的门电路图示中有个小圈圈
      优先级：与>或

      • 与——Y=A·B——类比C语言中“&&”——“与门”——天然逻辑“屏蔽“
      • 或——Y=A+B——“||”
      • 非——Ā——“!”

    • 复合逻辑
      反演律(德摩根律)：
      $$\begin{gathered} \overline{A+B}=\overline{A}\cdot \overline{B} \\ \overline{A\cdot B}=\overline{A}+\overline{B} \end{gathered}$$

      • 与非
      • 或非
      • 异或⊕
  • 加法器的实现

2.2.2 并行进位加法器(佛系一点)

2.2.3 补码加减运算器(新考点)

• 加法器原理

2.2.4 加减运算的补充

2.2.4.1加减运算和溢出判断

• 加减运算
  • 原码的加减运算
  • 补码的加减运算
• 溢出判断

  • 采用一位符号位
    

  • 采用一位符号位，根据数据位进位情况判断溢出——插入LaTex

  • 🌟采用双符号位
    实际存储时只存储1个符号位，运算时会复制一个符号位(不会增加存储空间)

2.2.4.2 标志位的生成(对加法器2.2.3的补充, 新考点)

• 标志位的生成
  • OF(Overflow Flag)溢出标志(仅对有符号数加减法有意义)
  • SF(Sign Flag)符号标志(仅对有符号数加减法有意义)
  • ZF(Zero Flag)零标志
  • CF(Carry Flag)进位/借位标志(仅对无符号数加减法有意义)

2.2.5 定点数的移位运算

• 🌟算数移位
  • 原码(定点小数同理)——符号位保持不变，仅对数值进行移位
    • 右移：高位补0，低位舍弃…相当于÷2，舍弃位≠0——丢失精度
    • 左移：低位补0，高位舍弃…相当于x2，舍弃位≠0——严重误差
  • 反码(负数反码的移位运算)
    • 右移：高位补1，低位舍弃
    • 左移：低位补1，高位舍弃
  • 🌟补码
    规律：负数补码中，最右边的1及其右边同原码；左边同反码
    • 右移(同反码)：高位补1，低位舍弃
    • 左移(同原码)：低位补0，高位舍弃
  • 总结：左移相当于x2；右移相当于÷2——左乘右除
    负数补码移位规律——右反高1，左原低0
  • 应用举例：-20x7->-20x($2^0+2^1+2^2$)，相当于-20依次加上-20不左移、左移1位、左移2位
• 逻辑移位(看作“无符号数”的算数移位——高/低补0)
  • 逻辑右移：高位补0，低位舍弃
  • 逻辑左移：低位补0，高位舍弃
  • 应用举例：RGB=R+G+B——Red+Green+Blue——红绿蓝
    R=用3B存储无符号数，逻辑左移16位
    G=用3B存储无符号数，逻辑左移8位
    B=用3B存储无符号数
    相加得3B的RGB值
• 循环移位
  • 循环左/右移(字面意思)
    • 带进位(CF)为的循环左/右移：同理
    • 不带进位位…
  • 应用举例：汉字“啊”——占2B位置；
    大端存储：先存放高字节，再存放低字节
    小端存储：先存放低字节，再存放高字节
    可以通过循环左移8位，实现大/小端存储的调换

2.2.6 定点数的乘法运算

2.2.6.1 原码的乘法运算

• 乘法运算的实现思想
  通过“移位”实现——$\times 2^{-5}相当于右移5位,\times 2^5相当于左移5位——左乘右除$
  • 运算器
    • ACC——(存储)乘积高位
    • MQ——乘数、乘积低位
    • X——被乘数(被乘数绝对值的原码)
• (定点数)原码的一位乘法(参与运算的当前位只有1位)
  • 符号位单独处理：符号位$X_S\oplus Y_S$
  • 数值位：取绝对值进行乘法计算
  • 实现方法：先加法再移位(逻辑右移，高位补0)，重复n次(数值位为n位)
  • 🌟运算过程(进行乘法之前，ACC置0)：画运算器图，手动模拟！
    当前位=1，(ACC)-(被乘数)->ACC(在ALU中完成)，即$(ACC)+[|x|{]}_{原}$
    当前位=0，ACC加上0
    每次加法操作后，ACC、MQ统一逻辑右移1位，(ACC)高位补0，执行n次
    最后修改符号位——$X_S\oplus Y_S=1/0$

2.2.6.2 补码的乘法运算

2.2.7 定点数的除法运算

2.2.7.1 原码的除法运算

• 除法运算的实现思想
  • 运算器
    • ACC(Accumulator)——被除数、余数
    • MQ(Multiple-Quotient register)——商
    • X——除数
• 🌟原码除法
  • 恢复余数法
    • 符号位单独处理：符号位$X_S\oplus Y_S$
    • 数值位：取绝对值进行除法计算
    • 实现方法：上商0/1，得到余数，余数末尾补0
    • 🌟运算过程：画运算器图，手动模拟！
      默认上商1，如果出错再改上商0，并“恢复余数”(相减结果为负数, 上商0)
      求余数：
      (ACC)-(除数)->ACC，即
      $(ACC)+[-|y|{]}_{补}->ACC$(，若ACC为负数，则“恢复余数”)
      恢复余数：
      (ACC)+(除数)->ACC，即
      $(ACC)+[|y|{]}_{补}->ACC$(，改上商0)
      每次减法操作后，ACC、MQ统一逻辑左移1位，(MQ)低位补0，执行n次
      ==注：==若最后一步商余数为负，还需要再恢复一次余数并商0
      若为定点小数的除法运算，则小数点隐含位置应在符号位后
      真实余数还需要在ACC中数的基础上在$\times 2^{-n}$
      如，$余数=0.0111\times 2^{-n}$
      最后修改符号位——$X_S\oplus Y_S=1/0$
  • 加减交替法(不恢复余数法)

2.2.7.2 补码的除法运算

• 🌟补码除法
  • (补码)加减交替法(不恢复余数)
    • 符号位参与运算(被除/余/除数均采用双符号位，其中01表正，10表负)
    • 实现方法：
      • 

2.2.8 C语言类型转换

2.2.9 数据的存储和排列

现代计算机通常是按字节编址，即每个字节对应1个地址——通常也支持按字、按半字、按字节寻址
假设存储字长(机器字长)为32位，则1个字=32bit，半字=16bit。
每次访存只能读/写1个字

• 大小端模式
  最高有效字节(MSB)、最低有效字节(LSB)
  • 大端方式——内存地址从低到高——便于人类阅读——先读入最高有效字节
  • 小端方式——便于机器处理——先读入最低有效字节(最应先被处理的字节)
• 边界对齐
  • 边界对齐方式——空间换时间
  • 边界不对齐方式

🌟2.3 浮点数的表示和运算

2.3.1 浮点数的表示

• 浮点数的作用和基本原理
• 浮点数规格化
• 浮点数的表示范围(大纲已删)

2.3.2 IEEE 754 标准

两个重要的例子：(Goodnotes手算)

• 将==-0.75D==转换成IEEE 754 的单精度浮点数格式(float)表示
• IEEE 754 的单精度浮点数 C0 A0 00 00 H的值(浮点数真值)为多少

2.3. 3 浮点数的(加减)运算

• 🌟(浮点数的)加减运算
  • 运算步骤
    • (做题时一般要先进行)真值到机器数的转换
    • 对阶
    • 尾数加减(尾数求和)
    • 规格化
    • 舍入
      • "0"舍"1"入法
      • 恒置"1"法
      • 截断法(恒舍法)
    • 溢出判断
      • 阶码上溢——抛出异常(中断)——说明此时发生的是正/负上溢
      • 阶码下溢——按机器0处理——超出阶码负数所能表示的最小值
• (C语言)强制类型转换(浮点数与定点数之间)
  • 无损
    • char->int->long->double
    • float->double
      范围、精度从小到大，转换过程没有损失(默认32位机器)
  • 🌟(常考)有损——32位(机器)
    • int->float(int向float转换)：可能会损失精度
    • float->int：可能溢出(float表示范围超出)及损失精度
      int：表示整数，范围$-2^{31}\sim 2^{31}-1$，有效数字32位(int型变量表示一个定点的整数，1个符号位+31个有效的数值位)
      float：表示整数及小数，范围$\pm [2^{-126}\sim 2^{127}\times (2-2^{-23})]$，有效数字23+1=24位(float型变量，1个符号位+8个阶码+23个尾数(23位尾数之前实际还有一个隐含的1——实际有效数值应为24位))

第三章 存储系统

3.1 存储系统的概念

• 🌟层次结构
  • 高速缓存(Cache)——可直接被CPU读写
  • 主存储器(主存、内存)——可直接被CPU读写
  • 辅助存储器(辅存、外存)
• 分类
  • 按层次结构(同上)
  • 按存储介质
    • 半导体存储器
    • 磁表面存储器
    • 光存储器
  • 🌟按存取方式
    • 按地址访问的存储器
      • RAM(Random Access Memory)随机存取存储器——如内存
      • SAM(Sequential Access Memory)顺序存取存储器——如磁带(Sequential 按顺序的)
      • DAM(Direct Access Memory)直接存取存储器——如磁盘
    • 按内容访问的存储器
      • CAM(Content Access Momory)相联存储器——如快表
  • 按信息可更改性
    • RWM(Read/Write Memory)读/写存储器——即可读，也可写
      • 如：磁盘、内存、Cache
    • ROM(Read-Only-Memory)只读存储器
      • 如：实体专辑CD-ROM，实体蓝光光碟，BIOS通常写在ROM中——集成在主板上
  • 按断电后信息是否消失
    • 易失性存储器——如主存(内存)、Cache
    • 非易失性存储器——如磁盘、光盘
  • 按信息读出后，原信息是否被破坏
    • 破坏性读出——如DRAM芯片——读出数据后要进行重写
    • 非破坏性读出——如SRAM芯片、磁盘、光盘
• 存储器性能指标
  • 存储容量=存储字数(MAR位数，如$2^{32}$)x存储字长(MDR位数，如8位)
  • 单位成本(每位价格)=总成本/总容量
  • 🌟数据传输率(主存带宽Bm)=数据的宽度/存储周期
  • 🌟存取周期™=存取时间(Ta)+恢复时间

3.2 主存储器

3.2.1 主存储器的基本组成

• 基本元件(DRAM)
  • MOS管，一种通电开关——半导体元器件——低电平绝缘体，高电平导体
  • (栅极)电容，存储电荷(即存储二进制0/1)——两端电压差(一端接地)——电荷移动
• 存储芯片的结构
  • 译码驱动电路
    • 译码器将地址信号转化为字选通线的高低电平
  • 存储矩阵(存储体)
    • 由多个存储单元组成，存储单元又有多个存储元组成
  • 读写电路
    • 每次读/写一个(存储)字——4B
  • 地址线、数据线、片选线($\overline{CS}/\overline{CE}$)、读写控制线(一根/两根读写线$\overline{WE}低电平写/高电平读；\overline{WE}允许写，\overline{OE}允许读$)
    CS——Chip Select(片选信号)、CE——Chip Enable(片使能…)
    WE——Write Enable(写使能…)、OE——Output Enable(输出使能…)
    注：上划线表示该信号低电平有效
• 寻址
  • 现代计算机通常按字节编址(每个字节)，即每个字节对应一个地址
  • (也可)按字节寻址、按字寻址、按半字寻址、按双字寻址

3.2.2 DRAM和SRAM(RAM)

Dynamic Random Access Memory，即动态RAM
Static Random Access Memory，即静态RAM
DRAM用于主存、SRAM用于Cache
🌟高频考点：DRAM、SRAM的区别

• 🌟存储元件不同导致的特性差异(核心区别：存储元不同)
  • DRAM——栅极电容(1个MOS管)
    • 电容放电后信息被破坏(破坏性读出)，读出后应有重写操作，也成“再生”——读写速度更慢
    • 一条数据线
      • 读出1(电容内存储了电荷):MOS管接通，电容放电，数据线上产生电流
      • 读出0(电容内未存储电荷):MOS管接通，数据线上无电流
  • SRAM——双稳态触发器(6个MOS管)
    • 读出数据，触发器状态保持稳定(非破坏性读出)，无需重写——读写速度更快
    • 两条数据线
      • BL——读出0时，BL为低电平
      • BLX——读出1时，BLX为低电平
• DRAM的刷新
  电荷内的电荷只能维持2ms。即使不断电，2ms后信息也会消失。2ms内必须刷新一次(给电荷充电)
  • 刷新有关问题——行缓冲
    • 刷新周期：一般为2ms
    • 行缓冲：以行为单位，每次刷新一行存储单元——行缓冲长度
    • 使用行列地址：减少选通线的数量
    • 刷新方式：有硬件支持，读出一行的信息后重新写入，占用1个读/写周期(即只占用1个存储周期)
    • 何时刷新：假设DRAM内部结构排列128x128的形式，读/写周期(存储周期)0.5us，2ms共4000个周期
    • DRAM的刷新分类
      ![[IMG_336299E90414-1.jpeg]]
      • 分散刷新——优点：没有“死时间”
      • 集中刷新
      • ✅异步刷新
• 🌟🌟DRAM的地址线复用技术——地址线减半(一看到DRAM)
  • 行、列地址分两次送(先接收行地址，再接收列地址)，可使地址线减半，芯片引脚更少
• 🌟DRAM、SRAM的区别与联系
  • 

3.2.3 ROM

RAM芯片——易失性——DRAM用于主存、SRAM用于Cache
ROM芯片——非易失性——磁盘、固态硬盘SSD、辅存
==注：==很多ROM也可以写，也具有“随机存取”的特性——访问速度不受地址影响

• 常见的ROM
  • MROM(Mask)——掩模式只读存储器
  • PROM(Programmable …)——(一次)可编程只读存储器
  • EPROM(Erasable …)——可擦除可编程只读存储器——
    根据擦除方式不同
    • UVEPROM——Ultraviolet rays Erasable …——紫外线擦除
    • EEPROM——Electrically Erasable…——点擦除
  • 闪存(Flash Memory，闪速存储器)——用于U盘、CD卡
    • 注：闪存一般写速度比读速度慢——写入前要擦除
  • SSD(Solid State Drives，固态硬盘)
    组成部分
    • 控制单元
    • 存储单元(Flash芯片)

3.2.4 双端口RAM(大纲已删)和多模块存储器🌟

存取周期：可以连续读/写的最短时间间隔
存取周期T=存取时间r+恢复时间

提升主存速度

• 双端口RAM(408不考——了解即可)

  • 特点：
    • 支持两个CPU同时访问RAM
    • 可同时读，但不可同时写——对比联系操系“读者-写者”问题
    • 发生冲突——“BUSY”信号——另一个CPU的访问端口暂时关闭
  • 作用：优化多核CPU访问一根内存条的速度

• 多模块存储器
  

  • 单体多字存储器——🚫指令和数据在主存内必须是连续存放的
    • 每次并行读出m个连续的字
    • 总线宽度也要拓展为m个字
  • 多(m)体并行存储器——既能并行工作，又能交叉工作
    给定地址x，确定属于第几个存储体
    法一：根据末尾的二进制体号
    法二：模块序号=十进制地址x%交叉模块数m

    • 高位交叉编址
      不满足局部性原理，无法使用“流水线”方式

      • 理论上——多个存储体可被并行访问
      • 实际上——大多数情况下会连续访问——实际效果相当于单纯的扩容

    • 🌟低位交叉编址($m=\frac{T}{r}$完美)
      ==其中：==m为存储体的个数(m体交叉存储器)，T为存取周期，r为存取时间
      408中，默认交叉编织都为低位交叉编织
      每个芯片的片选信号由最低位地址确定；高位为片内地址
      

      • 当存储模块数$m\ge \frac{T}{r}$时，可使流水线(并行存取)不间断
      • 每个存储周期内可读写地址连续的m个字
      • 低位交叉编织器采用==”流水线“方式并行存取==——宏观上并行，微观上串行——连续访问m个模块
        • 宏观上——每个存取周期内所有的模块被并行访问
        • 微观上——m个模块被串行连续访问

3.3 主存储器与CPU的连接

• 单块存储芯片与CPU的连接
  MAR、MDR一般集成在CPU中

  • 地址总线(MAR=存储单元的个数$2^x$)
  • 数据总线(宽度=存储字长=MDR位数)
  • 控制总线——一般仅包括2条
    • 读控制线
    • 写控制线
  • 片选线

• 多块存储芯片与CPU的连接

  • 位扩展——增加主存的存储字长/提升CPU的寻址能力
  • 字扩展——增加主存的存储字数
    • 线选法——电路简单——地址空间不连续
      • $以8K\times 8位为例，A_{14}{A}_{13}只能为01或10$
      • n条线->n个选片信号
      • 若直接同时将片信号置为高电平，总线会冲突
    • (译码器)片选法——电路复杂——地址空间可连续
      • 引入非门：——|>$\circ$——
      • n条线->$2^n$个选片信号
      • 常见的有：1-2译码器、2-4译码器、3-8译码器
      • 地址总线的编号可逆
  • 字位(同时)扩展
    • 选择存储器芯片
    • 与CPU进行连接

• 🌟译码器
  

  • EN——Enable——使能信号——类似于CS(片选信号)
  • 型号74ls138——多个使能信号——$G_1,\overline{G_{2A}},\overline{G_{2B}}$——1 0 0B表示运行
  • CPU可使用译码器的使能端EN控制片选信号CS的生效时间
  • CPU——$\overline{MREQ}$——存储器请求信号
  • 使能信号的作用：保证存储芯片接收到的地址信号的稳定
  • 地址信号本质为电信号——刚发送时CPU不稳定——需要等待一定时间后——地址信号稳定后发出存储器请求信号$\overline{MREQ}$

3.4 外部存储器

3.4.1 磁盘存储器

• 外存储器——又称辅助存储器——主要部分为磁表面存储器
  • 特点
    • 可同时作为I/O设备——读/写数据
  • 磁表面存储器
    • 读写操作均以1bit为单位
    • 读写操作是串行的(若主机传输的是并行数据需要转换)
• 磁盘原理
  • 磁盘设备的组成
    • 存储区域：磁头(Heads)、柱面(Cylinders)、扇区(Sectors)
    • 磁盘存储器(磁盘驱动器+磁盘控制器)
      • 磁盘驱动器
        • 核心部件是磁头组件和盘片组件
        • 温彻斯特盘是一种可移动头固定盘片的硬盘存储器
      • 磁盘控制器
        • 硬盘存储器和主机的接口
        • 主流标准有IDE(本质ATA)、SCSI、✅SATA(SerialATA,串行ATA)
          • ATA——Advanced Technology Attachment——高技术配置
  • 🌟性能指标
    • 磁盘容量：格式化与非格式化—— 非格式化>格式化
    • 记录密度
      • 道密度：沿半径方向，单位长度上的磁道数
      • 位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代码位数
        • 最外侧扇区与最内侧扇区均记录nbit信息
        • 越内侧的磁道位密度越大
      • 面密度：位密度X道密度
    • 🌟平均存取时间：寻道时间+旋转延迟时间+传输时间(+磁盘控制器延迟时间)
      • 寻道时间——磁头移动到目的磁道
      • 旋转延迟时间——磁头定位到所在扇区(若题目没有明确表明，则取数学期望E=磁盘转半圈的时间)
      • 传输时间——传输数据所花费的时间
      • 磁盘控制器延迟时间
    • 数据传输率：磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数
      • $$\begin{gathered} 假设磁盘转数为r(转/秒)，每条磁道容量为N个字节， \\ 则数据传输速率(理论峰值)为D_r=rN \end{gathered}$$
  • 🌟磁盘地址：驱动器号|柱面(磁道)号|盘面号|扇区号
• 🌟磁盘阵列RAID
  Redundant Array of Inexpensive Disks，廉价冗余磁盘阵列
  • 思想：利用磁盘廉价的特点提高存储性能、可靠性和安全性
  • RAID0：条带化，提高存取速度，没有容错能力
    • 逻辑上相邻的两个扇区在物理上存到两个磁盘，类比“低位交叉编址的多体存储器”
  • RAID1：镜像磁盘互为备份
    • 存两份数据
  • RAID2：采用纠错的海明码的磁盘阵列
    • 4bit信息位+3bit海明校验位
    • 可纠正一位错，发现两位错
  • RAID3～5：通过数据校验提高容错能力

3.4.2 固态硬盘(SSD)🌟新考点

• 原理
  • 基于闪存技术——Flash Memory，属于电可擦ROM，即EEPROM
• 组成
  • 闪存翻译层——负责翻译逻辑块号，找到对应的页(page)
  • 存储介质：多个闪存芯片(Flash Chip)——每个芯片包含多个块(block)——每个块包含多个页(page)
• 🌟读写性能特性
  区别：磁盘(存储器) 读写以块为单位——对应SSD的一个页
  • 以页(page)为单位读/写——相当于磁盘的“扇区”
  • 以块(block)为单位“擦除”——相当于磁盘的“磁道”
    • 擦干净的块，其中每一页都可以写一次，读无数次
  • 支持随机访问(访问速度不受地址的影响)
    • 系统给定一个逻辑地址，闪存翻译层可通过电路迅速定位到对应的物理地址
  • 读快、写慢(先擦除再写)
    • 要写的页如果有数据，则不能写入，需要将块内其他页全部复制到一个新的(擦除过的)块中，再写入新的页
• 与机械硬盘相比的特点
  • SSD读写速度快，随机访问性能高，用电路控制访问位置；机械硬盘通过移动磁臂旋转磁盘控制访问位置，有寻道时间和旋转延迟
  • SSD安静无噪音、耐摔抗震、能耗低、造价更贵
  • 🌟SSD的一个块被擦除次数过多(重复写同一个块)可能会坏掉，而机械硬盘的扇区不会因为写的次数太多而坏掉
• 🌟磨损均衡技术
  思想：将“擦除”平均分布在各个块上，以提升使用寿命
  • 动态磨损均衡
  • 静态磨损均衡

3.5 高速缓冲存储器Cache🌟🌟🌟

3.5.1 Cache的基本概念和原理

• 工作原理
  • 将某些主存块复制到Cache中，缓和CPU与主存之间的速度矛盾
• 局部性原理
  • 时间局部性
    • 现在访问的地址，不久之后也很可能被再次访问
  • 空间局部性
    • 现在访问的地址，其附近的地址也很可能即将被访问
• 性能分析
  • Cache命中率H、缺失率M=1-H
  • 两种方式
    $设t_c为访问一次Cache所需时间，t_m为访问一次主存所需时间$
    • 先访问Cache，发现未命中再访问主存
      • Cache-主存系统的平均访问时间为$t=H{t}_c+(1-H)(t_c+t_m)$
    • 同时访问Cache和主存，若Cache命中则停止访问主存
      • Cache-主存系统的平均访问时间为$t=H{t}_c+(1-H)t_m$
• 其他概念
  • 主存与Cache之间以“块”为单位进行数据交换
  • 主存的“块”又叫“页/页框/页面”；Cache的“块”又叫“行”
  • 主存地址可拆分为(主存块号，块内地址)的形式
  • 每次被访问的主存块，一定会被立即地调入Cache

3.5.2 Cache和主存的映射方式

区分Cache与主存的数据块的对应关系

• Cache中存储的信息
• 全相联映射——主存块可以放在Cache的任意位置
• 直接映射——主存块只能放在特定的位置：Cache块号=主存块号%Cache总块数
• 组相联映射——主存块存放在特定分组的任意位置：组号=主存块号%Cache分组数

3.5.3 Cache替换算法

解决Cache与主存容量不匹配的问题

• 随机算法(RAND, Random)
• 先进先出算法(FIFO, First In First Out)
• 近期最少使用(LRU, Least Recently Used)
• 最不经常使用(LFU, Least Frequently Used)

3.5.4 Cache写策略(更新策略)

(CPU修改了Cache中的数据副本)确保主存中数据母本的一致性

• 写命中(CPU要写的主存块被命中，已经被调入到Cache中)
  • 全写法(写直通法，write-through)
    访存次数增加，速度变慢，但更能保证数据一致性
    • CPU既将数据写入Cache，又要写入主存对应的存储单元中
      • Cache块被替换时无需写回
    • 写缓冲(write buffer)——减少访存次数(对全写法的优化)
      • 组成：由SRAM实现的FIFO队列(先进先出)
      • 具体实现：
        • 当CPU将某个地址写入Cache且命中，也会同时写入写缓冲中
        • 再在专门的控制电路的控制下逐一写回主存(同步到主存中)
      • 优缺点：
        • CPU写的速度很快，若写操作不频繁，效果很好；
        • 写操作很频繁，会因写缓冲饱和(容量有限) 发生阻塞，CPU需要进行阻塞等待
  • 写回法(write-back)
    减少了访存次数，但存在数据不一致的隐患
    • (CPU只会)向Cache的数据副本中写入相应的数据
      • 只有当该Cache块 被替换时，才将整块写回主存
      • 未被修改的块 被替换时不写回主存——节省部分写回时间
      • 脏位
        机器判断该Cache块是否被修改
        • 1表示被修改，0表示未被修改
        • 若该Cache块脏位为1，则根据标记(22位) 写回主存
      • 有效位
        • 通常搭配脏位一起使用
• 写不命中(…未被命中)
  • 写分配法(write-allocate)
    • 当CPU对Cache块写不命中，先将要写的地址从主存中调入Cache，再对该Cache块进行写操作
    • 主存内容保持不动，CPU只修改(Cache中的)数据副本
    • 常搭配写回法
  • 非写分配法(not-write-allocate)
    • 当CPU对Cache块写不命中，CPU只会对主存进行写操作，而不调入Cache
    • 只有读操作未命中时才调入Cache
    • 常搭配全写法
• 多级Cache
  • 多级Cache结构
    • $|CPU|L_{1}Cache+WriteBuffer(写缓冲)|L_{2}Cache|DRAM(主存)|$
    • 离CPU越近速度越快，容量越小
  • 各级Cache间常采用“全写法+非写分配法”
  • Cache和主存间常采用“写回法+写分配法”

3.6 虚拟存储系统

两门课这一部分的内容相关性强——对应OS的第三章——虚拟存储器
常作为计组+OS的综合考点

3.6.1 页式存储器

3.6.2 虚拟存储器——计组比较粗略——重点在OS

用户感知到虚拟系统的容量要比它物理上的真实容量要大——OS虚拟性的体现
基于局部性原理

第四章～第七章内容
计算机组成原理 学习笔记II