计算机组成原理粗解

我不是女神ヾ 2023-10-01 12:21 13阅读 0赞

## 计算机系统的层次结构 ##

### 自顶向下的结构 ###

计算机系统的固定的层次结构，促使了我们写的每一行代码都按照固定的顺序往下去层层翻译，最终被系统识别并执行。其顺序结构如下：

软件：

*  虚拟机器M4(高级语言机器)：用编译程序翻译成汇编语言程序
 *  虚拟机器M3(汇编语言机器)：用汇编程序翻译成机器语言程序
 *  虚拟机器M2(操作系统机器)：向上提供"广义指令"(系统调用)

硬件：

*  传统机器M1(用机器语言的机器)：执行二进制机器指令
 *  微程序机器M0()：由硬件直接执行微指令

## 计算机硬件的基本组成 ##

### 冯诺依曼机的结构 ###

![662199bb44381cea4c4f04de38e1f6a4.png][]  
1、计算机由五个部件组成  
2、指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访  
3、指令跟数据用二进制表示  
4、指令由操作码跟地址码组成  
5、以运算器为中心，输入设备存储数据是通过运算器转发给存储器

### 现代计算机的结构 ###

现代计算机主要由cpu+主存储器组成。

#### cpu ####

cpu主要包括运算器跟控制器两大部分，此外，还包括若干个寄存器和高速缓存存储器，用内部总线连接。  
cpu有四个基本的功能：

*  指令控制 程序的顺序控制，保证机器按照顺序执行程序。
 *  操作控制 一条指令的功能往往是由多个操作信号的组合来实现的，cpu管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
 *  时间控制 对各种操作实施时间上的定时。
 *  数据加工 对数据进行算术运算跟逻辑运算处理，是cpu的根本任务。

##### 运算器 #####

用于实现算术运算、逻辑运算(如：与、非等)  
在通用的概念上面，运算器指的是运算逻辑部件ALU一个，但需要完成运算逻辑需要与其他寄存器协作，于是运算器的组成也可以描述成由ACC、MQ、X、ALU等组成(在不同的cpu上可能寄存器也有所不同)  
![image.png][]  
ACC: 累加器，用于存放操作数，或运算结果  
MQ：乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或者运算结果  
X：通用的操作数寄存器，用于存放操作数  
ALU：算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算

在四则运算过程中，会有三个参数在运算器中进行不同位置的存储  
ACC：被加数、和、被减数、差、乘积高位、被除数、余数  
MQ： 乘数、乘积地位、商  
X：加数、减数、被乘数、除数

##### 控制器 #####

与运算器的概念雷同，关键是控制单元部件PU，这里一样以CU、IR、PC为一个整体控制器。  
![022a3a925cd2955d472f7df86c33be37.png][]  
CU: 控制单元，分析指令，给出控制信号  
IR: 指令寄存器，存放当前执行的指令  
PC: 程序计数器，存放下一条指令地址，有自动加1功能

##### 寄存器 #####

MAR、MDR  
MAR：Memory Address Register，也就是地址寄存器，MAR位数反映了存储单元的个数  
MDR：Memory Data Register，也就是数据存储器  
当cpu需要从存储体操作数据时，会传给MAR 物理地址，主存储器再把对应的数据传给MDR，MDR再传回给相应的部件

#### 存储器 ####

存储器分为主存跟辅存，主存就是主存储器，而辅存相当于I/O设备比如机械硬盘等外部存储器

##### 主存储器 #####

主存储器主要指的是存储体

*  存储体：地址 + 存储单元 组成
 *  存储单元：由多个存储元件组成，存储的一串二进制代码。MAR位数反映了存储单元的个数， 而MAD则是存储单元的长度
 *  存储元件：存储二级制的电子元件，每个可存1bit数据量
 *  存储字：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

#### 协同工作过程的例子 ####

现在有如下的代码，忽略其他必须的代码，保留最核心的。  
// 初始化参数  
int a=2,b=3,c=1,y=0  
// 计算逻辑  
y = a\*b+c

上面的代码进行编译后，会装入主存中，其存储的形式如下：  
![5e5c91aa205678ef4e8c6bcda24ae91b.png][]  
执行过程：  
1、(PC)=0，指向第一条指令的存储地址  
2、CPU根据PC把0传给MAR, (MAR)=0  
3、MAR把存储地址传给存储体M  
4、M(MAR)再把主存地址为0的数据取出，然后传给MDR,使得(MDR)= 000001 00000000101  
5、(MDR)把数据传给IR，使得(IR)=000001 0000000000101  
6、IR拆解出操作码(也叫OP码)与地址码，然后把操作码000001送到CU，通过对操作码的分析得出这是一个“取数”指令  
7、于是IR把地址码00000000101=5发给MAR,使得MAR=5  
8、MAR把存储地址传给存储体M  
9、M(MAR)再把存储地址为5的数据取出，然后传给MDR,使得(MDR)= 000000 00000000010  
10、因为是取数指令，所以MDR会把数值传给ACC, 导致ACC=000000000010=2  
11、取数指令执行完毕后，CU会指挥PC进行递增，指向下一条指令的存储地址。  
12、然后就是重复2-9的步骤去执行，直到停止指令操作。

下图为具体的流程图：  
![c9b7b51c846dfeca488e8f8cc6608be7.png][]

#### DMA ####

DMA（Direct Memory Access），即直接存储器存取，是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。比如希望外设A 的数据拷贝到外设 B，只要给两种外设提供一条数据通路，再加上一些控制转移的部件就可以完成数据的拷贝。DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制。数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行。由于CPU不参与传送操作，所以就可以省去了CPU取指令、取数、送数等操作。整个数据传输操作在一个 DMA 控制器（DMAC）的控制下进行的，CPU 除了在数据传输开始和结束时做一点处理外（开始和结束时候要做中断处理），在传输过程中 CPU 可以继续进行其他的工作。这样在大部分时间里，CPU 计算和 I/O 操作都处于并行操作，使整个计算机系统的效率大大提高。  
在经常提及的零拷贝的概念中就用上了DMA。

## 总线 ##

总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。  
一个单处理器系统中的总线，大致分为三种：  
1、CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线，称为片内总线、内部总线等。  
2、CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线，称为系统总线。  
3、中、低速I/O设备之间互相连接的总线，称为通信总线、外部总线、I/O总线等。  
其中关心的主要是系统总线，它又分为数据总线、地址总线和控制总线。

*  数据总线（Data Bus）：在CPU与RAM之间来回传送需要处理或需要储存的数据。
 *  地址总线（Address Bus）：用来指定在RAM之中储存的数据的地址。
 *  控制总线（Control Bus）：将微处理器控制单元的信号，传送到周边设备。

结合上面的工作过程的例子，可知下图中，3、8属于地址总线，4、9属于数据总线  
![347d6309072677e7fedaa9cccdd94f37.png][]

### 单总线结构图 ###

![d941756612dc07b1c5a055b97a0f1e97.png][]

### 双总线结构图 ###

![757c9309ff18fad1eba54fbc00b275eb.png][]

### 三总线结构图 ###

![5494b915406ccecdb7b42dbc42de5516.png][]

### 四总线结构图 ###

![8b2d20429ff0e76171078c7ec2c0a9ff.png][]

### 总线仲裁 ###

#### 集中仲裁方式 ####

由总线控制器的判优、仲裁逻辑按一定的优先级顺序确定哪个主设备能使用总线。每个功能块有两条线连到总线控制器，一条是送往仲裁器的总线请求信号线BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG。有三种方式：

*  链式查询方式：BG串行地从一个I/O接口传到下个I/O接口，假如到达的接口无总线请求就到下个接口直到有就停止查询，授权该接口请求总线。所以靠近仲裁器的接口有优先级。
 *  计数器定时查询方式：不做解释，没人使用。
 *  独立请求方式：每一个设备都有一对BR、BG，而仲裁器有一个排队电路，它根据一定的优先次序决定首先响应的设备，当代总线标准普遍采用它。

分布仲裁方式  
不需要中央仲裁器，每个潜在的主模块都有自己的仲裁器和仲裁号，多个仲裁器竞争使用总线。  
当设备有总线请求时，它们就把各自唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上；每个仲裁器将从仲裁总线上得到的仲裁号与自己的仲裁号进行比较；如果仲裁总线上的号优先级较高，则不予响应并撤销它的仲裁号；最后获胜的仲裁号保留在仲裁总线上。

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