系统架构设计师——计算机体系结构

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计算机硬件组成

计算机硬件组成主要包括主机、存储器和输入/输出设备。

主机：主机是计算机的核心部分，包括运算器、控制器、主存等组件。运算器负责执行算术和逻辑运算；控制器负责协调和控制计算机的各个部件；主存（内存）用于存储正在运行的程序和数据。
存储器：存储器分为主存和辅存两种类型。主存（内存）是计算机中临时存储数据的地方，通常比辅存速度快，但容量较小。辅存（如硬盘、固态硬盘等）用于长期存储数据，容量较大，但速度较慢。
输入/输出设备：输入设备（如键盘、鼠标、触摸屏等）用于向计算机输入数据；输出设备（如显示器、打印机、音响等）用于显示或播放计算机处理后的结果。

主机的组成

主机的组成主要包括CPU（中央处理器）、主存储器和控制器等部分。以下是这些部件的具体功能和作用：

CPU（中央处理器）：
- 算术逻辑单元（ALU）：负责处理所有的算术运算（如加减乘除）和逻辑运算（如AND、OR、NOT）。
- 控制单元（CU）：解释程序指令，控制数据流向，并管理其它电脑硬件资源。
- 寄存器：暂时存储数据和指令，包括：
  - 指令寄存器（IR）：存储当前正在执行的指令。
  - 地址寄存器（AR）：存储将要访问的内存地址。
  - 数据寄存器（DR）：暂时存储数据。
  - 状态条件寄存器（PSW）：存储处理器的状态信息。
  - 程序计数器（PC）：存储下一条要执行的指令的地址。
  - 存储器缓冲寄存器（MBR）：在数据传输时作为主存和CPU之间的缓冲。
主存储器：
- 存储体：主存储器的主要部分，用于存放程序和数据。
- 存储器地址寄存器（MAR）：存储体中用于存放要访问的内存单元的地址。
- 存储器数据寄存器（MDR）：存储体中用于暂存要写入内存或从内存读取的数据。
控制器：
- 指令译码器（ID）：对指令寄存器中的指令进行译码，确定需要执行的操作。
- 提加寄存器（IR）：与指令寄存器配合使用，提供指令的临时存储。
- 控制逻辑单元：生成控制信号，用于控制数据在各个寄存器和处理器之间的传输。
- 时序部件：产生时钟信号，同步各部件的操作。

以上是计算机主机内部的主要组成部分及其功能。每个部件都扮演着特定的角色，共同完成计算机的各项操作和数据处理任务。

指令系统

指令系统是计算机硬件的语言系统，它包含了机器所具有的全部指令的集合。反映了计算机所拥有的基本功能。

指令系统作为计算机的基本命令集，体现了计算机处理任务的基本方法。在设计计算机架构时，确定哪些操作由硬件直接实现，哪些由软件间接实现是关键。这直接影响到计算机的性能和灵活性。指令系统的设计和选择可以从以下几个角度进行探讨：

操作码字段（OP）：
- 操作码字段是指令的一部分，用来指定操作的性质及功能。
- 每条指令都通过操作码来区分其具体执行的操作类型，如加、减、乘、除等。
- 操作码的设计要简洁明了，易于理解和使用，以减少错误并提高编程效率。
地址码字段（Addr）：
- 地址码字段用于指出操作数的存放位置或直接给出操作数。
- 通过地址码，CPU可以定位到所需的数据或指令存储的具体位置。
- 地址码的设计需要考虑到存储器的容量与机器的字长，确保指令能够有效访问所需数据。
指令的功能与操作：
- 指令系统包括数据处理、数据传送、程序控制等多种类型的指令。
- 每种指令都有其特定的功能，如数据处理指令用于执行算术运算和逻辑运算。
- 程序控制指令则用于改变程序执行的顺序，如条件转移和转子程序指令。
指令的格式与类型：
- 指令格式通常包含操作码字段和地址码字段，根据操作数数量的不同，可以分为三地址、二地址、单地址等格式。
- 选择合适的指令格式可以优化存储空间的使用和提高指令执行的效率。
- 指令还可以根据功能分为算术运算型、逻辑运算型、数据传送型等。
指令系统的发展历程：
- 从早期的简单指令系统到现在的复杂指令系统，计算机的功能和性能有了显著提升。
- 现代计算机通过引入更多面向高级语言的复杂指令，缩小了机器指令与高级语言之间的语义差距。
- 随着技术的发展，指令系统也在不断地调整和优化，以适应新的技术挑战和应用需求。

总的来说，指令系统不仅仅是计算机硬件的核心部分，它也是计算机功能实现的基础。操作码字段和地址码字段的设计决定了指令的种类和功能，从而影响计算机的处理能力和适用范围。随着计算机技术的发展，指令系统也在不断演进，以提供更强大、更灵活的计算能力。

复杂指令系统

复杂指令系统（CISC）是一种计算机指令集架构，其基本思想是通过进一步增强原有指令的功能，用更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化，导致机器的指令系统越来越庞大、复杂。

复杂指令系统（CISC）在设计上具有独特的特点和优势，但也存在一些缺点。下面的内容将详细分析其特点：

指令数量众多：
- CISC指令系统拥有大量的指令，通常有100~50条。这些指令涵盖各种功能，包括数据传输、算术运算、逻辑运算等。
- 由于指令数量众多，编程者可以方便地找到特定操作对应的指令，这在某种程度上简化了程序设计。
指令使用频率相差悬殊：
- 最常使用的是一些比较简单的指令，仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频率却占80%。而部分复杂指令却很少使用。
- 这种使用频率的悬殊导致许多复杂指令在实际程序中并不实用，增加了硬件的复杂度却没有带来相应的性能提升。
功能强大的指令集：
- CISC指令集包含丰富的指令，每条指令可以完成多个操作，这使得处理特殊任务时效率较高。
- 例如，一条单一的指令可能包含存储、加载、计算等多种操作，减少了需要执行的指令数量，提高了程序运行效率。
灵活的存储器操作：
- CISC架构允许指令直接操作存储器，存储器操作指令多且灵活，这使得数据传递和处理更加直接。
- 这种灵活性对编写复杂程序和科学计算非常有利，汇编语言程序设计相对简单。
微程序控制器：
- 在CISC架构中，通常会采用微程序控制器来实现复杂指令。微程序控制器包含微代码，用于解释和执行指令。
- 通过微代码实现指令可以增加处理器的灵活性，但同时也增加了处理器设计的复杂度和执行时间。
向后兼容性好：
- CISC架构由于历史悠久，具有良好的向后兼容性。新的处理器能够运行旧的软件和应用程序。
- 这种向后兼容性使得CISC架构在企业级应用和桌面计算领域得到了广泛应用，如x86体系结构。

精简指令系统

精简指令系统（RISC）是一种计算机指令集架构，其基本思想是通过减少指令总数和简化指令功能降低硬件设计的复杂度，使指令能单周期执行，并通过优化编译提高指令的执行速度，采用硬布线控制逻辑优化编译程序。

精简指令系统（RISC）在设计上具有显著的特点和优势，这些特点使它与复杂指令系统（CISC）有明显区别。下面的内容将详细解析其特点：

指令数量少：
- RISC指令系统优先选取使用频率最高的一些简单指令和一些常用指令，避免使用复杂指令。
- 由于指令数量较少，硬件设计相对简单，从而降低了设计成本和功耗。
寻址方式少：
- RISC指令的寻址方式较少，这简化了指令解码过程，提高了指令执行效率。
- 这种简化同时也减少了编译器的负担，使得编译过程更加高效。
指令长度固定：
- RISC指令长度固定，指令格式种类少，这有利于流水线的高效执行。
- 固定长度的指令简化了硬件设计，使得每条指令都能在一个机器周期内完成。
硬布线逻辑控制为主：
- 为了提高操作的执行速度，RISC通常采用硬布线逻辑(组合逻辑)来构建控制器。
- 与微程序控制相比，硬布线逻辑控制能够更快地完成指令执行，从而提高整体性能。
单周期指令执行：
- RISC采用流水线技术，大部分指令都能在一个机器周期内完成。
- 这种设计使得处理器可以高效地处理指令，提升了运算速度和系统吞吐率。
优化的编译器：
- RISC的精简指令集使编译工作简单化。因为指令长度固定、格式少、寻址方式少，编译时不必在具有相似功能的许多指令中进行选择。
- 优化编译器可以生成高效率执行的机器代码，进一步提升程序运行效率。
CPU中的通用寄存器数量多：
- RISC架构的CPU中通常包含多个通用寄存器，一般在32个以上，多的甚至上千个。
- 大量的寄存器减少了对存储器的依赖，从而加快了数据处理速度和指令执行效率。

指令流水

要计算流水线周期和100条指令全部执行完毕所需的时间，我们首先需要了解流水线周期的计算方法。流水线周期是指执行时间最长的一个阶段，它决定了流水线的频率。对于给定的例子，我们可以按照以下步骤进行计算：

确定流水线周期：
- 取指时间为2ns，分析时间为2ns，执行时间为1ns。
- 流水线周期取这些阶段中最长的时间为周期长度，因此流水线周期为2ns（取指和分析的时间）。
计算100条指令全部执行完毕所需的时间：
- 公式为： $(t_1 + t_2 + \ldots + t_k) + (n - 1) * \Delta t$ ，其中 $t_1, t_2, \ldots, t_k$ 是各个阶段的时间， $n$ 是指令数， $\Delta t$ 是流水线周期。
- 将给定的值代入公式： $(2 + 2 + 1) + (100 - 1) * 2 = 5 + 99 * 2 = 5 + 198 = 203$ ns。

因此，流水线周期是2ns，100条指令全部执行完毕需要的总时间是203ns。

流水线的吞吐率（TP）和最大吞吐率（TP_max）是衡量流水线性能的重要指标。吞吐率是指单位时间内流水线处理的结果数，对于指令执行而言，就是单位时间内完成的指令数。下面是关于流水线吞吐率和最大吞吐率的详细解析：

流水线吞吐率（TP）

吞吐率定义为单位时间内流水线处理的结果数。在流水线中，这通常是指在稳定状态下，流水线每个周期完成的任务数。公式为：

$\frac{n}{T}$

其中，$ n $ 是任务数（或指令数），$ T $ 是完成所有任务所需的总时间。

最大吞吐率（TP_max）

最大吞吐率是在理想情况下，流水线每个周期都能输出一个结果时的吞吐率。在这种情况下，吞吐率等于流水线的周期时间的倒数，即：

$TP_{max} = \frac{1}{\Delta t}$

其中，$ \Delta t $ 是流水线的周期时间。

流水线执行时间

流水线执行时间是指从第一条指令开始执行到最后一条指令完成的总时间。对于一个分为$ k $个阶段的流水线，执行$ n $条指令的总时间$ T $可以表示为：

$\times \Delta t$

流水线加速比（S）

流水线加速比是指使用流水线执行时间与不使用流水线执行时间的比值。公式为：

$\frac{T_{non-pipelined}}{T_{pipelined}}$

其中，$ T_{non-pipelined} $ 是不使用流水线时执行$ n $条指令所需的时间，$ T_{pipelined} $ 是使用流水线执行$ n $条指令所需的时间。

存储系统

存储器的层次

存储器的层次结构是一个由多级存储设备组成的系统，其顶层是寄存器，然后依次是Cache、主存和磁盘。

寄存器位于CPU内部，它的访问速度最快，能在单个CPU周期内完成，容量有限，仅能存储少量数据，但价格相对较高。Cache使用静态随机存取存储器，位于CPU和主存之间，用于暂存频繁访问的指令和数据。它比寄存器慢，但速度仍远快于主存，其价格也较高。

主存通常使用动态随机存取存储器，容量较大，价格适中，但速度慢于Cache。磁盘包括固态硬盘和机械硬盘，它们有极大的容量和最低的成本，但访问速度最慢。

从用户角度出发，存储器的三个主要指标是容量、速度和每位价格。越靠近CPU的存储器容量越小、速度越快、价格越高；反之，远离CPU的存储器则容量大、速度慢、价格便宜。这种层次结构不仅解决了存储器的速度、容量和成本之间的矛盾，还通过局部性原理优化了存储访问效率。

主存储器

主存用来存放计算机运行期间所需要的程序和数据，CPU可直接随机地进行读/写。

在计算机系统中，CPU与主存之间的数据交换是通过总线进行的，具体涉及到数据总线、地址总线和控制总线。以下是这一过程的详细描述：

数据总线（DR）

功能：数据总线用于在CPU和主存之间传输数据。
特点：它的宽度决定了每次可以传输数据的位数，直接影响数据传输的速度和效率。

地址总线（AR）

功能：地址总线用于从CPU向主存传递地址信息。
特点：地址总线的宽度决定了CPU可以直接寻址的内存范围。例如，32位宽的地址总线可以寻址到4GB的内存空间。

控制总线

功能：控制总线携带的是控制信号，如读/写控制信号。
特点：控制总线确保数据传输的正确性和有序性，它传达了CPU对外围设备的操作命令，如读取或写入数据的指令。

读/写操作过程

读操作：
- CPU通过地址总线发送所要读取数据的内存地址。
- 控制总线发出读信号。
- 数据通过数据总线从主存传输到CPU。
写操作：
- CPU通过地址总线发送将要写入数据的内存地址。
- 控制总线发出写信号。
- 数据通过数据总线从CPU传输到主存。

典型真题

题目

内存按字节编址，地址从A4000H到CBFFFH，共有()个字节。若用存储容量为32KX8bit的存储芯片构成该内存，至少需要()片。

A、80K
B、96K
C、160K
D、192K

A、2
B、5
C、8
D、10

解题思路

计算地址范围：
- 首先，将十六进制地址转换为十进制地址。
- 计算两个地址之间的差值，得到总的字节数。
计算所需芯片数量：
- 每个存储芯片的容量为32K字节，即32768字节（因为1K = 1024字节）。
- 使用总字节数除以单片芯片的字节数，得到所需的芯片数量。
- 如果结果不是整数，向上取整得到实际需要的芯片数量。

具体步骤

地址转换和计算：
- A4000H = $ 10 \times 65536 + 4 \times 4096 + 0 \times 256 = 655360 + 16384 = 671744 $
- CBFFFH = $ 12 \times 65536 + 11 \times 4096 + 15 \times 256 + 15 = 786432 + 45056 + 3840 + 15 = 835343 $
- $ 835343 - 671744 = 163599 $ 字节
计算芯片数量：
- 每片芯片容量：32768 字节
- 所需芯片数：$ \lceil \frac{163599}{32768} \rceil = 5 $