系统架构设计师①:计算机组成与体系结构

系统架构设计师①:计算机组成与体系结构

计算机结构

计算机的组成结构可以概括为以下几个主要部分:中央处理器(CPU)、存储器(包括主存和外存)、输入设备、输出设备,以及控制器、运算器、总线和输入/输出控制器等关键组件。
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CPU组成

CPU由运算器和控制器组成。

运算器:
①算术逻辑单元ALU:数据的算术运算和逻辑运算
②累加寄存器AC:通用寄存器,为ALU提供一个工作区,用在暂存数据
③数据缓冲寄存器DR:写内存时,暂存指令或数据
④状态条件寄存器PSW:存状态标志与控制标志(争议:也有将其归为控制器的)

控制器:
①程序计数器PC:存储下一条要执行指令的地址
②指令寄存器IR:存储即将执行的指令
③指令译码器ID:对指令中的操作码字段进行分析解释
④时序部件:提供时序控制信号

存储系统

主流存储系统分为冯·诺依曼结构和哈佛结构。

冯·诺依曼结构

冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构,是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。

特点:
(1)一般用于PC处理器,如I3,I5,I7处理器
(2)指令与数据存储器合并在一起
(3)指令与数据都通过相同的数据总线传输

哈佛结构

哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。哈佛结构是一种并行体系结构,它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中,即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器,每个存储器独立编址、独立访问。

特点:
(1)一般用于嵌入式系统处理器(DSP)数字信号处理(DSP,DigitalSignalProcessing)
(2)指令与数据分开存储,可以并行读取,有较高数据的吞吐率
(3)有4条总线:指令和数据的数据总线与地址总线

层次化存储结构

按照存储速度划分存储器可分为寄存器、Cache、内存、外存。
其速度排列如下图所示:(存取速度越快,其硬件成本越高)
在这里插入图片描述

Cache(高速缓存)存在的目的是为了解决CPU和内存速度不匹配的问题

Cache

Cache的功能:提高CPU数据输入输出的速率,突破冯·诺依曼瓶颈,即CPU与存储系统间数据传送带宽限制。

在计算机的存储系统体系中,Cache是访问速度最快的层次。
Cache对程序员来说是透明的。
使用Cache改善系统性能的依据是程序的局部性原理。
①时间局部性
②空间局部性

时间局部性:指程序中的某条指令一旦执行,不久以后该指令可能再次执
行,典型原因是由于程序中存在着大量的循环操作(如for循环中的i变量)。

空间局部性:指一旦程序访问了某个存储单元,不久以后,其附近的存储
单元也将被访问,即程序在一段时间内所访问的地址可能集中在一定的范
围内,其典型情况是程序顺序执行(如数组的遍历)。

工作集理论:工作集是进程运行时被频繁访问的页面集合。

Cache计算公式

如果以h代表对Cache的访问命中率,t1表示Cache的周期时间,t2表示主存储器周期时间,以读操作为例,使用“Cache+主存储器”的系统的平均周期为t3,则:

t3=h*t1+(1-h)*t2          /* 其中,(1-h)又称为失效率(未命中率) */

主存编址

存储单元

存储单元个数=最大地址-最小地址+1

1字节(Byte)= 8位(bit):这是计算机存储单位的基础换算关系,字节是数据存储的基本单位,而位是计算机中最小的存储单元。

32位系统:1字 = 32位 = 4字节
64位系统:1字 = 64位 = 8字节

编址内容
按字编址:存储体的存储单元是字存储单元,即最小寻址单位是一个字
按字节编址:存储体的存储单元是字节存储单元,即最小寻址单位是一个字节

总容量=存储单元个数*编址内容

根据存储器所要求的容量和选定的存储芯片的容量,就可以计算出所需的芯片总数,即:

总片数=总容量/每片的容量

磁盘基本结构与存取过程

磁盘管理

磁盘结构如图所示:
在这里插入图片描述

存取时间=寻道时间+等待时间

寻道时间:磁头移动到磁道所需的时间;
等待时间:等待读写的扇区转到磁头下方所用的时间

读取磁盘数据的时间包括以下三个部分
①找磁道的时间。
②找块(扇区)的时间,即旋转延迟时间。
③传输时间。

平均存取时间(Average Access Time),是指磁头找到指定数据的平均时间。
平均存取时间是指磁头找到指定数据的平均时间,通常它是硬盘平均寻道时间和平均潜伏时间(等待时间)之和。
平均存取时间最能代表硬盘找到某一数据所用的时间,数值越小越好。

平均访问时间=平均寻道时间+平均等待时间

磁盘移臂调度算法

先来先服务(FCFS, First Come First Serve)
定义:FCFS是最简单的调度算法,按照作业提交或进程变为就绪状态的先后次序,分派CPU。当前作业或进程占用CPU,直到执行完或阻塞,才出让CPU(非抢占方式)。在作业或进程唤醒后(如I/O完成),并不立即恢复执行,通常等到当前作业或进程出让CPU。
优点:有利于CPU繁忙的作业,而不利于I/O繁忙的作业。
缺点:比较有利于长作业,而不利于短作业,因为长作业会长时间占据处理机。

最短寻道时间优先(SSTF, Shortest Seek Time First)
定义
SSTF选择这样的进程,其要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近,以使每次的寻道时间最短。
优点:SSTF算法的平均每次磁头移动距离明显低于FCFS的距离,具有较好的寻道性能。
缺点:不能保证平均寻道时间最短,且有可能产生饥饿现象,即磁头有可能在一个小区域内来回来去地移动,导致某些磁道的请求长时间得不到服务。

扫描算法(SCAN)
定义:
SCAN算法,又称电梯算法,磁头按一个方向移动,直到遇到最远的请求,然后返回磁盘的另一端。
优点:可以平均分配磁盘访问的时间,避免磁头频繁地改变移动方向,减少了磁头的移动距离和寻道时间。
缺点:对于各个位置磁道的响应频率不平均,可能会导致某些磁道的请求长时间等待。

循环扫描算法(CSCAN, Circular SCAN)
定义:

CSCAN是对SCAN算法的一种改进。它规定磁头只做单向移动,当磁头移到最外的被访问磁道时,磁头立即返回到最里的欲访磁道,即将最小磁道号紧接着最大磁道号构成循环,进行扫描。
优点:减少了磁头的移动次数和寻道时间,提高了磁盘访问效率,同时避免了SCAN算法中磁头频繁改变移动方向的问题。
缺点:在某些情况下,仍然可能存在磁道请求长时间等待的问题,但相较于SCAN算法,这种情况有所改善。

数据传输控制方式

程序控制(查询)方式:分为无条件传送和程序查询方式两种。
方法简单,硬件开销小,但I/O能力不高,严重影响CPU的利用率。

程序中断方式:与程序控制方式相比,中断方式因为CPU无需等待而提高了传输请求的响应速度。

DMA方式:DMA方式是为了在主存与外设之间实现高速、批量数据交换而设置的。DMA方式比程序控制方式与中断方式都高效。

(DMAC向总线裁决逻辑提出总线请求;CPU执行完当前总线周期即可释放总线控制权。此时DMA响应,通过DMAC通知I/O接口开始DMA传输。)

其他方式:
通道方式
I/O处理机

总线

总线:是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路
特点
①共享
②分时:是指同一时刻仅允许一个部件向总线发送信息,但允许多个部件同时从总线上接受相同的信息。
③分为串行总线(适合长距离传输)与并行总线(适合近距离连接,不宜过长)
④通信方式分为单工、半双工与全双工

总线宽度与总线带宽
总线的分类:
数据总线(Data Bus,DB):在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据。
地址总线(Address Bus,AB):用来指定在RAM(Random Access Memory)之中储存的数据的地址。
控制总线(ControlBus,CB):将微处理器控制单元(ControlUnit)的信号,传送到周边设备。

CISC与RISC

复杂指令集计算机(CISC,ComplexInstruction Set Computers)
精简指令集计算机(RISC,ReducedInstruction Set Computers)
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流水线

流水线是指:在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。
各种部件同时处理是针对不同指令而言的,它们可同时为多条指令的不同部分进行工作,以提高各部件的利用率和指令的平均执行速度

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流水线计算公式:一条指令执行时间+(指令条数-1)*流水线周期
①理论公式:(t1+t2+…+tk)+(n-1)*t在这里插入图片描述

②实践公式:k*t+(n-1)*t在这里插入图片描述
流水线周期:
在这里插入图片描述
一条指令的执行过程可以分解为取指、分析和执行三步

流水线的相关性能计算

**流水线的吞吐率(Though Putrate,TP)**是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。
计算流水线吞吐率的最基本的公式如下:
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流水线最大吞吐率:(占用周期最长的那一步所使用的时间的倒数)
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流水线的加速比:
定义:完成同样一批任务,不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之
比称为流水线的加速比。
计算流水线加速比的基本公式如下:(加速比一定大于一)
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校验码

奇偶校验码

奇偶校验码的编码方法是:由若干位有效信息(如一个字节),再加上一个二进制位(校验位)组成校验码。

奇校验:整个校验码(有效信息位和校验位)中“1”的个数为奇数。
偶校验:整个校验码(有效信息位和校验位)中“1”的个数为偶数。

奇偶校验,可检查1位的错误,不可纠错。

循环校验码CRC

CRC的编码方法是:在k位信息码之后拼接r位校验码。应用CRC码的关键是如何从k位信息位简便地得到r位校验位(编码),以及如何从k+r位信息码判断是否出错。

CRC校验,可检错,不可纠错

循环冗余校验码编码规律如下
① 把待编码的N位有效信息表示为多项式M(X);
② 把M(X)左移K位,得到M(X)*X的K次方,这样空出了K位,以便拼装K位余数(即校验位)
③ 选取一个K+1位的产生多项式G(X),对M(X)*X的K次方做模2除;
④ 把左移K位以后的有效信息与余数R(X)做模2加减,拼接为CRC码,此时的CRC码共有N+K位。

把接收到的CRC码用约定的生成多项式G(X)去除,如果正确,则余数为0;如果某一位出错,则余数不为0。不同的位数出错其余数不同,余数和出错位序号之间有唯一的对应关系。

总结:
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嵌入式-芯片分类

主流嵌入式芯片分为DSP、Soc、MPU和MCU等。
如下图所示:
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