计算机组成原理

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计算机组成原理

2024-07-16 20:15| 来源: 网络整理| 查看: 265

一. 概述 1. 定义：

存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据

2. 作用： I/O设备要与存储器交换信息多处理机系统中，各处理机都要与主存交换信息，而且各处理机在相互通信中，也都需要共享存放在存储器中的数据 3. 存储器的分类： (1). 按存储介质分类

存储介质是指能寄存0、1两种代码并能区别两种状态的物质或元器件

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(2). 按存取方式分类

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(3). 按在计算机中的作用分类

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4. 存储器的层次结构

存储器有3个性能指标：速度、容量、每位价格速度越高，位价越高容量越大，位价越低容量越大，速度越低

这三者之间的关系在这里插入图片描述

各部件主要作用：

寄存器：制作在CPU中，其中数直接在CPU内部参与运算高速缓存cache：也制作在CPU中，速度快于内存，容量小于内存内存：存放将要参与运行的程序和数据，可以直接和CPU交换信息辅助存储器：用来存放暂时未用到的程序和数据文件，CPU不能直接访问辅存，辅存只能与主存交换信息

存储系统的层次结构体现在：缓存-主存、主存-辅存在这里插入图片描述

缓存-主存层次：主要解决CPU和主存速度不匹配的问题

缓存的速度比主存的速度高，只要将CPU近期需要的数据调入缓存，然后CPU在从缓存中取走数据，提高CPU的访存速度。但是缓存容量小，需要不断从主存中调入数据，使原来的信息被替换掉，这些都是由硬件自动完成。

主存-辅存层次：主要解决存储系统的容量问题

辅存的速度低，不能和CPU直接交换信息，但它的容量大，存放了许多暂时用不到的信息。当CPU需要的时候，将这些内容调入主存，供CPU直接访问，这两者之间的数据调动也是有硬件直接完成

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> 通过分类：主存、缓存、辅存来分别介绍以下几种存储器

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二. 主存储器 1. 概述

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(1). 主存的基本结构

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(2). 存储单元地址的分配

主存各存储单元的空间位置是由单元地址号来表示的，而地址总线是用户来指出存储单元地址号的，根据该地址可读出或写入一个存储字。

在这里插入图片描述举例：

(3). 主存的技术指标

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2. 半导体存储芯片简介 (1). 半导体存储芯片的基本结构

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存储芯片片选线的作用：在这里插入图片描述

(2). 半导体存储芯片的译码驱动方式

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3. 主存储器分类

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1. 随机存储器RAM 静态RAM (1). 静态RAM的基本电路

存储器中用于寄存0、1代码的电路称为存储器的基本单元电路

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读操作

由于静态RAM是用触发器工作原理存储信息，因此即使信息读出后，它任保持其原状态，不需要再生。但掉电后原存信息丢失，故它属于易失性半导体存储器

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写操作

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(2). 静态RAM芯片举例

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(3). 静态RAM读/写时序动态RAM (1). 动态RAM的基本单元电路

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(2). 动态RAM芯片举例

三管动态RAM芯片

单管动态RAM芯片

(3). 动态RAM时序 (4). 动态RAM刷新

刷新的过程实质上是先将原存信息读出，再由刷新放大器形成原信息并重新写入的再生过程

为什么需要刷新

由于存储单元被访问是随机的，有可能某些存储单元长期得不到访问，不进行存储器的读/写操作，其存储单元内的原信息将会慢慢消失。所以必须采用定时刷新的方法，规定在一定时间内，对动态RAM全部基本单元电路必作一次刷新一般刷新周期为2ms 刷新是一行一行的进行，必须在刷新周期内，用专门的刷新电路来完成对基本单元电路的逐行刷新

刷新的方式

集中刷新在这里插入图片描述

分散刷新在这里插入图片描述

异步刷新在这里插入图片描述

动态RAM与静态RAM的比较

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2. 只读存储器ROM

对半导体ROM而言，基本器件为两种：MOS型和TTL型

(1). 用户的需求变化

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(2). 只读存储器ROM的作用

只读存储器的特点是只能读出而不能写入信息，通常在电脑主板的ROM里面固化一个基本输入/输出系统，称为BIOS（基本输入输出系统）。其主要作用是完成对系统的加电自检、系统中各功能模块的初始化、系统的基本输入/输出的驱动程序及引导操作系统。

(3). 只读存储器ROM的发展

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注：闪存比较适合作为一种高密度、非易失的数据采集和存储器件在便携计算机，工控系统及单片机系统中大量应用，近年来被用于微信计算机中存放输入输出驱动程序和参数（BIOS系统）闪存经过不断的发展，大容量逐渐取代磁盘，不断升级的闪速存储器做成了固态硬盘（SSD） 4. 存储器与CPU的连接

CPU执行的指令和需要的数据都保存在主存储器当中，运行结果也需要保存在主存储器当中，因此必须实现CPU和主存储器的正确连接，才能实现CPU和主存储之间的信息交换

通常CPU的地址线条数比较多，寻址空间范围大，由于单个存储芯片的容量总是有限的，很难满足实际的需要，所以要构成一个主存储器需要多个存储芯片共同组成，称为存储容量的扩展。

(1). 存储容量的扩展 1. 位扩展

目的

增加存储字长

如何进行位扩展在这里插入图片描述

2. 字扩展

目的

增加存储字的数量

如何进行位扩展在这里插入图片描述

3. 字和位同时扩展

目的

既增加存储字的数量，又增加存储字长

如何实现？在这里插入图片描述

(2). 存储器与CPU的连接 1. 基本方法

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地址线的连接

数据线的连接

读写命令线的连接

片选线的连接

合理选择存储芯片

时序、负载

2. 举例 5. 存储器的校验

在计算机运行过程中，由于种种原因致使数据在存储过程中可能出现差错，为了能及时发现错误并及时纠正错误，通常可将数据配成汉明编码

6. 提高访存速度的措施 (1). 采用高性能存储芯片

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(2). 采用层次结构：Cache-主存 (3). 调整主存结构方式一：单体多字系统

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方式二：多体并行系统三. 高速缓冲存储器

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1. 概述 (1). 为什么需要用Cache

在多体并行存储系统中，由于I/O设备向主存请求的级别高于CPU访存，这就出现了CPU等待I/O设备访存的现象，致使CPU空等一段时间，甚至可能等待几个主存周期，从而大大降低了CPU的工作效率

主存的速度提高始终跟不上CPU的发展。

Cache的出现使CPU可以不直接访问主存，而与高速Cache交换信息

CPU从主存取指令或取数据，在一定时间内，只是对主存局部地址区域的访问原因是：指令和数据在主存中都是连续存放的，有些指令和数据往往会被多次调用（子程序、循环程序、一些常熟）这就使的程序访问具有局部性原理（CPU在执行程序时，访存具有相对局部性）由于这个原因我们就可以将CPU近期要使用的程序和数据提前放到Cache中，就可以使CPU在一定时间内只访问Cache (2). Cache的工作原理 1. 主存和缓存的编址

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2. 命中与未命中

CPU访问Cache命中：

CPU欲访问主存某个字时，所需的字已在缓存中，CPU可直接访问Cache（CPU和Cache之间通常一次传送一个字）

CPU访问Cache未命中

CPU所要访问的字不在Cache内，此时需将该字所在的主存整个字块一次调入Cache中（Cache与主存之间是字块传送） 3. 如何判断所读的信息是否已在缓存中

因为缓存块数C远小于主存块数M，因此一个缓存块可以不断的更新所对应的主存块，所以每个缓存块需要设一个标记，用来表示当前存放的是哪一个主存块

标记的内容对应于主存块的编号（也就是主存地址的高m位），来判断所读的信息是否在缓存中

4. Cache的命中率

定义：指CPU要访问的信息已在Cache内的比率在这里插入图片描述

(3). Cache的基本结构

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主要由：Cache存储体、地址映射变换机构、Cache替换机构等几大模块组成

Cache存储体地址映射变换机构Cache替换机构 (4). Cache的读写操作

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(5). Cache 的改进

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2. Cache-主存地址映射定义：由主存地址映射到Cache地址称为地址映射方式： 1. 直接映射

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2. 全相联映射

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3. 组相联映射

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3. 替换策略

产生的原因：当新的主存块需要调入Cache并且它的可用空间位置又被占满时，需要替换掉Cache的数据，这就产生了替换算法问题

直接映射的Cache中：由于某个主存块只与一个Cache字块有映射关系，因此替换策略简单

组相联和全相联映射的Cache中：主存块可以写入Cache中的若干位置，这就出现了替换掉哪一个字块的问题

(1). 先进先出（FIFO）算法 (2). 近期最少使用（LRU）算法 (3). 随机法四. 辅助存储器 1. 概述 (1). 辅存存储器的特点辅助存储器又称外存它不直接与CPU交换信息它与主存一起组成了存储器系统的主存-辅存层次与主存相比，辅存的特点：具有容量大、速度慢、价格低、可脱机保存信息等特点，属于非易失性存储器 (2). 磁表面存储器的主要技术指标

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2. 磁记录原理和记录方式 (1). 磁记录原理 (2). 磁表面存储器记录方式 3. 辅存存储器的分类

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4. 辅存存储器的发展史

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