计算机结构

• 计算机组成=中央处理器、存储器(内存)、输入/输出设备
  • CPU 控制器 程序计数器、指令寄存器、中断机构、时序部件
  • CPU 运算器 进行算数/逻辑运算、算数逻辑单元ALU、通用寄存器、数据总线
  • 存储器 内存储器 内存/主存、存储机器指令和数据
  • 存储器 外存储器 外存/辅存、存储长期保存信息
  • 输入/输出设备

计算机分类

指令流：机器执行的指令序列(信号)
数据流：指令流调用的数据序列(数据)
多倍性：系统部件上允许并行执行的指令或者数据的最大可能数

多级存储器体系

• 存储器体系 = 寄存器、高速缓存Cache、主存储器、磁盘、光盘、磁带
• 存储器存储方式
  • 顺序存取 线性顺序，磁带
  • 随机存储 相同时间访问任意存储单元，主存储器
  • 直接存取 每个存储块都有地址标识、数组，磁盘存储器
  • 相联存取 高速缓存cache
• 性能取决于: 存取时间、容量、数据传输率、价格

主存储器

• RAM(随机存取存储器) 断电后数据丢失，暂存数据
  • SRAM(static ram) 静态存储器 容量小，速度快，价格高 [cache]
  • DRAM(dynamic ram) 动态存储器 [主存储器] 需要不停刷新电路
• ROM(只读存储器) 厂家固定好只读，存放BIOS或者微程序
• PROM(可编程ROM) 可以修改一次
• EPROM(可擦除PROM) 可以多次写
• flash memory(闪存) 可电擦除，基于地址的读写
• CAM(相联存储器) 基于数据内容的读写，速度快于基于地址的读写

辅存储器

• 磁带存储器
• 磁盘存储器
  • 数据都是存放在 磁道 上，磁道是同心圆，为了避免干扰，磁道之间存在空隙，最外层磁道是0道
  • 磁盘传输数据单位是块(扇区)，扇区之间也有空隙
  • 柱面 是若干个磁盘叠加组成的磁盘组，所有磁盘上同一个 磁道的剖面
  • 磁盘格式化容量 = （n * t * s * b）；n=总盘数，t=每面盘的磁道数，s=每磁道的扇区数，b=每扇区的存储字节数
  • 磁盘存储时间 = 寻道时间 + 等待时间
    • 寻道时间 是磁头移动到对应磁道的时间（固定磁头则只需要耗费选择磁道对应的磁头时间）
    • 等待时间 是等待读取的数据所在的扇区转到磁头下方的时间，一般去转一圈的平均值
  • 磁盘数据传输率 -> R = TB /T；R=数据传输率，TB=磁道上记录的字节数，T=磁盘转一圈耗时
• RAID 廉价磁盘冗余阵列存储器
  • 分布式存放数据，CPU可以并行的快速切换提高系统的IO
  • 8级：
    • RAID 0 无冗余无校验（存储利用率100%）
    • RAID 1 镜像实时备份50%存储利用率
    • RAID 5 无独立校验盘的奇偶校验磁盘阵列，将校验码分布到所有磁盘上，存储利用率（扣除校验码）
    • RAID 10 性能好，但是扩展性不好，50%存储利用率
• 光盘存储器 CD / CD-ROM / DVD-ROM

高速缓存Cache

• 原理：局部性原理，减少CPU->主存储的消耗，命中率一般在 90%-95%
• Cache里面分为指令cache和数据cache，指令的读/写时间会比数据的读写时间快。
• 例子：假设一台机器主存读写是100ns。有一个Cache读写是10ns，读指令命中率98%，读数命中率95%。执行程序时，1/5指令需要读一个操作数，不考虑流水线阻塞，问指令的平均读取时间？
  • (2% * 100ns + 98%*10ns) + 1/5(5% * 100ns + 95% * 10ns)=14.7ns [有1/5的指令还需要读取一个操作数, 每个请求都需要读取指令]
• Cache 地址映射： 主存和cache均分成容量相等的块(页)
  • 直接映射： 一个主存块只能复制到一个指定的cache 位置上，会存在主存多个块映射到同一个cache位置上
  • 全相联映射： 在cache 淘汰掉某一页信息，可以将主存任意页中数据进行映射，由于主存不能通过计算直接获取 cache的映射，需要逐一对比，丢失了cache的性能，很少使用
  • 组相联映射：结合 直接映射 和 全相联映射，在块分组的概念上再按照每n块分一组的概念，缩小全地址映射的范围

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1234E8F8H是十六进制，映射的二进制是 0001 0010 0011 0100 1110 1000 1111 1000

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• 淘汰算法
  • 随机淘汰、先进先出(FIFO first in and first out)
  • 最近最少使用(LRU least recently used) [命中率最高]
• Cache 与 主存数据一致性保证：
  • 写回（先写cache 做标识，当被替换时才写入主存）
  • 直写（既写主存也写cache）
  • 标记法 有效位1时读取cache，为0时读取主存
• 直接存储器存取(DMA)技术 和 输入输出通道技术
• 现代存储层次 cache(buffer)->主存(内存)->辅存(硬盘)
• cache 存储器(由 硬件组成, 比主存快, 对程序员透明)
  • 组成: 存储体(指令/数据) + 标记(在主存中的位置)
• Cache 类型
  • 指令 cache 和 数据 cache
  • 多层次 cache(一级cache、二级cache、三级cache)
• 虚拟存储器
  • 主存-辅存的信息传输单位：段、页、段页
  • 段式管理：
    • 优势：段与程序分界相对应；便于共享；[堆栈、队列]这类的段可以动态调整长度
    • 劣势：起点、终点难以分配；空间不好回收，造成大量冗余碎片
  • 页式管理：
    • 优势：传输定长页；起点、终点固定，分页方便、分配页方便
    • 劣势：最后一页有浪费、每一页都不一定是逻辑独立的，在共享，保护，处理都不方便
  • 段页式管理：程序按模块分段，段内分页，进入主存按照页为信息基本传输单位
• 直接寻址 和 间接寻址