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计算机组成体系结构

news 2025/5/23 14:41:15

计算机系统组成

计算机的基本硬件系统由 运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 五大部件组成

运算器、控制器等… 被集成在一起统称为中央处理单元 Central Processing Unit，CPU

存储器： 是计算机系统中的记忆设备，分为 内部存储器和外部存储器

内部存储器：速度高、容量小，一般用于【临时存放程序数据】、【中间结果】
外部存储器：容量大、速度慢，可以【长期保存程序、数据】

输入设备、输出设备 合称为外部设备（简称外设）

输入设备：用于输入原始数据及各种命令，
输出设备：则用于输出处理结果

输入/输出：I/O

键盘和鼠标： 是最常用的输入设备。键盘通过扫描码将按键信息传输给计算机，

鼠标则通过【光电、机械】方式检测移动和按键操作，并将相应的信号发送给计算机，常见的输入输出方式有：

通道方式

通道是一种特殊的处理机，它具有自己的指令系统和程序，

可以独立地执行通道程序，控制外设与内存之间的数据传输

通道方式进一步提高了 CPU 与外设的并行工作能力，适用于连接多个高速外设的系统

中断输入输出方式⭐

中断输入输出方式是计算机系统中【重要】：的数据输入输出方式

中断输入输出方式指：当外部设备完成：数据准备、需要 CPU 处理的事件时，主动向 CPU 发送中断请求信号

CPU 在接收到中断请求后，暂停当前正在执行的程序，转而去处理与该中断请求—对应—中断服务程序
完成对外部设备的操作或处理相关事件，处理完后 再返回原来被中断的程序继续执行

中断方式提高了 CPU 的利用率，使 CPU 可以与外设【并行】工作

中断请求： 外部设备在完成数据准备或发生特定事件（如打印机完成一次打印任务、键盘有按键按下等）

时通过硬件电路向 CPU 发送中断请求信号，该信号会通知 CPU 有外部事件需要处理
中断响应： CPU 执行每条指令的最后一个时钟周期：
都会检查是否有中断请求到来，若检测到中断请求，且此时 CPU 允许中断（即中断允许标志位为 1）

则 CPU 会暂停当前正在执行的程序，保存当前程序断点：【程序计数器 PC 的值】程序状态字等现场信息

然后根据中断源类型、中断向量表，找到对应的中断服务程序入口地址，开始执行中断服务程序；
中断处理： CPU 执行中断服务程序，完成对外部设备的相应操作，

在中断服务程序中，通常还会对中断请求进行应答，以清除中断请求信号，防止再次触发中断。
中断返回： 当中断服务程序执行完毕后，

CPU 会恢复之前保存的现场信息： 程序计数器 PC 的值、寄存器的值和程序状态字等，

然后返回到原来被中断的程序继续执行，使程序能够继续正常运行

中断输入输出方式【特点】

实时响应性好：

能够及时响应外部设备的请求，对于实时性要求较高的任务（如实时数据采集、实时控制等）非常重要

外部设备可以在需要时立即向 CPU 发出中断请求，CPU 能够迅速做出响应并进行处理，减少了响应延迟
提高 CPU 利用率： 与程序查询方式相比，CPU 无需不断地查询外设状态，

在等待外设数据准备的过程中可以继续执行其他程序，只有当外设准备好数据并发出中断请求时，

CPU 才会暂停当前工作去处理外设事务，大大提高了 CPU 的利用率
可实现 [多任务并发] 处理： 多个外部设备可以同时向 CPU 发送中断请求，

CPU 可以根据中断优先级等策略依次处理各个中断请求，从而实现多个任务的并发处理，

使计算机系统能够同时管理和控制多个外部设备，提高系统的整体性能和效率

程序控制查询方式

程序控制，分为【无条件传送】【程序查询方式】两种

方法简单，硬件开销小，但I/0能力不高，严重影响 CPU 的利用率！

【无条件传送】

特点：硬件简单、软件实现容易、适用场景有限 CPU 在需要时【直接】对端口进行读或写操作，

无需考虑外设的当前状态，默认外设始终处于准备好接收或发送数据的状态

硬件简单：不需要复杂的硬件电路来实现 CPU 与外设之间的状态交互
软件实现容易：程序中，只需使用简单的输入输出指令即可完成数据传输
适用场景有限：只适用于那些工作速度非常快或非常慢，且对数据传输的实时性要求不高的外设

【程序查询方式】

CPU 利用率低 实时性较差数据传输可靠性较高 优点是硬件简单

CPU 通过执行程序 不断地查询外设的状态 通过读取外设的状态寄存器，

来判断外设是否准备好进行数据传输，如果外设未准备好，CPU 则继续查询，直到外设准备好为止

内存与接口的编制方式

在计算机系统中，内存与接口的编址方式主要有**【独立编址】、【统一编址】**两种：

独立编址

内存和接口分别有各自独立的 地址空间，使用不同的指令和控制信号来访问内存和接口

有专门的输入输出指令（如 IN、OUT 指令）用于对接口进行操作
访问内存则使用专门的内存访问指令

缺点：指令类型增多、编程相对复杂、I/O 端口的操作灵活性受限

优点：地址空间清晰、指令系统简洁、译码电路相对简单

指令系统简洁： 对接口的操作有专门的指令，指令格式和功能相对简单，易于设计和实现
地址空间清晰： 内存和接口的地址空间相互独立，界限分明，易于理解和管理，不会产生地址冲突问题
译码电路相对简单： 由于内存和接口的地址空间是分开的，所以设计地址译码电路时，

可以分别针对内存和接口进行设计，电路结构相对简单

统一编址

也称为存储器映射编址，是将接口中的寄存器等当作内存单元一样进行编址，

内存、接口共用一个地址空间： 对接口的访问就像对内存的访问一样，使用相同的指令来进行读写操作

缺点：地址空间冲突、内存空间相对减少、译码电路相对复杂

优点：指令系统统一、编程方便、I/O 端口的操作灵活性高

直接存储器访问（DMA）方式

在 DMA 控制器(硬件) 的控制下，外设直接与内存进行数据交换，无需 CPU 干预

DMA 方式主要用于高速外设与内存之间的大批量数据传输，如磁盘、磁带等。

它可以大大提高数据传输速度，减少 CPU 的干预，提高系统的整体性能

CPU 功能、组成：⭐

CPU 主要功能：

程序控制： 通过执行指令来控制程序的执行顺序，是CPU的重要功能⭐
操作控制：一条指令功能的实现需要若干操作信号配合完成： CPU产生每条指令的操作信号

并将操作信号送往不同的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作
时间控制： CPU 对各种操作进行时间控制， 指令执行过程中操作信号的：

出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需要进行严格的控制
数据处理： CPU通过对数据进行：算术运算、逻辑运算、等进行加工处理

数据加工处理的结果被人们所利用，对数据的 加工处理也是 CPU最根本的任务；

CPU 主要由 【运算器】【控制器】【寄存器组】【内部总线】等部件组成：

运算器：

运算器—>组成：算术逻辑单元、累加寄存器、数据缓冲寄存器、状态条件寄存器

算术逻辑单元 ALU： 负责处理数据，实现对数据的算术运算、逻辑运算

累加寄存器 AC： 也称累加器 是一个寄存器

当运算器—>算数逻辑单元—>执行—>算数运算、逻辑运算：为算术逻辑单元提供一个工作区

数据缓存寄存器DR： 作为CPU和内存、外部设备之间数据的—中转站—操作速度之间的—缓冲

对内存储器进行读写、DR暂时存放内存储器的指令/数据，并将不同的时段数据进行 隔离；
在单累加器结构运算器中，数据缓存寄存器DR 还可作为——数据寄存器；

状态条件寄存器 PSW：存储和反映CPU当前的工作状态和指令执行结果的相关信息

由算数指令和逻辑指令运行、测试——结果建立的各种条件码内容，主要分为：状态标志和控制标志

运算器-主要功能： 执行所有算术运算：加、减、乘、除、等，基本运算及附加运算

执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试，如与、或、非、零值测试或两个值的比较等

考试时候如果这个选项，有争议就不要选择它 A\B都可以实现\情况就不需要选择：状态寄存器选项了

控制器：

运算器只能完成运算，控制器用于控制整个 CPU 的工作

它决定了计算机运行过程的【自动化】： 它不仅要保证程序的正确执行，而且要能够处理异常事件

一般包括：指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑、中断控制逻辑等几个部分；

指令控制逻辑： 完成取指令、分析指令和执行指令的操作，

过程分：取指令、指令译码、按指令操作码执行、形成下一条指令地址、等步骤；

指令寄存器 IR： 当 CPU 执行一条指令时，先把它从内存储器取到缓冲寄存器中，

再送入 IR 暂存，指令译码器 根据 IR 的内容产生各种微操作指令，控制其他的组成部件工作，完成所需的功能。
程序计数器PC： 具有【寄存信息、计数】两种功能，又称为：指令计数器

程序的执行分为两种情况：【顺序执行】、【转移执行】

CPU 中 PC 用来跟踪下一条要执行指令在存储器中的地址
地址寄存器 AR：保存当前 CPU 所访问的内存单元的地址
指令译码器 ID： 指令分为操作码和地址码两个部分，

为了执行任何给定的命令，必须对操作码进行分析，以便识别所有完成的操作

中断控制逻辑： 用于控制各种中断请求，并根据优先级的高低对中断请求进行排队，逐个交给 CPU 处理

时序控制逻辑： 为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号

总线逻辑： 为多个功能部件服务的信息通路的控制电路

寄存器组：

寄存器组： 专用寄存器、通用寄存器

运算器和控制器 中的寄存器 是专用寄存器，其作用是固定的。
通用寄存器： 的用途广泛，并且由程序员规定其用途，其数目因处理器的不同有所差异；

多核CPU：

核心又称为【内核】，是 CPU 最主要的组成部分

CPU 所有的计算、接受/存储命令、处理数据都 由【核心执行】 各种 CPU 核心都具有固定的逻辑结构：

一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都会有合理的布局；

CPU 主要厂商：AMD 和 Intel 的双核技术在物理结构上有很大的不同

AMD 将两个内核做在一个 Die 上，通过直接架构连接起来，集成度更高；
Intel 是将放在不同核心上的两个内核封装在一起，因此称为【双芯】，将 AMD 的方案称为【双核】

可靠性

可靠性指标： 是用于衡量系统、设备、产品或过程在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力的 一系列参数

下面是一个程序运行的过程：
|-----MTTF----|--MTTR--|---MTTF---|--MTTR--|-----MTTF-----||---------MTBF------|MTTF 平均无故障时间：指从开始使用到发生故障前的平均工作时间 MTTF=1/λ
- λ为失效率：指工作到某一时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率
- λ(t) 表示，单位为时间的倒数，如 1/h（每小时）、1 / 次（每次）等MTTR 平均故障修复时间：即出现故障到修复完成所需要的平均时间 MTTR=1/μ
- μ为修复率：指维修人员在单位时间内修复故障产品的概率MTBF 平均故障间隔时间：指相邻两次故障之间的平均工作时间，MTBF 越长，说明产品的可靠性越高 MTBF=MTTR+MTTF
系统可用性：产品在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内，处于可工作或可使用状态的概率 MTTE/(MTTR+MTTF)x100%
- 在实际应用中，一般MTTR很小，所以通常认为：MTBF≈MTTF
- 可靠性可以用可以用 MTTF/(1+MTTF) 来度量

串联系统

只要其中有一个单元发生故障，整个系统就会失效

串联系统是指系统中的所有单元（部件或子系统）必须都正常工作，系统才能正常运行，

可靠性特点： 串联系统的可靠性取决于系统中可靠性最低的单元。由于所有单元都要正常工作系统才有效，

所以随着串联单元数量的增加，系统的整体可靠性会迅速下降

可靠性计算：假设串联系统中有n个单元，每个单元的可靠度分别为：R1、R2、R3… ：

$R_s = R_1 * R_2 * R_3 * ... * R_n$

例如，一个串联系统由三个单元组成，它们的可靠度分别为0.9、0.8和0.7那么系统的可靠度：

$R_s= 0.9*0.8*0.7 = 0.504$

并联系统

只有当所有单元都发生故障时，系统才会失效

并联系统是指系统中只要有一个单元正常工作，系统就能正常运行

可靠性特点： 并联系统提高了系统的可靠性和容错能力。因为只要有一个单元正常工作，

系统就能保持功能，所以相比串联系统，其整体可靠性更高，尤其在单元数量较多时更为明显

**可靠性计算：**假设并联系统中有n个单元，每个单元的可靠度分别为：

$R_1、R_2、R3 ...$

则系统的不可靠度： $F_p = (1-R_1) * (1-R_2) * (1-R_3) * ... * (1-R_n)$
那么并联系统的可靠度： $R_p = 1-F_p = (1-R_1) * (1-R_2) * (1-R_3) * ... * (1-R_n)$

一个并联系统由三个单元组成，它们的可靠度分别为 0.9、0.8和0.7，

则系统的不可靠度： $F_p$ =(1-0.9) x (1-0.8) x (1-0.7) = 0.006
系统的可靠度： $R_p$ = 1-0.006 = 0.994

串联系统和并联系统在不同的应用场景中各有优劣

实际的复杂系统往往是串联和并联结构相结合的混合系统：一半串联、并联；

中级考试中也通常是根据：【混合模型图】设计公式；

总线

特点：分时双工 一条总线同一时刻仅允许一个设备发送，但允许多个设备接收

总线分类：

数据总线（Data Bus，DB）：用于在 CPU、内存、I/O 设备等之间传输数据

数据总线的宽度决定了计算机一次能传输的数据量，32 位数据总线表示计算机一次可以传输 32 位(4 字节数据)
地址总线（Address Bus，AB）：主要用来传输地址信息，CPU 通过地址总线指定访问内存单元、I/O 设备地址

地址总线的宽度决定了计算机的寻址能力，如 32 位地址总线可以寻址 $2^{32}$ 个不同的地址空间，即 4GB 的内存空间

计算机在直接寻址时，需要从内存读取操作数，要先将操作数的地址送到地址总线上。
控制总线（Control Bus，CB）：用于传输控制信号、时序信号和状态信息等，协调计算机各部件的工作

例如，读 / 写信号、中断请求信号、时钟信号等都通过控制总线来传输

按层次结构分类：

片内总线： 是集成电路芯片内部各功能单元之间的连线，用于实现芯片内部的信息传输

如 CPU 芯片内部的寄存器、算术逻辑单元（ALU）等之间的连接。
系统总线： 连接计算机主机内各大部件，如 CPU、内存、I/O 接口等，

是计算机系统的核心总线，常见的系统总线有 ISA 总线、PCI 总线等
外部总线： 用于计算机与外部设备之间的连接和通信，如 USB 总线、IEEE 1394 总线等，

主要用于连接外部设备，如打印机、扫描仪、移动存储设备等

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