计算机体系架构初步入门-Toy模板网

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1 计算机五大组成

1.1 CPU

1.1.1 CPU的核心

1.2 CPU工作原理

2 计算机存储体系结构

2.1 存储层次

2.2 CPU访问各个存储系统的访问时间

1 计算机五大组成

控制器，是计算机的控制系统；

运算器，是计算机的运算系统，Alu；

存储器，是计算机存储系统，内存、硬盘；

输入设备，是向计算机输入数据和信息的设备，包括键盘、鼠标、摄像头、触摸屏等；

输出设备，包括显示器、音响、打印机等。

cpu=控制器+运算器

电子计算机三大核心部件就是CPU、内部存储器、输入/输出设备。中央处理器的功效主要为处理指令、执行操作、控制时间、处理数据。

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1.1 CPU

中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU）作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。CPU自产生以来，在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展。

1.1.1 CPU的核心

运算器

运算器是指计算机中进行各种算术和逻辑运算操作的部件，其中算术逻辑单元是中央处理核心的部分。

（1）算术逻辑单元（ALU）。算术逻辑单元是指能实现多组算术运算与逻辑运算的组合逻辑电路，其是中央处理中的重要组成部分。算术逻辑单元的运算主要是进行二位元算术运算，如加法、减法、乘法。在运算过程中，算术逻辑单元主要是以计算机指令集中执行算术与逻辑操作，通常来说，ALU能够发挥直接读入读出的作用，具体体现在处理器控制器、内存及输入输出设备等方面，输入输出是建立在总线的基础上实施。输入指令包含一个指令字，其中包括操作码、格式码等。 [2]

（2）中间寄存器（IR）。其长度为 128 位，其通过操作数来决定实际长度。IR 在“进栈并取数”指令中发挥重要作用，在执行该指令过程中，将ACC的内容发送于IR，之后将操作数取到ACC，后将IR内容进栈。

（3）运算累加器（ACC）。当前的寄存器一般都是单累加器，其长度为128位。对于ACC来说，可以将它看成可变长的累加器。在叙述指令过程中，ACC长度的表示一般都是将ACS的值作为依据，而ACS长度与 ACC 长度有着直接联系，ACS长度的加倍或减半也可以看作ACC长度加倍或减半。

（4）描述字寄存器（DR）。其主要应用于存放与修改描述字中。DR的长度为64位，为了简化数据结构处理，使用描述字发挥重要作用。

（5）B寄存器。其在指令的修改中发挥重要作用，B 寄存器长度为32位，在修改地址过程中能保存地址修改量，主存地址只能用描述字进行修改。指向数组中的第一个元素就是描述字，因此，访问数组中的其它元素应当需要用修改量。对于数组成员来说，其是由大小一样的数据或者大小相同的元素组成的，且连续存储，常见的访问方式为向量描述字，因为向量描述字中的地址为字节地址，所以，在进行换算过程中，首先应当进行基本地址的相加。对于换算工作来说，主要是由硬件自动实现，在这个过程中尤其要注意对齐，以免越出数组界限。

控制器

控制器是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动与反向的主令装置。控制器由程序状态寄存器PSR，系统状态寄存器SSR，程序计数器PC，指令寄存器等组成，其作为“决策机构”，主要任务就是发布命令，发挥着整个计算机系统操作的协调与指挥作用。控制的分类主要包括两种，分别为组合逻辑控制器、微程序控制器，两个部分都有各自的优点与不足。其中组合逻辑控制器结构相对较复杂，但优点是速度较快；微程序控制器设计的结构简单，但在修改一条机器指令功能中，需对微程序的全部重编。

1.2 CPU工作原理

冯诺依曼体系结构是现代计算机的基础。在该体系结构下，程序和数据统一存储，指令和数据需要从同一存储空间存取，经由同一总线传输，无法重叠执行。根据冯诺依曼体系，CPU的工作分为以下 5 个阶段：取指令阶段、指令译码阶段、执行指令阶段、访存取数和结果写回。

取指令（IF，instruction fetch），即将一条指令从主存储器中取到指令寄存器的过程。程序计数器中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，程序计数器（PC）中的数值将根据指令字长度自动递增。

指令译码阶段（ID，instruction decode），取出指令后，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。现代CISC处理器会将拆分已提高并行率和效率。

执行指令阶段（EX，execute），具体实现指令的功能。CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。

访存取数阶段（MEM，memory），根据指令需要访问主存、读取操作数，CPU得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。部分指令不需要访问主存，则可以跳过该阶段。

结果写回阶段（WB，write back），作为最后一个阶段，结果写回阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式。结果数据一般会被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。

在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就从程序计数器中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。许多复杂的CPU可以一次提取多个指令、解码，并且同时执行。

2 计算机存储体系结构

2.1 存储层次

存储器是分层次的，离CPU越近的存储器，速度越快，每字节的成本越高，同时容量也因此越小。寄存器速度最快，离CPU最近，成本最高，所以个数容量有限，其次是高速缓存（缓存也是分级，有L1，L2等缓存），再次是主存（普通内存），再次是本地磁盘。

如下：CPU->L1 Cache(L1 D-cache,L1 I-Cache)->L2 Cache->L3 Cache

空间越来越大，价格越来越便宜，速度越越慢，如何提高Cache命中率是性能优化的重要指标

比如我的PC的L1 Cache:32k -> L2 Cache:256k -> L3 Cache:8192k

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2.2 CPU访问各个存储系统的访问时间

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