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。

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）

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：

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)

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

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

②实践公式：k*t+(n-1)*t
流水线周期：

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:

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）

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）

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：

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：