计算机系统结构

计算机系统结构

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一、计算机系统概述

1.1 基本概念

• 冯·诺依曼体系：五大组成部分（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备）
• 性能指标：
  • MIPS（每秒百万指令数）：

    $$\text{MIPS} = \frac{\text{主频}}{\text{CPI}} \times 10^6$$

  • CPI（每条指令周期数）
  • 程序执行时间公式：

    $$T = \frac{\text{指令数} \times \text{CPI}}{\text{主频}}$$

1.2 计算机分类

类型	特点	应用场景
SISD	单指令单数据流	传统CPU
SIMD	单指令多数据流	GPU、向量机
MIMD	多指令多数据流	多核处理器
哈佛结构	指令存储分离	嵌入式系统

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二、数据表示与运算

2.1 数值表示

• 补码范围：

  $$-2^{n-1} \leq X \leq 2^{n-1}-1$$

• IEEE754浮点格式：

  graph LR
    单精度 --> 1位符号+8位阶码+23位尾数
    双精度 --> 1位符号+11位阶码+52位尾数

2.2 算术运算

• 布斯算法（补码乘法）步骤：
  1. 初始化乘积寄存器
  2. 扫描乘数位判断加减操作
  3. 算术右移

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三、指令系统

3.1 指令格式

类型	特点	示例
固定长度	便于流水线设计	RISC
可变长度	节省存储空间	x86
扩展操作码	灵活编码	MIPS

3.2 寻址方式

类型	有效地址计算	应用场景
立即寻址	操作数=指令中的立即数	常数操作
寄存器间接	操作数=(R)	指针访问
基址寻址	EA=(BR)+A	数组访问
相对寻址	EA=PC+A	转移指令

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四、中央处理器

4.1 CPU组成原理

graph TD
    CU[控制单元] --> ID[指令译码]
    ALU --> RegFile[寄存器文件]
    PC --> MAR[存储器地址寄存器]
    IR[指令寄存器] --> CU

4.2 流水线技术

• 五级经典流水：

  1. 取指(IF)
  2. 译码(ID)
  3. 执行(EX)
  4. 访存(MEM)
  5. 写回(WB)

• 三类冒险处理：

  类型	解决方法
  结构冒险	增加资源/流水线停顿
  数据冒险	旁路技术/重排序
  控制冒险	分支预测/延迟槽

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五、存储系统

5.1 存储层次

pie
    title 存取速度与容量关系
    "寄存器" : 1ns
    "Cache" : 2-10ns
    "主存" : 50-100ns
    "磁盘" : 5-20ms

5.2 缓存替换策略

算法	策略	实现难度
LRU	最近最久未使用	高（硬件维护访问位）
FIFO	先进先出	简单（循环计数）
随机	随机选择	最低

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六、输入输出系统

6.1 中断处理流程

1. 设备发送中断请求
2. CPU保存现场
3. 执行中断服务程序
4. 恢复现场返回

6.2 DMA传输过程

sequenceDiagram
    CPU->>DMA控制器: 设置传输参数
    DMA控制器->>内存: 发起传输请求
    内存-->>DMA控制器: 响应请求
    DMA控制器->>外设: 完成数据传输
    DMA控制器->>CPU: 发送完成中断

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七、并行体系结构

7.1 多核处理器架构

• UMA（均匀存储器访问）：

  graph LR
    Core1 -->|同总线| Memory
    Core2 -->|同总线| Memory

• NUMA（非均匀存储器访问）：

  graph LR
    Node1[Core+Local Memory] --> Interconnect
    Node2[Core+Local Memory] --> Interconnect

7.2 多线程技术

类型	特点	实现方式
细粒度	指令级交替执行	硬件自动调度
粗粒度	线程切换由软件触发	操作系统调度
同步多线程(SMT)	同时执行多线程指令	超标量处理器

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附录

重要公式速查表

名称	公式
Amdahl定律	$$S = \frac{1}{(1-\alpha)+\alpha/k}$$
Cache命中率	$$H = \frac{N_{hit}}{N_{total}}$$
程序局部性原理	时间局部性 + 空间局部性

高频考点提示

1. 补码运算的溢出判断
2. 指令流水线时间计算
3. 缓存映射方式比较（直接、组相联、全相联）
4. 中断与DMA的异同分析