计算机组成原理之概述篇（二）

六、计算机的高速缓存

1、高速缓存的工作原理

• 字：指存放在一个存储单元中的二进制代码的组合；
• 字块：存储在连续的存储单元中而被看作是一个单元的一组字；

 

例题：假设主存用户空间容量为 4G，字块大小为 4M，字长为 32 位，则对于地址中块地址 m 和 块内地址 b 的位数，至少应该为多少？

4G = 4096M

字块数： 4096 ÷ 4 = 1024 个

字块地址m：log₂1024 = 10

块内字数：4M ÷ 32bit = 1048576

块内地址：log₂1048576 = 20

所以： m ≧ 10，b ≧ 20

• 命中率是衡量缓存的重要性能指标，访问效率也是一个性能指标；
• 理论上CPU每次都能从高速缓存存取数据的时候，命中率为1；

2、高速缓存的替换策略

缓存的替换策略

• 随机算法
• 先进先出算法（FIFO）
• 最不经常使用算法（LFU）
• 最近最少使用算法（LRU）

 

Ⅰ 先进先出算法（FIFO）

算法的基本思想是，总是先淘汰那些驻留在内存时间最长的页面，即先进入内存的页面先被淘汰。这种算法实现起来比较简单，性能最差。

 

Ⅱ 最不经常使用算法（LFU）

1. 优先淘汰掉最不经常使用的字块；
2. 为了找出最不经常使用的字块，所以需要一个额外的空间来记录字块的使用频率；

 

Ⅲ 最近最少使用算法（LRU）

该算法是选择最近最久未使用的页面予以淘汰，系统在每个页面设置一个“计时”标记，用以记录这个页面自上次被访问以来所经历的时间T，当要淘汰一个页面时，选择T最大的页面。

 

 

七、计算机的指令系统

1、机器指令的形式

• 主要由两个部分组成：操作码（指明指令需要完成的操作，操作码的位数反应了机器的操作种类）、地址码（给出操作数或者操作数地址，分三地址指令、二地址指令、一地址指令，就是说地址码字段有几个地址）；

 

2、机器指令的操作类型

• 数据左移（乘2）、数据右移（除2），完成数据在算术逻辑单元的必要操作；
• 等待指令、停机指令、中断指令、空操作指令等；

 

控制指令、移位操作、算术逻辑操作指令、数据传输指令；

 

3、机器指令的寻址方式

• 指令寻址（顺序寻址、跳跃寻址）；
• 数据寻址（立即寻址、直接寻址、间接寻址）；

 

Ⅰ 立即寻址：

• 指令直接获得操作数
• 无需访问存储器

 

Ⅱ 直接寻址：

• 直接给出操作数在主存的地址
• 寻找操作数简单，无需计算操作数的地址

 

Ⅲ 间接寻址：

• 指令地址码给出的是操作数地址的地址；
• 需要一次或多次主存来获取数据；

八、计算机的控制器

 

 

• 程序计数器：程序计数器用来存储下一条指令的地址，循环从程序计数器中拿出指令，当指令被拿出时，指向下一条指令；
• 时序发生器：用于发送时序脉冲，CPU根据不同的时序脉冲有节奏的进行工作；
• 指令译码器：计算机指令由操作码和地址码组成，指令译码器翻译操作码对应的操作及控制传输地址码对应的数据；
• 指令寄存器：从主存或高速缓存取计算机指令；
• 主存地址寄存器：保存当前CPU正要访问的内存单元的地址；
• 主存数据寄存器：保存当前CPU正要读或写的主存数据；
• 通用寄存器：拥有暂时存放或传送数据或指令，可保存ALU的运算中间结果，容量比一般的专用寄存器大

九、计算机的运算器

• 数据缓冲器：分为输入缓冲和输出缓冲，输入缓冲暂时存放外设送过来的数据，输出缓冲暂时存放送往外设的数据；
• ALU：算术逻辑单元，运算器的主要组成部分，常见的位运算（左右移、与或非等），算术运算（加减乘除等）；
• 通用寄存器：拥有暂时存放或传送数据或指令，可保存ALU的运算中间结果，容量比一般的专用寄存器大
• 状态字寄存器：存放运算状态（条件码、进位、溢出、结果正负等），存放运算控制信息（调试跟踪标记位、允许中断等）；

十、计算机指令的执行过程

1、指令的执行过程

注意：这样的指令执行过程，控制器和运算器不能同时工作，导致CPU的综合利用率并不高（所以引入了CPU的流水线设计）；

 

2、CPU的流水线设计