前言

  学而时习之不亦说乎，越是基础的知识越需求巩固学习，正好这几天回顾复习了一下核算机组成原理及体系结构，因而记载下来分享给大家，欢迎学习交流。

  核算机组成原理及体系结构首要包括：数据的表明、Flynn分类法、核算机结构、CISC与RISC、存储体系、流水线技能、总线体系、校验码、可靠性等相关技能。

数的表明

  数表明法在咱们学习核算机的时分就开始触摸了，输的表明是指依据不同的角度能够分为不同的类型。

  数依据用图和含义不同能够分为不同的类型，例如：从数的是否带符号，可分为带符号数和无符号数；从数的符号的表明办法，可分为真值和机器数；从不同的数制表明数，可分为二进制数、十进制数、八进制数和十六进制数等；从核算机编码角度，数的表明法有原码、反码和补码；关于小数点的表明，能够分为定点表明法和浮点表明法。

• N进制转十进制

  • 办法：按权展开法
  • 具体步骤：10100转十进制。12^4+12^2=20

• 十进制转N进制

  • 办法：短除法
  • 具体步骤：把N作为除数，依据余数继续除N,除到无法整除，然后拼接余数，将余数逆序拼接即可。

• 二进制转八进制

  • 每三个二进制，对应一个8进制，将二进制从右往左每三个分一段缺乏的补0，转出多个二进制对应的数，即八进制数。010 001 110 即分别对应2 1 6 。八进制数是：216

• 二进制转十六进制

  • 每四个二进制，对应一个16进制，将二进制从右往左每四个分一段缺乏的补0，转出多个二进制对应的数，即16进制数。1000 1110 即分别对应8 E 。16进制数是：8E

• 原码

  • 将一个数转成二进制形式，一个字节8位，缺乏的补0，最高位为符号位，0正数，1负数 。例如：1 原码为：0000 0001， 3的原码为：0000 0101
  • 正数：原码=反码=补码。例如：1 0000 0001
  • 负数：符号位-1。例如：-1 1000 0001
  • 规模：-（2^n-1 -1）~ 2^n-1 -1。例如：n=8 则规模为：-127~127

• 反码

  • 正数：原码=反码=补码 。例如：1 0000 0001
  • 负数：符号位取出（默许-1），其他位置按位取反。例如：-1 1111 1110
  • 规模：-（2^n-1 -1）~ 2^n-1 -1。例如：n=8 则规模为：-127~127

• 补码

  • 正数：原码=反码=补码。例如： 1 0000 0001
  • 负数：补码是在反码的基础上+1，得到补码。例如：1 1111 1111
  • 规模：-2^n-1 ~ 2^n-1 -1。例如：n=8 则规模为：-128~127

• 移码

  • 正数：在补码的基础上，首位取反
  • 负数：在补码的基础上，首位取反

• 浮点数运算

  • 概念：实数由一个整数或定点数（即尾数）乘以某个基数（核算机中通常是2）的整数次幂得到，这种表明办法类似于基数为10的科学计数法
  • 表明：N=M*Re,其间M为尾数，R为底数，e为指数。
  • 核算：对阶—-尾数核算—-成果格式化，小数点左边不能为0。

核算机结构

• 主机

  • CPU

    • 运算器

      • 算术逻辑单元ALU
      • 累加寄存器AC
      • 数据缓冲寄存器DR
      • 状态条件寄存器PSW

    • 操控器

      • 程序计数器PC
      • 指令寄存器IR
      • 指令译码器
      • 时序部件

  • 主存储器

CISC与RISC

• CISC杂乱指令体系

  • 指令：数量多、运用数量不同大、可变长格式
  • 寻址办法：支撑多种
  • 完结办法：微程序操控技能
  • 其他：研发周期长

• RISC简略指令体系

  • 指令：数量少、运用频率接近、不行变长格式、大部分为单周期指令、操作寄存器、只有load|store操作内存
  • 寻址办法：支撑较少
  • 完结办法：增加通用寄存器、硬布线逻辑操控为主、多用于流水线
  • 其他：优化编译、有效支撑高档言语

Flynn分类法

• 核算机体系结构的分类办法。依据数据流和指令流

• 单指令流单数据流

  • SISD
  • 结构：操控一个、处理一个、主存一个
  • 运用：单处理器体系

• 单指令流多数据流

  • SIMD
  • 结构：操控一个、处理多个、主存多个
  • 运用：并行处理机、阵列处理机、超级向量处理机

• 多指令流单数据流

  • MISD
  • 结构：操控多个、处理一个、主存多个
  • 运用：现在没有，类似于流水线

• 多指令流多数据流

  • MIMD
  • 结构：操控多个、处理器多个、主存多个
  • 运用：多处理机、多核算机

存储体系

• 层次化的存储结构：CPU(寄存器)、Cache、内存（主存）、外存（辅存）

• Cache

  • 在CPU与主存之间运用Cache，提高CPU输入输出速率
  • Cache依据：局部性原理
  • 运用Cache+主存的 均匀周期=Cache拜访命中率*Cache的拜访时刻+（1-Cache拜访命中率）*主存的拜访时刻
  • 空间局部性、时刻局部性
  • 作业集理论：进程拜访时被频繁拜访的页面集合

• 主存

  • 随机存取存储器

    • 特色：掉电会丢掉数据
    • 分类：DRAM 动态RAM,SRAM静态RAM

  • 只读存储器

    • 特色：掉电不丢掉数据
    • 分类：MROM掩形式ROM,PROM一次可编程ROM,EPROM可擦除ROM,闪速存储器
    • 核算：（结尾地址-开始地址）/内存单位

• 磁盘

  • 磁盘的存取时刻核算：存起时刻=寻道时刻+等待时刻（均匀定位时刻+滚动推迟）
  • 最少记载时刻核算=旋转周期+最优读取周期
  • 最长记载时刻核算=旋转周期*（周期数-1）+最终一个扇区读取处理时刻

流水线技能

  流水线，又称装配线，工业上的一种生产办法，指每一个生产单位只专注处理某一个片段的作业，以提高作业功率及产量。

• 概念：在程序执行时

• 流水线周期：流水线中执行时刻最长的一段。

• 流水线执行时刻核算

  • 理论公式：每个阶段的时长+（指令条数-1）*流水线周期。t1+t2…+tk+(n-1)*△t
  • 实践公式：（指令阶段数量+指令条数-1）*流水线周期.。（k+n-1）*△t

• 流水线吞吐率TP

  • 概念：在单位时刻内流水线完结的使命数量或输出的成果数量
  • TP=指令条数/流水线执行时刻
  • 最大吞吐量TP=1/△t

• 流水线的加速比

  • 概念：完结统一批使命，不运用流水线技能与运用流水线技能所用时刻的比
  • 核算：S=不运用流水线技能完结的时刻/运用流水线技能所用的时刻

• 流水线的功率

  • 概念：流水线的功率是指流水线的设备利用率。
  • 核算：E=N个使命所占用的时空区与K个流水段总的时空区之比

总线体系

• 内部总线

  • 处理器与芯片之间的总线，芯片之间的总线

• 体系总线

  • 体系总线是插线板之间的总线
  • 数据总线
  • 地址总线
  • 操控总线

• 外部总线

校验码

• 过失操控

  • 检错

    • 查看出错误

  • 纠错

    • 查看出错误并纠正错误

  • 码距

    • 整个编码体系中两个码字之间的最小距离

  • 码距与检错：在一个码组内为了检错e个误码，码距d最小为：d>=e+1

  • 码距与纠错：在一个码组内为了纠错t个误码，码距d最小为：d>=2t+1

• 循环校验码CRC(检错)

  • 模2除法：在进行除法运算时，不计其进位除法。对商值进行异或处理。
  • 核算时：多项式转成2进制形式；取最高位次方，在原报文后加最高次方的0；进行模2的除法；将原始报文后+余数

• 海明校验码

  • 核算公式：2^R >=N+R+1。其间R是校验位的个数，N是信息位的个数
  • 检错：信息位转为2进制，判别信息位影响的校验位，校验位依据影响的信息位值进行异或处理
  • 纠错：检错位之后取反即纠错

可靠性

• 可靠性核算：串联可靠性、并联可靠性
• 模冗余体系、混合体系

结语

  好了，以上便是核算机组成原理及体系结构的介绍，感谢您的阅览，希望您喜爱，如对您有帮助，欢迎点赞收藏。如有缺乏之处，欢迎谈论纠正。下次见。

  作者介绍：【小阿杰】一个爱鼓捣的程序猿，JAVA开发者和爱好者。大众号【Java全栈架构师】维护者，欢迎重视阅览交流。

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