计算机组成与体系结构

章节概述

本章从计算机硬件组成、指令系统、存储体系和流水线技术四个维度，系统阐述计算机底层原理。系统架构设计师必须理解硬件与操作系统的交互机制，才能规避安全与性能隐患。核心聚焦于冯·诺依曼体系结构、CISC/RISC 对比、Cache 映射机制与流水线性能计算。

知识结构框架

• 1.1 计算机系统组成
  • 1.1.1 计算机硬件的组成（控制器、运算器、主存、辅存、输入/输出设备）
  • 1.1.2 计算机系统结构的分类（存储程序概念、Flynn 分类法）
  • 1.1.3 复杂指令集（CISC）与精简指令集（RISC）
  • 1.1.4 总线（内部/外部总线，地址/数据/控制总线）
• 1.2 存储器系统
  • 1.2.1 主存储器（RAM/ROM、编址方法）
  • 1.2.2 辅助存储器（磁带、硬盘结构）
  • 1.2.3 Cache 存储器（映射机制、替换算法、写操作）
• 1.3 流水线
  • 1.3.1 流水线周期
  • 1.3.2 流水线执行时间（理论公式与实际公式）
  • 1.3.3 流水线吞吐率
  • 1.3.4 流水线加速比

核心概念定义

冯·诺依曼体系结构

1946 年由冯·诺依曼提出，核心为"存储程序"概念：计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成；内部采用二进制表示指令和数据；程序和数据预先存入存储器后启动执行。早期以运算器为中心，现代转向以存储器为中心。

Flynn 分类法

1966 年 Michael J. Flynn 按指令流和数据流的多倍性对计算机系统分类：

• SISD（单指令流单数据流）：传统单处理器，顺序执行
• SIMD（单指令流多数据流）：并行处理机/矩阵处理机
• MISD（多指令流单数据流）：实际很少见，流水线计算机有文献归为此类
• MIMD（多指令流多数据流）：多核处理器、多处理机系统

CISC 与 RISC

局部性原理

程序执行呈现局部性规律，是 Cache 和多级存储体系的理论基础：

• 时间局部性：某指令一旦执行，不久后可能再次执行（如循环）
• 空间局部性：访问某存储单元后，其附近单元也将被访问（如顺序执行）

Cache 三种映射方式

关键公式与模型

SVG 图表参考

• 图1-1 计算机基本组成框图
• 图1-2 硬盘信息分布层次
• 图1-3 直接映射地址组成
• 图1-4 直接映射规则
• 图1-5 全相联映射地址
• 图1-6 全相联映射组织
• 图1-7 组相联映射
• 图1-8 组相联映射地址组织
• 图1-9 流水线示意