计算机系统体系结构

计算机体系结构是程序员所看到的计算机属性，包括计算机的逻辑结构和功能特征，硬软件之间的关系，设计思想与体系结构。

计算机体系结构分类

按处理机数分类

单处理系统
并行处理与多处理系统
分布式处理系统

按并行程度分

flynn分类法（根据指令流数据流分类）：单指令流单数据流SISD，单指令多数据流SIMD，多指令单数据MISD，多指令多数据MIMD
冯泽云分类法：根据计算机系统在单位时间内能够处理的最大二进制位数分类（字串位串，字并位串，字串位并，字并位并）
Handle分类法：基于硬件并行程度的计算方法。
kuck分类法：根据指令流，执行流的多少进行分类。

冯诺伊曼机

计算机硬件系统遵循冯诺伊曼机设计的体系结构，由运算器，存储器，寄存器，输入设备和输出设备组成。
运算器，控制器，寄存器组成CPU。
控制器由指令寄存器(IR)，程序计数器(PC)，地址寄存器(AR)，数据寄存器(DR)，指令译码器等组成
运算器由算数算数逻辑单元(ALU)，通用寄存器等组成

指令系统

指令：计算机可以识别和执行的命令。
微操作：执行指令时，每个不见完成的基本操作。
指令系统：计算机系统中可执行的指令集合。

指令格式

指令由操作码和地址码组成。由零地址指令，单地址指令，等等
操作码：表示指令的操作性质及功能。可分为定长编码，变长编码。
地址码：指出指令的操作数据。

寻址方式

立即寻址：指令中直接给出操作码
直接寻址：指令中给出的是操作码地址或所在寄存器地址
间接寻址：给出的是操作码地址的地址。
变址寻址：给出的地址，需与特定的地址值相加，得到操作码地址。

CISC 和 RISC指令集

CISC 复杂指令集计算机

指令数目多。
指令为可变长的指令。
指令控制器复杂。
有较丰富的寻址方式提供给用户。
编程相对容易，因为其可用的指令多，编程方式比较灵活。

RISC 精简指令集计算机

指令数目少。
指令格式规整。
指令控制器简单。
寻址方式使用尽可能少的寻址方式简化实现逻辑，提高效率。
实现与CISC相同的功能一般编程量更大。

RISC 流水线结构

超流水线技术：增加流水线级数。
超标量技术：采用多条流水线同时执行。
超长指令字：将多条指令连在一起执行，以增加运算速度。

CPU结构

中央处理单元(CPU)由运算器，控制器，寄存器组和内部总线等构成

CPU指令的执行过程

取指令
取操作数
执行操作

指令周期: 完成一条指令所需的时间（取指令，分析指令，执行指令所花费的时间）
机器周期: 每个阶段所需的时间。
时钟周期: 时钟频率的倒数。

指令周期由若干个机器周期组成，每个机器周期由若干个时钟周期组成。

总线周期: CPU从存储器或I/O端口存期一字节所需的时间

CPU的主要性能指标

主频(时钟频率): CPU运算和处理数据的速度。
字长: CPU单位时间内能一次处理二进制数的位数。
缓存: CPU与主存之间的高速存储器，速度接近CPU。

流水线

流水线: 将指令分解为多个小步骤，并让若干条不同指令的各个操作步骤重叠，从而实现若干条指令的并行处理，达到程序加速运行的目的。
流水线执行的总时间主要取决于流水线步骤中最长时间的那段操作。

流水线的性能指标

吞吐率: 单位时间内可以处理的任务数(指令数)。
加速比: 串行模式的工作速度/流水线模式的工作速度。
效率: 流水线各段处于工作时间的时空区/流水线中各段总的时空区。

存储系统

存储系统基础

按存储应用分类

主存储器(随机存储器，只读存储器)
只读存储器：MROM，PROM，EPROM，E^2PROM
快擦型存储器 Flash Memory
辅存
Cache

按数据的存取方式分类

随机存取存储器(RAM): CPU可以对存储器中的数据随机存储，与信息所处的物理位置无关。
只读存储器(ROM): 信息固定在存储器内，只可读出，不能修改。
顺序存取存储器(SAM): 只能按某种顺序存取，存取时间的长短与信息在存储体上的物理位置相关。
直接存取存储器(DAM): 当需要存取信息时，直接指向整个存储器中的某个范围，然后在这个范围内顺序检索，找到目的地后再进行读写操作。
相联存储器(CAM): 基于数据内容进行访问的存储设备。当写入数据时，CAM能够自动选择一个未使用的空单元进行储备；读出数据时，使用数据的一部分内容进行检索地址。

存储器相关计算

存储容量: 存储器存放数据的总位数。 = 存储单元数 * 单元的位数
存取时间: CPU给出有效的存储器地址启动一次存储器读写操作，到完成操作的总时间。
存取周期: 连续两次启动存储器所需的最小时间间隔.

高速缓存

高速缓冲存储器(Cache): 把程序正在使用的部分放在一个高速缓存中，解决CPU与主存速度不匹配的问题，高速缓存速度与CPU相当。

映射策略:

直接映像: 主存块只能存放在Cache的相同块中。
全相联映像: 主存任何一块数据可以调入Cache的任一块中。
组相联映像: 结合直接映像和全相联映像。

RAID

RAID: 独立磁盘冗余阵列，利用磁盘阵列控制器和一组磁盘组成一个可靠的，高速的，大容量的逻辑硬盘。

RAID概念

条带: 将连续数据分成若干个大小相同的数据块，将每块数据分别存入阵列中不同磁盘相同位置上的方法。
条带长度: 一个横跨过的扇区或块的个数或者字节容量。条带长度 = 条带深度 * 条带经过的所有磁盘数。
条带深度: 一个条带在单块磁盘上所占的区域(Segment)。条带深度就是一个Segment所包含数据块或者扇区的个数或者字节容量。
条带宽度: 可以同时读，写条带数量，等于RAID中的物理硬盘数量。

硬盘存储器与网络存储

硬盘存储器

硬盘: 由一个或多个铝制或者玻璃制的碟片组成的存储器。
机械硬盘: 由盘片，磁头，接口，缓存，传动部件，主轴马达等组成。
硬盘物理参数:
盘片: 硬盘由许多个盘片组成，每个盘片由两个面，每面都有一个读写磁头。
磁道(head): 每个盘面都被划分为数目相等的磁道，且外缘从“0”开始编号。
柱面(Cylinder): 相同编号的磁道形成一个圆柱，称为柱面。磁盘的柱面数与单个盘面上的磁道数是相等的。
扇区(Sector): 每个盘片上的每个磁道又被划分为若干个扇区。
硬盘其他参数:
硬盘容量: 指硬盘能存储数据的数据量大小。硬盘容量 = 柱面数 * 磁道数 * 扇区数 * 512B。
硬盘转速: 硬盘主轴电机的转动速度，单位RPM(每分钟盘片转动次数)。
硬盘缓存: 硬盘与外部总线交换数据的暂时存储数据的场所。
平均访问时间: 硬盘磁道找到目标数据的平均时间。
平均寻道时间: 硬盘从一个磁道移动到另一个磁道所需要的平均时间。
SMART技术: 自检测，分析及报告技术。检测各硬件，预设安全值，并设置预警。
硬盘种类: SATA，SAS，固态。

网络存储

直连式存储(DAS): 存储设备直接连接到服务器上，存储设备只与一台独立的主机连接。
网络附属存储(NAS): 单独为网络数据存储开发的一种文件服务器来连接所有的存储设备。数据存储至此不再是服务器的附属设备，而成为网络的一个组成部分。
存储区域网络及其协议(SAN): 用于将多个计算机系统连接到存储设备和子系统。
面向对象的存储(OSD)

可靠性与系统性能评测

容错

容错: 当系统发生故障时也能提供服务。
可用性: 任何给定的时候都能及时工作。
安全性: 系统偶然出现故障能正常工作不造成任何灾难。
可维护性: 发生故障的系统被恢复的难易程度。
故障: 造成错误的原因。可分为按发生周期(暂时故障，间歇故障，持久故障)，按性质(崩溃行故障，遗漏性故障，延时和响应故障，随机故障)。

提高系统可靠性方法:

非容错方法(避错): 以预防为主，是保障可靠性的主要方法。
容错方法: 在有故障发生时，仍能保障系统正常工作。

系统可靠性分析

平均无故障时间(Mean Time to Failure，MTTF): MTTF指系统无故障运行的平均时间，取所有从系统开始正常运行到发生故障之间的时间段的平均值。

平均修复时间(Mean Time to Repire, MTTR): MTTR指系统从发生故障到维修结束之间的时间段的平均值。
平均失效间隔(Mean Time Between Failure, MTBF): MTBF指系统两次故障发生时间之间的时间段的平均值。
失效率: 单位时间内失效元件和元件总数的比率。

系统可分为: 串联系统，并联系统，模冗余系统。

输入/输出技术

程序控制方式

程序控制方式可以分为:

无条件传送: 假定外设已准备好，随时无条件接收CPU的I/O指令。
程序查询: 条件传送，通过CPU执行程序。

中断方式

中断机制: CPU无需定期查询输入/输出系统状态，转而处理其他事物。当I/O系统完成后，发出中断通知CPU，CPU保存正在执行的程序现场，然后转入I/O中断服务程序完成数据交换；在处理完毕后，CPU将自动返回原来的程序继续执行。(为了解决程序控制方式CPU效率较低问题)

中断响应时间: 收到中断请求，停止正在执行的指令，保存执行程序现场的时间。

DMA方式

DMA: 在需要时替代CPU作为总线主设备，不受CPU干预，控制I/O设备与系统主存之间的直接数据传输。
DMA传输过程:

进行DMA时，DMAC(DMA Controler)接替CPU控制总线。
DMAC传送地址信号和控制信号，实现外设与内存的数据交换。
数据交换完毕，CPU重新接管系统总线。
DMAC获取系统总线的控制权可以采用的方式:
CPU暂停: CPU交出控制权直到DMA操作结束。
周期窃取: CPU空闲时暂时放弃总线，插入一个DMA周期。
共享: CPU不使用系统总线时，则由DMAC传输。

输入/输出处理机(IOP)

选择传送: 连接多台快速I/O，但一次只能使用一台。
字节多路: 连接慢速I/O设备，交叉方式传递数据。
数据多路通道: 综合选择传送，字节多路的优点。

总线结构

总线: 计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线。

总线分类

数据总线: 双向传输数据。DB宽度决定每次CPU和计算机其他设备的交换位数。
地址总线: 只单向传输CPU发出的地址信息，指明与CPU交换信息的内存单元。AB宽度决定CPU最大寻址能力。
控制总线: 传送控制信号，时序信号和状态信息等。每一根线功能确定，传输信息方向固定，每一根线单向传输信息，整体双向传递信息。

总线定义

总线频率: 总线实际工作频率，一秒钟传输数据的次数;是总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高，速度越快。
总线周期: 指CPU从存储器或I/O端口存取一字节所需的时间。
总线带宽: 总线数据传输的速度。
总线宽度: 总线一次传输的二进制位的位数。

内部总线

内部总线: 在CPU内部，寄存器之间和ALU与控制部件之间传输数据所用的总线。

系统总线

系统总线: 连接计算机各功能部件而构成一个完整的计算机系统。是计算机各插件板与系统板之间的总线。
ISA，EISA，PCI，PCI-Express

外部总线

外部总线: 计算机和外部设备之间的总线。
RS-232-C，IEEE-488，USB，IEEE-1394，SATA

计算机硬件基础总结