1、總線的作用及概述
解決設備間通訊問題。
總線是為了解決不同設備之間的通信問題。
總線可以連接CPU和IO設備。
2、總線分類：片內總線、系統總線
片內總線：連接CPU內部高速緩存、寄存器、運算單元的總線；
系統總線：數據總線、地址總線、控制總線
數據總線：雙向傳輸各個部件的數據信息;數據總線的位數（總線寬度）是數據總線的重要參數（一般於CPU位數相同）
總線如果是32位 則一次可傳遞4個字節的數據 總線如果是64位 則一次可傳遞8個字節的數據
地址總線：指定源數據或目的數據在內存中的地址;地址總線的位數和存儲單元相關
（地址總線的位數=n，尋址范圍0～2^n-1）
控制總線：控制總線是用來發出各種控制信號的傳輸線;
控制信號經由控制總線從一個組件發給另一個組件;
控制組件可以監視不同組件之間的狀態（就緒/未就緒）;
3、總線的總裁：為了解決總線使用權的沖突問題。
仲裁方法有三種。（鏈式查詢、計時器定時查詢、獨立請求）
為了解決各設備之間的總線使用權問題；
鏈式查詢：各個設備與仲裁器串聯，當有設備申請總線使用權時，仲裁器發出使用許可，總是按照設備優先順序接收到信號，導致優先級高的設備總是能先獲取到使用權。
鏈式查詢的優缺點：
好處：電路復雜度低，總裁方式簡單
壞處：優先級低的設備難以獲得總線使用權
壞處：對電腦故障敏感
計時器定時查詢：仲裁控制器對設備標號並使用計數器累計計數，其次當控制器接收到仲裁信號后，往所有設備發出計數值，計數值與設備編號保持一致時會優先獲得使用權。
計時器查詢的工作過程：設備主要是通過設備地址與計數器進行對比的，課程使用計數器是為了方便理解，可以理解為設備有一個唯一的設備地址，將設備地址的值與計數器比較，如果一致的話，才會得到總線使用權。
獨立請求：每個設備均有縱線獨立連接仲裁器，可獨立向仲裁器發送和接受請求，同時接到多個請求信號時，仲裁器有權按優先級分配使用權。
獨立請求的優缺點：
好處：響應速度快，優先順序可動態改變
壞處：設備連接多，總線控制復雜
計算機的輸入輸出設備
常見的輸入輸出設備：
字符輸入設備：鍵盤（薄膜鍵盤，機械鍵盤）。
圖像輸入設備：鼠標；數位板；掃描儀。
圖像輸出設備：顯示器（CRT顯示器、液晶顯示器）；打印機；投影儀。
輸入輸出接口的通用設計：
數據線：IO設備與主機之間進行數據交換的傳送線（單向，雙向）。
狀態線：IO設備狀態向主機報告的信號線（是否正常連接；是否被占用）。
命令線：CPU向設備發送命令的信號線（發送讀寫信號；發送啟動停止信號）。
設備選擇線：主機選擇IO設備進行操作的信號線。（對連在設備總線上進行選擇）
CPU與IO設備的通信方法（程序中斷、DMA）：
前提：CPU速度和IO設備速度不一致
程序中斷：外圍設備就緒時，向CPU發出中斷，專門電路相應中斷信號。
提供低速設備通知CPU的一種異步的方式、CPU可以高速的運轉同時兼顧低速設備的響應
第一種方法如果頻繁打斷CPU的工作，會降低其效率。
因此產生了第二種方法，DMA 直接存儲器訪問方法：
DMA：DMA(Direct Memory Access,直接存儲器訪問)。對於沒有DMA的情況，CPU可能需要被IO設備頻繁打斷，並且由CPU進行IO設備緩存與主存之間的數據拷貝，占用大量的CPU時間。對於有DMA的情況，當IO設備准備完成以后，會先通知CPU，然后后續的數據傳輸由DMA協助就可以完成，不再需要CPU的參與。
DMA的出現就是為了解決批量數據的輸入/輸出問題。DMA是指外部設備不通過CPU而直接與系統內存交換數據的接口技術。這樣數據的傳送速度就取決於存儲器和外設的工作速度。
通常系統總線是由CPU管理的，在ＤＭＡ方式時，就希望CPU把這些總線讓出來，即CPU連到這些總線上的線處於第三態(高阻狀態)，而由DMA控制器接管，控制傳送的字節數，判斷DMA是否結束，以及發出DMA結束信號。
因此DMA控制器必須有以下功能:
1、 能向CPU發出系統保持(HOLD)信號，提出總線接管請求；
2、 當CPU發出允許接管信號后，負責對總線的控制，進入DMA方式;
3、 能對存儲器尋址及能修改地址指針，實現對內存的讀寫；
4、 能決定本次DMA傳送的字節數，判斷DMA傳送是否借宿。
5、 發出DMA結束信號，使CPU恢復正常工作
計算機儲存器概述
存儲器的分類
按存儲介質分類
- 半導體存儲器：內存、u盤、固態硬盤等
- 磁存儲器：磁帶、磁盤等
按存取方式分類
- 隨機存儲器（RAM）：隨機讀取、與位置無關
- 串存儲器： 與位置有關、按順序查找
- 只讀存儲器（ROM）：只讀不寫
存儲器的層次結構
讀寫速度
存儲容量
價格
容量+價格=>位價：每比特位價格
緩存：速度快 位價高
主存：速度適中 位價適中
輔存：速度慢 位價低
緩存-主存層次
原理：局部性原理
CPU訪問存儲器時，無論是存取指令還是存取數據，所訪問的存儲單元都是趨於聚集在一個較小的連續區域中
實現：在CPU與主存之間增加一層速度快容量小的緩存
目的：解決主存速度不足的問題
主存-輔存層次
原理：局部性的原理
實現：主存之外增加輔助存儲器（磁盤、SD卡、U盤等）
目的：解決主存容量不足的問題
計算機的主存儲器與副存儲
主存儲器——內存RAM（隨機存儲器）
工作原理：RAM，（隨機存儲器；Random Access Memory）通過電容存儲數據，必須每隔一段時間刷新一次，如果斷電，那么一段時間后將丟失所有數據。
內存與CPU的交互：
操作系統位數與內存大小關系
首先，2是從比特位來的，一個比特位可以表示0和1。
那么，對於32位地址，就有2^32次方的尋址范圍可以表示，換算成數值就是4*2^30次方，指的是尋址范圍，每個地址按字尋址是1byte，所以總的過程就是4 * 1024 * 1024 * 1024 * 1Byte = 4G。
32位CPU的意思是，一次CPU尋址，可以尋址32個比特位長度的地址，也就是最多2^32個數據地址，這里面，對於每個地址，尋址數據大小是一個字節1Byte，可以得到4G的結果；因此，對於32位CPU，安裝超過4G的物理內存，都是浪費的。
輔助存儲器——磁盤
工作原理：表面是可磁化的硬磁特性材料，移動磁頭徑向運動讀取磁道信息。
磁盤內容讀取主要算法
- 先來先服務算法
- 最短尋道時間優先
- 掃描算法（電梯算法）
- 循環掃描算法
例題：假如磁盤最外圈磁道為1，最內圈磁道為5，磁頭現在在4磁道，且磁頭移動向外，求不同尋道算法的磁頭移動順序，假設磁頭需要讀取的順序為142315.
先來先服務算法（FCFS）：按順序訪問進程的磁道讀寫需求。讀取順序為142315.
最短尋道時間優先算法（SSTF）：與磁頭當前位置有關，優先訪問離磁頭最近的磁道。讀取順序為452311
掃描算法（電梯算法/SCAN）：每次只往一個方向移動，到達一個方向的盡頭后反方向移動。讀取順序為432115
循環掃描算法（C-SCAN）：只往一個方向移動。讀取順序為451123
計算機的高速緩存
高速緩存的工作原理
前提知識之主存存取數據的方法：
1. 字：指存放在一個存儲單元中的二進制代碼組合
2. 字塊：存儲在連續的存儲單元中而被看作是一個單元的一組字
例題：假設主存用戶空間容量為4G,字塊大小為4M,字長為32位，則對於字地址中的塊地址m和塊內地址b的位數，至少應該是多少?
解： 
高速緩存的內部存儲結構與主存的邏輯結構非常類似，緩沖容量較小，緩沖的速度更快
CPU可以從高速緩存和主存中獲取數據，前者的效率比后者高。
命中率：
- 命中率是衡量緩存的重要性能指標
- 理論上CPU每次都能從高速緩存存取數據時候，命中率為1
例題：
假設CPU在執行某段程序時，共訪問了Cache命中2000次，訪問主存50次，已知Cache的存取時間為50ns,主存的存取時間為200ns，求Cache-主存系統的命中率、訪問效率和平均訪問時間。
解：命中率、訪問效率、平均訪問時間分別是0.97、91.7%、54.5ns
高速緩沖的替換策略
替換時機：高速緩存內沒有需要運行的數據，就會從主存內拿數據。
替換算法：隨機算法、先進先出算法（FIFO）、最不經常使用算法（LFU）、最近最少使用算法（LRU）
- 隨機算法（RAND）：每一次需要發生替換，隨機選取一個高速緩存的位置，然后把相關的內容替換掉
- 先進先出算法（FIFO）：把高速緩存看做是一個先進先出的隊列，優先替換最先進入的字塊
- 最不經常使用算法（LFU）：優先淘汰掉最不經常使用的字快，需要額外的空間記錄字塊的使用頻率
- 最近最少使用算法（LRU）：優先淘汰一段時間內沒有使用的字塊;有多種實現方法，一般是用雙向列表;把當前訪問節點置與鏈表前面（保證鏈表頭部節點是最近使用的）
計算機的指令系統
機器指令的形式
機器指令主要由兩部分組成:操作碼.地址碼
操作碼:操作碼指明指令所要完成的操作;操作碼的位數反映了機器的操作種類(比如有8位,那么就是2^8 = 256種操作)
地址碼:直接給出操作數或者操作數的地址;分三地址指令、二地址指令和一地址指令、零地址指令
三地址指令：
二地址指令：
一地址指令：
零地址指令：
機器指令的操作類型（數據傳輸、算數邏輯操作、位移操作、控制指令）
1. 數據傳輸
- 寄存器之間、寄存器與存儲單元、存儲單元之間的傳送（存儲單元可以是主存，高速緩存，硬盤等等...）
- 數據讀寫、交換地址數據、清零置一等操作
2. 算數邏輯操作
- 操作數之間的加減乘除的運算
- 操作數的與或非等邏輯位運算
3. 位移操作
- 數據左移（乘2）、數據右移（除2）
- 完成數據在算術邏輯單元的必要操作
4. 控制指令
- 等待、停機、空操作、中斷等
機器指令的尋址方式（指令尋址、數據尋址）
指令尋址（順序尋址、跳躍尋址）
1. 順序尋址：通過程序計數器PC加1，自動形成下一條指令的地址
2. 跳躍尋址：通過轉移指令實現。
數據尋址（立即尋址、直接尋址、間接尋址）
1. 立即尋址：機器指令內包含了操作的數據，無需訪問存儲器
2. 直接尋址：機器指令內包含了數據在內存中的地址，無需計算數據地址
3. 間接尋址:機器指令內包含了數據地址在內存的地址，通過內存地址找到真正的數據。需要訪問一次或多次主存來獲取操作數
數據尋址的優缺點
計算機的控制器
控制器是協調和控制計算機運行的
程序計數器：
- 用來存儲下一條指令的地址
- 循環從程序計數器中拿出指令
- 當指令被拿出時指向下一條指令
時序發生器：
- 電氣工程領域，用於發送時序脈沖
- CPU依據不同的時序脈沖有節奏的進行工作
指令譯碼器：
- 是控制器的主要部件之一
- 計算機指令有操作碼和地址碼組成
- 翻譯操作碼對應的操作以及控制傳輸地址碼對應的數據
指令寄存器：
- 也是控制器的主要部件之一
- 從主存或高速緩存取計算機指令
主存地址寄存器：
- 保存當前CPU正要訪問的單元的地址
主存數據寄存器：
- 保存當前CPU正要讀或寫的主存數據
通用寄存器：
- 暫時存放或存送數據或指令
- 可保存ALU的運算中間的結果
- 容量比一般專業寄存器要大
計算機的運算器
運算器時用來進行數據運算加工的
數據緩存器：
- 分為輸入緩沖和輸出緩沖
- 輸入緩沖暫時存放外設送過來的數據
- 輸出緩沖暫時存放送往外設的數據
ALU：
- ALU：算術邏輯單元，是運算器的主要組成
- 常見的位運算（左右移、與、非）
- 算術運算（加減乘除）
狀態字寄存器：
- 存放運算狀態（條件碼、進位、溢出、結果正負等）
- 存放運算控制信息（調試跟蹤標記位、允許中斷位等）
通用寄存器：
- 用於暫時存放或傳送數據或指令
- 可保存ALU的運算中間結果
- 容量比一般專用寄存器要大
CPU指令執行的過程
由於是在cpu內執行的,所以涉及的設備有: 控制器(程序計數器,指令譯碼器,時序發生器,指令寄存器)
高速緩存(數據緩存器,指令緩存器),運算器(通用寄存器,數據寄存器,狀態寄存器),他們是由片內總線連接的;
詳細過程是:
首先,系統operator(自己)調用系統功能的時候,會生成指令,和數據,然后它們緩存入指令緩存和數據緩存中(例:數據緩存有"地址"1,數據120;
指令緩存有地址101,操作碼MOV,地址碼RO,R1),接着程序計數器會把指令緩存中,指令的地址記錄下來(例:101), 指令會通過片內總線傳輸到指令寄存器(操作碼,地址碼),接着又從指令寄存器發送到指令譯碼器中,之后程序計數器會+1(例:變成102), 之后指令譯碼器譯碼完成(把匯編語言變成機器語言),之后其通過片內總線發送控制信號給運算器進行運算:
例如,把指令緩存中,地址101,操作碼MOV,地址碼R0,R1的數據中的R1,加載到ALU(算數邏輯單元,是邏輯門),再通過片內總線的數據總線,傳入數據緩存器,然后把R1數據覆蓋掉R0,記錄運算狀態(狀態寄存器)並送出運算結果給UI至此,就完成了這條指令的操作,CPU會執行下一條指令(如果有發起操作)
CPU的流水線設計
執行過程中,控制器和運算器不能同時工作,所以CPU綜合利用率不高所以需要流水線設計
可以看到,非流水線情況,指令只能一條一條被執行,而流水線的情況,系統可以並發執行指令(不等前一條結束,后一條指令就可以執行),從而大大增加執行效率
