计算机系统结构分级存储器体系
简述个人计算机中存储体系结构存储系统分类
简述个人计算机中存储体系结构存储系统分类计算机中存储体系结构指的是计算机内存和外存，以及两者之间的结构关系。
计算机中的存储体系结构可以分为两大类：内存存储体系结构和外部存储体系结构。
内存存储体系结构是指将计算机的内存单元组织成有效的结构，以便处理计算机中的信息。
它包括主存储器、辅助存储器、高速缓存存储器等。
主存储器是指将计算机中的信息暂时存储起来的主要设备，主存储器有多种类型，如RAM（随机存取存储器）、ROM（只读存储器）、SRAM（静态随机存取存储器）、DRAM（动态随机存取存储器）等。
辅助存储器是指在计算机中用于存储信息的一种存储器，它的容量远大于主存储器，通常用来存储大量的程序和数据，或者处理较长时间的运算，它可以是磁盘、磁带、光盘等。
高速缓存存储器是计算机中用来缓存主存储器中程序和数据的设备，它具有较高的存取速度，容量也较小，具有极高的速度，可以大大提高计算机的计算速度。
外部存储体系结构是指在内存存储体系结构和用户程序之间所连接的存储体系结构。
外部存储体系结构的主要设备有：磁盘系统、磁带系统、光盘系统、软盘系统等。
其中，磁盘系统是一种最主要的存储设备，它可以缓存大量的程序和数据，可以长时间的保存，它的容量大，存取速度也较快，是大多数用户更多使用的外存储设备。
磁带系统通常用来长期存储大量的信息，其优点是容量大，存取速度慢，而光盘系统则是一种快速存取、容量较小、适用范围较窄的存储体系结构，大多数用于存放小型文件、图片、音乐等，而软盘系统则是一种具有较小容量的存储体系结构，主要用于存储少量的指令和数据，一般用于较小型的计算机系统中。
计算机中存储体系结构对于计算机性能的提高和数据处理的准确性起着重要作用，它在计算机系统中占据着举足轻重的地位。
选择合适的存储体系结构类型，可以有效地提高计算机的效率，从而使计算机可以更加高效地处理大量的数据。
同时，正确地运用存储体系结构的知识也是对计算机系统管理的重要一环。
计算机系统结构简介
计算机系统结构简介计算机系统结构是指计算机硬件与软件的组织和设计方式，它是计算机系统功能实现和性能提升的基础。
本文将介绍计算机系统结构的主要组成部分以及它们之间的相互关系。
一、中央处理器（Central Processing Unit, CPU）中央处理器是计算机系统的核心组成部分，它负责执行计算机指令、控制和处理数据。
CPU包括算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit, ALU）和控制单元（Control Unit, CU），其中ALU负责进行算术和逻辑运算，CU则负责指令的解码和执行。
二、存储器（Memory）存储器用于存储计算机程序和数据，它分为主存储器（Main Memory）和辅助存储器（Auxiliary Storage）。
主存储器是CPU能够直接访问的存储空间，常用的主存储器包括随机存取存储器（Random Access Memory, RAM）和只读存储器（Read-Only Memory, ROM）等。
辅助存储器则用于扩展主存储器的容量，如硬盘、光盘等。
三、输入输出设备（Input-Output Devices）输入输出设备用于与计算机系统进行交互，它可以将外部设备的数据输入到计算机系统中，或者将计算机系统的数据输出到外部设备中。
常见的输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
四、总线（Bus）总线是计算机系统中不同组件之间传送数据和控制信息的通道，它分为地址总线、数据总线和控制总线。
地址总线用于指示数据在存储器中的位置，数据总线用于传输数据，控制总线用于传送控制信号。
五、操作系统（Operating System）操作系统是计算机系统的核心软件，它负责管理计算机系统的资源、控制程序的执行、提供用户接口等功能。
常见的操作系统有Windows、Linux、macOS等。
六、指令系统（Instruction Set）指令系统是计算机系统中的一组机器指令，它规定了CPU能够执行的操作和数据的表示方式。
【计算机组成原理】存储系统
【计算机组成原理】存储系统存储器的层次和结构从不同⾓度对存储器进⾏分类：1.按在计算机中的作⽤（层次）分类 （1）主存储器。
简称主存，⼜称内存储器（内存），⽤来存放计算机运⾏期间所需的⼤量程序和数据，CPU 可以直接随机地对其进⾏访问，也可以和告诉缓冲存储器（Cache）及辅助存储器交换数据，其特点是容量较⼩、存取速度较快、单位价格较⾼。
（2）辅助存储器。
简称辅存，⼜称外存储器（外存），是主存储器的后援存储器，⽤来存放当前暂时不⽤的程序和数据，以及⼀些需要永久性保存的信息，它不能与CPU 直接交换信息。
其特点是容量极⼤、存取速度较慢、单位成本低。
（3）⾼速缓冲存储器。
简称 Cache，位于主存和 CPU 之间，⽤来存放正在执⾏的程序段和数据，以便 CPU 能⾼速地使⽤它们。
Cache 地存取速度可与 CPU 的速度匹配，但存储容量⼩、价格⾼。
⽬前的⾼档计算机通常将它们制作在 CPU 中。
2.按存储介质分类 按存储介质，存储器可分为磁表⾯存储器（磁盘、磁带）、磁芯存储器、半导体存储器（MOS型存储器、双极型存储器）和光存储器（光盘）。
3.按存取⽅式分类 （1）随机存储器（RAM）。
存储器的任何⼀个存储单元的内容都可以随机存取，⽽且存取时间与存储单元的物理位置⽆关。
其优点是读写⽅便、使⽤灵活，主要⽤作主存或⾼速缓冲存储器。
RAM ⼜分为静态 RAM （以触发器原理寄存信息，SRAM）和动态 RAM（以电容充电原理寄存信息，DRAM）。
（2）只读存储器（ROM）。
存储器的内容只能随机读出⽽不能写⼊。
信息⼀旦写⼊存储器就固定不变，即使断电，内容也不会丢失。
因此，通常⽤它存放固定不变的程序、常数和汉字字库，甚⾄⽤于操作系统的固化。
它与随机存储器可共同作为主存的⼀部分，统⼀构成主存的地址域。
由ROM 派⽣出的存储器也包含可反复重写的类型，ROM 与RAM 的存取⽅式均为随机存取。
⼴义上的只读存储器已可已可通过电擦除等⽅式进⾏写⼊，其“只读”的概念没有保留，但仍然保留了断电内容保留、随机读取特性，但其写⼊速度⽐读取速度慢得多。
现代计算机系统多级存储体系结构
现代计算机系统多级存储体系结构示例文章篇一：哎呀，你们知道吗？现代计算机系统居然有个多级存储体系结构，这可太神奇啦！就像我们的书包一样，有大口袋、小口袋，不同的东西放在不同的地方。
计算机的存储体系也是这样，分成了好几级呢！先来说说速度最快的那一级，就像我们书包里伸手就能拿到的小口袋，这就是高速缓存。
它的速度超级快，就像闪电一样！每当计算机要处理数据的时候，它都会先瞅瞅高速缓存里有没有，要是有，那可太棒啦，一下子就能用上。
这难道不厉害吗？再往下一级，就是内存啦。
内存就像是书包里比较大的隔层，能装不少东西，但是速度比起高速缓存可就慢了一些。
不过也还算不错啦，能让计算机把更多的数据存起来。
还有更慢的呢，比如说硬盘。
硬盘就像一个超级大的仓库，能存好多好多东西，但是找起来可就费劲啦，速度也慢得让人着急。
这多级存储体系结构就像一个团队在合作。
高速缓存是冲锋在前的先锋队，速度快但容量小；内存是中坚力量，容量大一些速度也还可以；硬盘就是大后方，能存储海量的数据。
它们各司其职，共同为计算机的运行努力着。
你想想，如果没有这样分级存储，计算机不就乱套啦？就好像我们书包里所有东西都混在一起，找个铅笔都要翻半天，那多耽误事儿呀！所以说，现代计算机系统的多级存储体系结构真的太重要啦！它让计算机能够高效、快速地处理和存储数据，让我们能愉快地使用电脑玩游戏、看电影、学习新知识。
这难道不是科技的魅力所在吗？我觉得呀，正是有了这样聪明的设计，我们的生活才变得更加便捷和丰富多彩！示例文章篇二：哇塞！同学们，你们知道吗？现代计算机系统有一个超级厉害的多级存储体系结构！这就像我们上学要带不同的书包和文具盒一样，有大有小，各有各的用处。
比如说，我们的主存，就像是我们每天背的大书包，能装好多好多的东西，但是呢，它的速度没有那么快。
而那个高速缓存呀，就像是我们的小文具盒，虽然装的东西没有大书包多，但是拿东西的速度可快啦！我还记得有一次上计算机课，老师给我们讲这个多级存储体系结构，我一开始还懵懵懂懂的。
知识点归纳 计算机架构中的指令集与存储器层次结构
知识点归纳计算机架构中的指令集与存储器层次结构计算机架构中的指令集与存储器层次结构计算机架构是计算机系统的基本组成和工作原理的体系结构，它包括指令集和存储器层次结构。
指令集是计算机的机器指令集合，用于操作和控制计算机硬件；而存储器层次结构则是计算机系统中处理器和主存之间的一系列存储器层级，用于加快数据访问速度和提高系统性能。
本文将对计算机架构中的指令集与存储器层次结构进行归纳总结。
一、指令集1.1 CISC指令集体系结构CISC（Complex Instruction Set Computer）指令集体系结构为每个操作提供了丰富的指令集，具有指令编码短、程序紧凑的特点。
CISC计算机的指令集设计考虑了高级语言并提供了高级指令，但指令复杂度高，执行速度较慢。
1.2 RISC指令集体系结构RISC（Reduced Instruction Set Computer）指令集体系结构精简了指令集，每个操作都由一条简单、固定长度的指令来实现。
RISC计算机的指令集设计追求指令的简洁性和执行速度，但需要编译器对指令进行优化，使得程序执行更加高效。
1.3 x86指令集x86指令集是当前主流的个人计算机指令集，其结构可以看作是CISC和RISC的混合形式。
x86指令集保留了一部分CISC指令，同时加入了一些RISC特性，以提高指令执行的效率。
二、存储器层次结构2.1 高速缓存（Cache）高速缓存是存储器层次结构中最接近处理器的一级缓存，用于存放处理器频繁访问的数据和指令。
高速缓存分为L1缓存和L2缓存，其中L1缓存位于处理器内部，速度最快，容量较小；L2缓存位于处理器外部，速度较慢，容量较大。
2.2 主存（Main Memory）主存是计算机中用于存储程序和数据的主要存储器，也是计算机存储器层次结构中相对较慢的部分。
主存的存取速度相对较慢，但容量较大。
2.3 辅助存储器辅助存储器用于存储程序和数据的永久性存储，通常采用磁盘、固态硬盘或者磁带等形式。
计算机体系结构中的存储器层级
计算机体系结构中的存储器层级计算机体系结构是指计算机硬件系统中相互关联的各个组成部分及其之间的工作方式和结构。
在计算机体系结构中，存储器层级是一个关键组成部分。
存储器层级是指计算机内存的不同层次，按照速度和成本的不同，从高速、小容量的寄存器到低速、大容量的辅助存储器，构成了一个层次结构。
本文将探讨计算机体系结构中的存储器层级及其作用。
1. 寄存器寄存器是CPU内部最快的一级存储器，用于存储指令、数据和地址等临时数据。
寄存器位于CPU的芯片内部，访问速度非常快，通常可以在一个时钟周期内完成数据的读写操作。
由于寄存器的容量有限，一般只能存储一小部分数据，但它们对CPU的运行至关重要，可以提供快速的数据交换和运算。
2. 高速缓存高速缓存是位于CPU和内存之间的一级高速存储器。
它的主要作用是提供CPU近期使用的数据和指令，以加快访问速度。
高速缓存的容量比寄存器大，可以存储更多的数据。
高速缓存通常分为多级，例如L1、L2和L3缓存，其中L1缓存离CPU最近，速度最快，而L3缓存离CPU最远，速度较慢。
3. 内存内存是计算机中主要的存储介质，它能够存储正在使用的程序和数据。
内存的访问速度比较快，但相对于寄存器和高速缓存来说仍然较慢。
内存的容量相对较大，通常以GB为单位。
内存按照地址进行划分，并且能够被CPU直接寻址，但需要通过内存控制器进行数据的读写操作。
4. 辅助存储器辅助存储器包括磁盘、固态硬盘（SSD）和光盘等，它们位于计算机内部或外部，用于长期存储数据和程序。
辅助存储器的容量非常大，可以达到TB级别。
相比于其他存储器层级，辅助存储器的访问速度较慢，但它具有非常重要的持久性特征，即使计算机断电，数据也能得到保留。
存储器层级的设置是为了平衡计算机处理器的速度和存储器的容量。
高速存储器层级可以提供快速的数据访问，以满足CPU的运算需求；而容量较大的存储器层级可以存储更多的数据，保证程序的正常运行。
同时，存储器层级也有助于节省成本，因为高速存储器的成本显然比较贵，而容量较大的存储器成本比较低。
计算机体系结构基本概念
计算机体系结构基本概念计算机体系结构是指计算机系统中的各个组成部分之间的关系和交互方式。
它是计算机硬件与软件之间的接口，决定了计算机系统的工作方式、性能表现以及可扩展性。
本文将介绍计算机体系结构的基本概念和相关内容。
一、计算机体系结构的概述计算机体系结构是指计算机系统的结构组织，包括硬件和软件。
主要由计算机硬件、指令系统、运算方式和数据流组成。
计算机体系结构的目标是提供高性能、可靠性、可扩展性和高效能的计算机系统。
计算机体系结构的设计通常以指令集架构和微架构为基础。
二、指令集架构指令集架构是计算机体系结构中的一个重要概念。
它定义了计算机系统处理信息的方式。
指令集架构包括计算机的指令集、寄存器、数据类型和地址模式等。
根据指令集的不同，可以将计算机体系结构分为复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。
三、微架构微架构是指计算机体系结构的实现方式。
它包括处理器的内部结构、数据通路、控制流和存储相关的电路设计。
微架构的设计影响着计算机系统的性能和功能。
常见的微架构包括超标量、乱序执行和流水线等。
四、存储结构与存储器层级存储结构是指计算机系统中用于存储数据的层次结构。
存储器层级分为寄存器、高速缓存、内存和辅助存储器等。
不同层级的存储器具有不同的特点，如容量、速度和价格等。
存储结构的设计旨在提高计算机系统的访问速度和运行效率。
五、总线结构总线结构是计算机体系结构中连接各个组件的通信系统。
它包括地址总线、数据总线和控制总线等。
总线结构的设计影响着计算机系统的数据传输速度和可扩展性。
六、并行处理与多核技术并行处理是指多个处理器或计算单元同时执行指令，提高计算机系统的运行速度和性能。
多核技术则是将多个处理核心集成到同一个芯片上，实现并行运算。
并行处理和多核技术在高性能计算、科学计算和图像处理等领域得到广泛应用。
七、虚拟化技术虚拟化技术是指通过软件将计算机资源抽象为多个逻辑实体，实现多个操作系统和应用程序的隔离和共享。
计算机体系结构中的存储器层次结构
计算机体系结构中的存储器层次结构计算机体系结构中的存储器层次结构是指计算机系统中不同级别的存储器单元组织和层次结构。
存储器作为计算机系统中的核心组成部分，在数据存储和访问中起着重要的作用。
合理的存储器层次结构可以提高计算机系统的性能和效率，同时减少成本和功耗。
一、存储器的种类计算机系统中的存储器包括主存储器（主内存）和辅助存储器（外部存储器）两种类型。
主存储器是计算机系统中用于存放当前执行的程序和数据的存储设备，具有容量大、访问速度快的特点。
而辅助存储器则是用于长期存储数据和程序的设备，具有容量大、访问速度相对较慢的特点。
二、存储器层次结构的原则存储器层次结构的设计需要综合考虑容量、访问时间和成本等方面的因素。
常见的存储器层次结构包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器等多级结构。
下面将对每个级别的存储器进行详细介绍。
1. 寄存器寄存器是位于CPU内部的最高速度的存储器，容量极小，但访问速度非常快。
寄存器直接被CPU使用，用于存放临时数据、操作数和地址等。
由于寄存器的容量较小，通常以位来计量其大小，如8位寄存器、16位寄存器等。
2. 高速缓存高速缓存是位于CPU和主存储器之间的一级缓存，用于缓存最常访问的数据和指令。
高速缓存的容量较大，访问速度也较快，能够有效降低CPU对主存储器的访问时间。
高速缓存一般分为L1、L2和L3三级，层级越高容量越大，但访问速度越慢。
3. 主存储器主存储器是计算机系统中能够直接被CPU访问的存储设备，存放程序和数据。
主存储器的容量较大，访问速度相对较慢。
主存储器根据访问方式的不同，又可以分为RAM（随机访问存储器）和ROM（只读存储器）等类型。
4. 辅助存储器辅助存储器是计算机系统中的外部存储设备，如硬盘、光盘和闪存等。
辅助存储器的容量很大，但访问速度较慢。
辅助存储器主要用于长期存储数据和程序，可以提供持久化的存储。
三、存储器层次结构的优化合理设计和优化存储器层次结构可以提高计算机系统的性能和效率。
西安电子科技大学_计算机组成与体系结构_第4章存储系统_课件PPT
存取方式 读写功能
随机读写：RAM 顺序(串行)访问：
顺序存取存储器 SAM 直接存取存储器 DAM
12
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质
在计算机中的用途
存放信息的易失(挥发)性
存取方式 读写功能
读写存储器 只读存储器
13
存储信息的介质
在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性 存取方式 读写功能
易失：RAM 非易失：
ROM 磁盘
……
11
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器分类：不同的分类标准
存储信息的介质 在计算机中的用途 存放信息的易失(挥发)性
存储器的存取时间 与存储单元的物理 地址无关，随机读 写其任一单元所用
无
36
8086系统总线
D0～D7
A1～A13 MEMR MEMW
A0
D8～D15 A1～A13 MEMR MEMW
BHE
&
A19
A18
A17
&
A16 A15 A14
6264与8086系统总线的连接
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
6264
D0～D7
A0～A12
CS1
OE
WE
CS2
74LS138
每次读出/写入的字节数 存取周期
价格
体积、重量、封装方式、工作电压、环境条件
14
4.1 存储系统概述 4.1.2 存储器的性能指标
容量 速度 可靠性
可维修部件的可靠性： 平均故障间隔时间（MTBF）
计算机系统组成是什么
计算机系统组成是什么计算机系统是如何组成的计算机系统是由多个不同组件、部件和技术构成的复杂系统。
每个组件都有特定的功能和目的，合在一起形成了一个完整的计算机系统。
计算机系统的组成主要包括以下几个方面：中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备、操作系统和应用软件。
1. 中央处理器（CPU）：中央处理器是计算机系统的核心，负责执行程序和处理数据。
它通常由控制单元和算术逻辑单元组成。
控制单元负责指挥和协调系统的各个部件，实现程序的顺序执行，而算术逻辑单元则负责执行算术和逻辑运算。
2. 存储器：存储器用于存储数据和程序。
计算机存储器层次结构分为主存储器和辅助存储器。
主存储器通常是使用半导体材料制造的随机访问存储器（RAM），用于存储当前正在运行的程序和处理的数据。
而辅助存储器（如硬盘、固态硬盘和光盘等）则用于长期存储数据和程序。
3. 输入输出设备：输入输出设备用于与外部世界进行交互。
常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪和摄像头等，用于将数据和命令输入到计算机系统中。
而输出设备如显示器、打印机和音频设备等则用于将计算机系统处理的结果反馈给用户。
4. 操作系统：操作系统是计算机系统的核心软件，它协调和管理计算机系统的各个硬件和软件资源。
操作系统负责分配CPU时间、内存管理、文件系统管理、设备管理和用户接口等。
常见的操作系统包括Windows、macOS和Linux等。
5. 应用软件：应用软件是用户使用计算机系统解决问题和完成工作的工具。
它包括各种办公软件、娱乐软件、图形设计软件、数据库管理软件等。
应用软件使用户能够利用计算机系统的功能实现各种任务和目标。
计算机系统的组成是一个相互协作的整体。
中央处理器通过存储器获取指令和数据进行处理，然后将结果输出到输出设备中显示给用户。
操作系统负责管理各个组件的资源和协调他们之间的通信。
应用软件则建立在操作系统之上，充分利用计算机系统的硬件和操作系统提供的功能。
另外，计算机系统的组成还涉及到计算机体系结构、总线技术、输入输出控制等方面。
计算机体系结构存储器层次结构与缓存的工作原理
计算机体系结构存储器层次结构与缓存的工作原理计算机体系结构中的存储器层次结构与缓存是计算机系统中非常重要的组成部分。
存储器层次结构是指在计算机系统中，按照性能和容量进行划分的一系列存储器组件。
缓存则是存储器层次结构中的一个关键组件，用于提高计算机的运行速度和效率。
本文将详细介绍计算机体系结构存储器层次结构与缓存的工作原理。
一、存储器层次结构存储器层次结构是指计算机系统中按照存储器的访问速度和容量大小进行分层管理的一种结构。
在存储器层次结构中，存储器的速度逐级递减，容量逐级递增，从高到低依次为寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。
1.寄存器：寄存器是计算机系统中最快的存储器，位于CPU内部，用于存储指令和数据。
寄存器的容量较小，但访问速度非常快，可以直接与CPU进行交互。
2.高速缓存：高速缓存是位于CPU与主存储器之间的存储器，在缓存中存储了最近被访问的指令和数据。
缓存的容量比主存储器小，但访问速度比主存储器快得多。
高速缓存的作用是减少CPU与主存储器之间的访问时间，提高系统的响应速度。
3.主存储器：主存储器是计算机系统中的主要存储器，用于存储程序和数据。
主存储器的容量较大，但相对于寄存器和高速缓存而言，访问速度较慢。
4.辅助存储器：辅助存储器是计算机系统中的外部存储器，用于长期存储程序和数据。
辅助存储器容量大，但访问速度相对较慢。
二、缓存的工作原理缓存是存储器层次结构中的一个重要组成部分，它的作用是减少CPU访问主存储器的时间，提高系统的运行速度和效率。
缓存利用了程序的局部性原理，通过存储最近被访问的指令和数据，以便下次CPU访问时能够更快地获取。
缓存工作原理可以分为以下几个步骤：1.确定缓存行：缓存中的数据以缓存行为单位进行存储和管理。
在访问主存储器之前，缓存首先需要确定要访问的缓存行。
2.检查缓存：在确定了要访问的缓存行后，缓存会先检查该缓存行中是否已存储所需的数据。
如果已经存在，则称为缓存命中；如果不存在，则称为缓存未命中。
第4章-计算机系统结构(第五版)李学干
例来分析。 存储层次的每位价格为
c1 S M1 c2 S M 2 c S M1 S M 2
第4章 存储体系
图 4 - 4 二级存储体系的评价
第4章 存储体系
存储层次的等效访问时间TA= HTA (1 H )TA 。希望 1 2 TA越接近于 T ，即存储层次的访问效率e= TA /TA越接近于1 A 越好。
第4章 存储体系
图 4 - 14 主存页面表
第4章 存储体系
【例 4-1】
设有一道程序，有1~5页，执行时的页地址流(即依次用
到的程序页页号)为 2,3,2,1,5,2,4,5,3,2,5,2 若分配给该道程序的主存有3页，则图4 - 15表示FIFO、 LRU、OPT这3种替换算法对这3页的使用和替换过程。
第4章 存储体系
4.1 基本概念 4.2 虚拟存储器 4.3 高速缓冲存储器 4.4 三级存储体系
4.5 存储系统的保护
4.6 本章小结
第4章 存储体系
4.1 基 本 概 念
4.1.1 存储体系及其分支
前面已经讲过，为了同时满足存储系统的大容量、高速度 和低价格，需要将多种不同工艺的存储器组织在一起。 虚拟存储器是因为主存容量满足不了要求而提出来的。在
第4章 存储体系
2. 页式管理 段式存储中各段装入主存的起点是随意的，段表中的地 址字段很长，必须能表示出主存中任意一个绝对地址，加上 各段长度也是随意的，段长字段也很长，这既增加了辅助硬
件开销，降低了查表速度，也使主存管理麻烦。
例如，主存中已有A、B、C三个程序，其大小和位置如 图4 - 7所示，现有一长度为12 KB的D道程序想要调入。
计算机组成和体系结构(2024)
中断与异常处理
中断
由外围设备发出的请求，打断CPU的正常执行流程，转去执行中断 服务程序。
异常
由CPU内部产生的，如算术溢出、非法指令等，也打断CPU的正常 执行流程。
中断/异常处理机制
包括中断/异常的响应、识别、处理以及返回等过程。
2024/1/28
17
DMA传输与通道技术
1 2
DMA传输
输和资源共享。
5
计算机体系结构简介
指令集体系结构
定义了计算机硬件和软件之间的接 口，包括指令集、寄存器、中断和
异常处理等。
微程序体系结构
通过微程序控制器实现指令的执行 ，提高了计算机的灵活性和可维护
性。
2024/1/28
流水线体系结构
将指令的执行过程划分为多个阶段 ，每个阶段由不同的硬件部件并行 处理，提高了计算机的运算速度。
计算机组成和体系结构
2024/1/28
1
目录
2024/1/28
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器层次结构 • 输入输出系统 • 总线与通信 • 计算机体系结构的发展
2
01
计算机系统概述
2024/1/283Fra bibliotek计算机的定义与发展
01
02
计算机是一种基于微处理器的智能电子计算机器，具有高速运算、存 储和处理数据的能力。
2024/1/28
24
并行处理技术发展概述
并行处理技术
通过同时利用多个处理单元进行计算， 提高计算机系统的整体性能。并行处理 技术包括指令级并行、数据级并行和任 务级并行等多个层次。
VS
并行处理技术的发展
随着集成电路技术的进步和处理器设计的 发展，并行处理技术经历了从指令级并行 到数据级并行，再到任务级并行的演变过 程。目前，多核处理器、众核处理器以及 GPU等并行计算平台已成为主流。
计算机体系结构中的缓存与存储器层次结构
计算机体系结构中的缓存与存储器层次结构计算机体系结构中的缓存与存储器层次结构是现代计算机设计中非常重要的一部分。
缓存与存储器层次结构的设计，在提高计算机性能和运行效率方面起到了至关重要的作用。
本文将详细介绍计算机体系结构中的缓存与存储器层次结构的概念、功能以及优化策略。
一、缓存的概念与功能缓存是一种位于计算机处理器和主存之间的高速存储器，其目的是以更快的速度提供数据，从而减少处理器对主存的访问时间。
缓存通常采用了“局部性原理”，即在程序运行过程中，程序对数据的访问往往具有时间和空间的局部性特征。
因此，缓存会提前将程序可能频繁使用的数据从主存中复制到高速缓存中，以便在需要时快速访问，从而提高系统的整体性能。
缓存的功能主要包括存储数据和提供数据。
当处理器需要访问一个特定的数据时，首先会在缓存中进行查找。
如果缓存中存在该数据，则被称为“命中”，处理器可以直接从缓存中读取数据，从而节省了访问主存的时间。
如果缓存中不存在该数据，则被称为“未命中”，此时处理器需要从主存中读取数据，并将其复制到缓存中，以便下一次访问。
二、存储器层次结构存储器层次结构是计算机中各级存储器之间的层次化结构。
在存储器层次结构中，存储器按照访问速度和容量的大小分为若干级别，从而在提供足够大容量的同时，也保证了数据的高速访问。
存储器层次结构通常分为以下几个层级：寄存器、高速缓存、主存、磁盘存储器等。
其中，寄存器容量最小，但访问速度最快；高速缓存的容量比寄存器大，但访问速度比主存快；主存的容量比高速缓存大，但访问速度比磁盘存储器快。
三、缓存的优化策略为了充分发挥缓存的作用，并提高计算机的性能，设计人员采用了一系列优化策略：1. 块大小优化：缓存通过以固定的块大小存储数据。
选择适当的块大小能够提高缓存的命中率。
如果块大小太小，会增加不命中的次数；如果块大小太大，会浪费缓存容量。
因此，选择合适的块大小是一项重要的优化策略。
2. 替换算法优化：当缓存中的数据满时，新的数据需要替换掉已经存在的数据。
计算机体系结构存储系统的认识与理解
计算机体系结构存储系统的认识与理解计算机体系结构是计算机科学中的一个重要概念,涉及到计算机硬件和软件之间的关系、计算机的逻辑结构和功能等方面。
存储系统是计算机体系结构中的重要组成部分,负责存储和管理系统的数据和程序。
本文将介绍计算机体系结构存储系统的认识与理解,并探讨其重要性和实现方法。
一、计算机体系结构存储系统的认识与理解计算机存储系统是指为计算机提供存储数据和程序的地方,通常包括主存储器、辅助存储器和输入输出设备等组成部分。
其中,主存储器是计算机中最重要的存储系统之一,用于存储计算机程序和数据。
主存储器通常分为三种类型:随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和闪存。
RAM是随机访问的存储器,可以在任何时候进行读写操作,但是其容量有限。
ROM是一种只读存储器,只能读取其编程内容,因此其容量非常大,但不可修改。
闪存是一种非易失性存储器,具有快速读写速度和大容量等优点,但是较为昂贵。
辅助存储器包括外置存储器和内置存储器。
外置存储器通常包括硬盘、软盘、USB存储器等,用于存储临时数据和文件。
内置存储器则包括内存、EEPROM、FRAM等,用于存储系统配置文件、程序代码等。
输入输出设备用于将数据和程序传输到计算机外部,例如显示器、键盘、鼠标等。
计算机存储系统的重要性不言而喻。
存储系统的配置和优化对计算机的性能、可靠性和安全性都有着重要的影响。
合理的存储系统可以提高计算机的运行效率,减少存储空间的占用,提高数据传输速度,降低系统出错率。
二、计算机体系结构存储系统的实现方法计算机体系结构存储系统的实现方法可以分为以下几种:1. 基于硬件的存储系统:这种存储系统直接将存储芯片嵌入到计算机系统中,通过硬件连接实现数据的存储和读取。
2. 基于软件的存储系统:这种存储系统使用操作系统提供的软件存储功能,通过操作系统的存储管理功能实现数据的存储和读取。
3. 基于网络的存储系统:这种存储系统通过网络进行数据存储和传输,可以通过分布式存储技术实现数据的大容量存储和高效性访问。
计算机存储体系结构的层次、特点和目的
计算机存储体系结构的层次、特点和目的计算机存储体系结构是指计算机中各种存储介质之间的组织结构和层次关系。
它是计算机系统中非常重要的一部分，涉及到数据的存储、读取和处理等方面。
计算机存储体系结构的层次、特点和目的主要有以下几个方面。
1. 层次结构：计算机存储体系结构按照存储介质的性能和容量特点，划分为不同的层次。
通常分为主存储器、辅助存储器和高速缓存三个层次。
主存储器是计算机中最接近CPU的存储介质，其特点是容量较小但读写速度快，常用的有内存和寄存器。
辅助存储器是用于长期存储数据和程序的介质，其容量大但读写速度相对较慢，常用的有硬盘、光盘等。
高速缓存是介于主存储器和CPU之间的存储介质，其容量较小但读写速度非常快，常用的有一级缓存和二级缓存。
2. 特点：计算机存储体系结构的特点主要体现在以下几个方面。
层次结构的特点使得存储介质在不同层次间可以相互补充，高层次的存储介质可以缓解低层次的存储介质容量不足的问题，而低层次的存储介质又可以提供更快的访问速度。
存储体系结构的特点使得计算机系统可以根据实际需求进行灵活配置。
不同的存储介质可以根据其特点和成本来选择，从而平衡系统的性能和成本。
存储体系结构的特点还包括可扩展性和可靠性。
可以根据需要增加或替换存储介质，从而提高系统的容量和可靠性。
存储体系结构还具有访问速度和成本之间的折中。
高速存储介质通常成本较高，而容量较小；而低速存储介质通常成本较低，但容量较大。
3. 目的：计算机存储体系结构的目的主要有以下几个方面。
存储体系结构的目的是为了提高计算机系统的性能。
通过将存储介质划分为不同的层次，可以根据其性能特点来提高系统的整体性能。
存储体系结构的目的是为了提供足够的存储容量。
不同的存储介质可以提供不同的存储容量，从而满足不同应用的需求。
存储体系结构的目的是为了提供可靠的数据存储。
通过将数据存储在不同的存储介质中，可以提高数据的可靠性和安全性。
存储体系结构的目的还包括提供较低的成本。
计算机体系结构
第一章1、计算机系统多级层次结构从高到低：（6级）应用程序计算机、高级语言、汇编语言、操作系统、机器语言、微机程序控制、（0级）硬联逻辑计算机。
第0级由硬件实现，第1级由微程序（固件）实现，2—6级机器由软件实现。
2、透明性现象：一种本来存在的有差异的事物或属性，从某种角度来看似乎不再存在。
3、计算机组成是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。
4、计算机系统结构是计算机系统的软、硬件的界面；系统结构、组成和实现所包含的具体内容第随不同机器而变化的，且三者之间的界限越来越模糊。
5、系统结构分类①按“流”分：SISD单指令流单数据流，SIMD单指令流多数据流，MISD多指令流单数据流，MIMD多指令流多数据流。
Flynn分类法：按指令流（机器执行的指令序列）和数据流（指令流调用的数据序列，include输入数据和中间结果）的多倍性（指在系统最受限制的原件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数）概念进行分类。
缺点：对于标量及向量流水计算机应属于哪一类系统，不是很明确。
②按“并行级”和“流水线”分类：程序控制部件PCU的个数是K，算术逻辑部件ALU/处理部件PE的个数是d，每个ALU包含基本逻辑线路ELC 的套数是w。
T系统型号=（k，d，w）。
③按“并行度”分类：WSBS字串位串，WPBS字并位串，WSBP字串位并，WPBP字并位并。
6、*Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高取决于这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例。
实际上定义了加快某部分功能处理后，整个系统所获得的性能改进或执行时间的加速比的大小。
加速比与两个因素有关：一是计算机执行某个人物的总时间中可被改进部分的时间所占的百分比，Fe=可改进部分占用的时间/改进前整个任务的执行时间，它总小于1；二是改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施前性能提高倍数，Se=改进前改进部分的执行时间/改进后改进部分的执行时间，它总大于1。
计算机组成原理-第3章_存储系统
存储周期 RW 刷新1 RW 刷新2 …
500ns 500ns
刷新间隔2ms
用在低速系统中
各刷新周期分散安排 在存取周期中。
… RW 128 RW
例如上图所示的DRAM有128行，如果刷新周期为 2ms，则每一行必须每隔2ms÷128=62.5us进行一次。
5、存储器控制电路
DRAM刷新需要硬件电路支持，它们集成在一个芯片 上，形成DRAM控制器，是CPU和DRAM间的接口电路。
写周期：实现写操作，要求CS和WE同时有效，有效期间地址 和数据信号不能变化；为了保证CS和WE变为无效前能把数据 可靠的写入，数据必须提前一段时间在数据总线上稳定存在； 而在WE变为高电平后再经过一段时间地址信号才允许改变。
*** DRAM存储器
1、DRAM存储元的记忆原理
SRAM存储器的存储元是一个 触发器，它具有两个稳定的状态。
外存储器：简称“外存”，大容量辅助存储器；磁表面存储
器或光盘存储器；存放需联机保存但暂时不需要的程序和数 据。容量从几十MB到几百GB，甚至更大。存取速度为若干
ms。
其他功能的存储器：如微程序控制器的控存、在显示和印刷 输出设备中的字库和数据缓冲存储器。
*** 主存储器的技术指标
主要性能指标：存储容量、存取时间、存储周期和存储器带宽。
地址信息到达时，使T5、T6、T7、T8导通，存储 元的信息被送到I/O与I/O线上， I/O与I/O线接上一个 差动读出放大器，从其电流方向，可以得出所存信息 是“1”或“0”。也可I/O或I/O一端接到外部，看其 有无电流通过，得出所存信息。
扩充：存储芯片规格的表示
在很多内存产品介绍文档中，都会用M×W的方式来表示芯 片的容量。
计算机组成原理之存储结构体系一
计算机组成原理之存储结构体系⼀冯诺依曼体系的计算机核⼼8个字来进⾏概括：存储程序和程序控制存储系统层次结构由Cache 、主存、辅助存储器三级体系构成为了实现存储程序，必须要有主存；为了实现程序控制，必须要有CPU；有CPU和主存构成的⼀个基本的冯诺依曼体系结构体系的计算机系统。
在程序执⾏操作过程中，会执⾏下列操作：存储程序阶段：输⼊设备会将程序和数据写⼊到主存中去；程序控制阶段：然后CPU从主存中会取出指令来进⾏执⾏，在CPU执⾏指令期间，会从主存中来读取得到数据，然后在CPU中进⾏计算，将得到的运算结果再写回到主存中，然后输出设备从主存中来获取得到计算后的结果进⾏显⽰。
上⾯只是⼀个简单的由CPU和主存组成的⼀个简单的计算机存储体系结构。
但是在技术发展过程中，会遇到很多问题。
⽐如说：1、主存速度够快吗？2、主存容量够⼤吗？3、存储器便宜吗？逐步展开进⾏分析：从上图中可以看到CPU和主存的发展速度。
根据摩尔定律，每隔18个⽉，CPU的晶体管数量会翻⼀翻，⽽且从图中可以看到⽐率是很⾼的。
从中可以看到，主存的发展速度却没有CPU快，所以最终造成主存速度没有CPU速度快CPU和主存的增长速度不同步，这个是其中的⼀个原因之⼀。
从上⾯的冯诺依曼体系中的计算机体系中的存储系统层次结构中可以看到，存储程序和程序控制期间，CPU会去访问到内存，那么⼆者之间因为存在了速度上的偏差，那么将会⾼速运转的CPU的性能⼤⼤降低下来。
CPU和内存效率上的问题：1、CPU的本⾝发展速度⾼于内存(DRAM)的发展；2、CPU在运⾏期间，需要访问主存，⽐如：取出数据，写⼊结果，取出指令等；也就是说主要存在着两个⽅⾯，第⼀个是CPU和内存增速不同；第⼆个是指令执⾏期间多次访问存储器。
从内存容量上来进⾏说明从存在制约主存容量的技术因素上说明：⽐如说CPU⽀持的地址线的数量，主板的因素，可能还有操作系统的原因。
总结起来就是：技术上的、应⽤上的和价格上的导致了主存容量不⾜综合起来，解决内存上的两个问题(速度和容量)，需要使⽤到存储系统层次结构来进⾏解决。
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Cache
Terminology
Latency & Bandwidth
The time requested for the cache miss depends on both the latency and bandwidth
. Latency determines the time to retrieve the first word of the block
memory and disk
Cache
Terminology
Cache hit when the CPU finds a requested data item in the cache
Cache miss When the CPU does not find a data item it needs in cache
A safe place for hiding or storing things The first level of the memory hierarchy encountered once the address leaves
the CPU Whenever buffering is employed to reuse commonly occurring items The cache and main memory have the same relationship as the main
. Bandwidth determines the time to retrieve the rest of the block
Cache
Terminology
Block A fixed-size collection of data containing the requested word Block is retrieved from the main memory and placed into the cache for reuse later
Pages Fixed-size blocks At anytime each pages resides either in main memory or on disk
Cache
Terminology
Page fault When the CPU references an item within a page that is not present in the cache or main memory. When page fault happens, CPU will switch to some other task while disk access occurs.
Computer Architecture 计算机系统结构
Chapter 4 Memory Hierarchy
Ideally one would desire an indefinitely large memory capacity such that any particular …word would be immediately available …We are …forced to recognize the possibility of constructing a hierarchy of memories each of which has greater capacity than the preceding but which is less quickly accessible.
Because of locality and the higher speed of smaller memories, a memory hierarchy can improve performance.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Memory Hierarchy
Level
1
Name
Registers
Typical size
A.W. Burks, ……
Memory Hierarchy
Registers Stack Cache
Memory Disk Other Storages
Memory Hierarchy
We focus on the memory hierarchy for desktop Registers Cache Main Memory Disk storage
80 - 250 1000 - 5000 operating system disk
5,000,000 20 - 150 operating system/operator CD or Tape
Small >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> large Fast <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<< Slow
Registers and Stack
Built in CPU
(Top of Stack) TOS1
TOS2
processor register
ALU
Example: The code sequence for C=A+B:
Push A Push B Add Pop C
processor register 235
<1 KB
Implementation Technology
custom memory with multiple ports CMOS
Access time (ns)
0.25 - 0.5
Bandwidth (MB/sec) 20,000- 100,000
Managed by
compiler
Backed by
23
ALU
A B C
memory
A2
B3
C
5
memory
A=2 B=3 C=A+B=2+3=5
Push A : TOP1=2
Push B: TOP1=3 TOP2=2
Add: TOP1=5
POP C: move the data in TOP1 to memory C
Cache
First Memory After CPU
cache
2 Cache <16 MB on-chip or offchip CMOS SRAM 0.5 - 25 5000 - 10,000
hardware
main memory
3 Main memory <16 GB
4 disk storage >100 GB
CMOS DRAM magnetic disk