面試常見問題——計算機組成原理（一）

面試常見問題——計算機組成原理（一）

目錄：

1. Cache和寄存器、虛擬存儲器的區別
2. 計算機組成有哪些
3. CISC和RISC
4. 數據尋址方式
5. 指令流水線
6. 中斷處理流程
7. DMA和中斷的區別

1、Cache和寄存器、虛擬存儲器的區別

• 定義：
  • Cache定義：
    • 利用程序訪問的局部性原理，把程序中正在使用的部分存放在一個高速的、容量較小的臨時存儲器中，可用SRAM實現，使CPU的訪存操作大多針對Cache進行，從而大大提高程序的執行速度。
    • 引入目的：解決CPU和主存之間運算速度的差異。
  • 寄存器定義：
    • 寄存器是中央處理器內的組成部分。寄存器是有限存儲容量的高速存儲部件，它們可用來暫存指令、數據和位址。在控制器中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）、程序計數器（PC）、指令譯碼器（ID）等。在運算器中，包含的寄存器主要有累加寄存器（ACC）、暫存寄存器、程序狀態字寄存器（PSW）。 
  • 虛擬存儲器定義：
    • 將主存或輔存的地址空間統一編址，從邏輯上對內存容量加以擴存。
    • 引入目的：解決主存不足的問題。
    • 依據：程序訪問的局部性原理
    • 通常採用相聯存儲器，可按內容、按地址訪問。
    • 實現技術：
      • 請求分頁存儲管理
      • 請求分段存儲管理
      • 請求段頁式存儲管理
• 存儲器分層體系結構中，存儲器速度由快到慢依次爲寄存器、Cache、主存、輔存。
• 虛擬存儲器和Cache的對比：
  • 相同點：
    • 都把數據劃分爲塊，並作爲基本的傳輸單位。
    • 都有地址的映射、替換算法、更新策略等問題。
      • Cache替換算法：
        • RAND（隨機算法）：隨機地確定替換的Cache塊
        • FIFO（先進先出）：選擇最早調入的存儲行進行替換
        • LRU（最近最少使用）：選擇最近最久未被訪問的存儲行進行替換
        • LFU（最不經常使用）：將一段時間內被訪問次數最少的存儲行進行替換
      • 虛擬存儲器替換算法：
        • OPT（最佳頁面替換算法，OPTimal replacement）：選擇以後不再使用的頁面進行替換（目前無法實現）
        • FIFO（先進先出）：選擇最早進入內存的頁面進行替換。可能出現Belady異常，即所分配的物理塊數增大而缺頁數也增大
        • LRU（最近最少使用）：選擇最近最久未使用的頁面進行替換
        • CLOCK（時鐘置換算法，也稱爲最近未用算法Not Recently Used，NRU）：選擇最近未使用的頁面進行替換
        • 改進型CLOCK：除了使用位，增加修改位，置換順序如下：
          • 未訪問，未修改
          • 未訪問，已修改
          • 已訪問，未修改
          • 已訪問，已修改
      • 虛擬存儲器頁面更新策略：
        • 固定分配局部置換
        • 可變分配局部置換
        • 可變分配全局置換
    • 都依據程序訪問的局部性原理，應用快速緩存的思想，將相對活躍的數據放在相對高速的部件中。
  • 不同點：
    • 解決問題不同。Cache主要解決系統速度；虛擬存儲器主要解決主存容量。
    • 實現方式不同。Cache全部由硬件實現；虛擬存儲器由操作系統和硬件共同實現，是邏輯上的存儲器。
    • 不命中時性能影響不同。虛擬存儲器系統不命中時對系統影響性能更大。
    • 能否與CPU直接通信。Cache不命中時，主存能與CPU直接通信，同時將數據調入Cache；虛擬存儲器系統不命中時，只能先由磁盤調入主存，而不能直接和CPU通信。
• 一些定義：
  • 程序訪問的局部性原理：
    • 時間局部性：程序中某條指令一旦執行，不久後該指令可能再次執行；某數據被訪問過，不久後該數據可能再次被訪問。因爲程序存在循環。
    • 空間局部性：一旦程序訪問了某個存儲單元，不久後，其附近的存儲單元也將被訪問。因爲指令通常是順序存放，順序執行的，數據一般也是以向量，數組，表等形式聚集地存儲在一起的。
  • 虛地址（邏輯地址）：用戶編程允許涉及的地址
  • 實地址（物理地址）：實際的主存單元
  • 虛擬存儲器工作流程：
    • 由硬件對虛地址和實地址之間進行映射，並判斷這個虛地址對應的存儲單元內容是否已裝入主存。
    • 若已在主存中，則通過地址轉換，CPU可訪問主存指示的實際單元。
    • 若不在主存中，則把包含這個字的一頁或一段調入主存後再由CPU訪問。若主存已滿，則採用替換算法置換主存中的一段或一頁。
  • Cache工作流程：
    • 當Cache發出讀請求時，若訪存地址在Cache中命中，就將此地址轉換成Cache地址，直接對Cache進行讀操作，不訪問主存。
    • 若Cache不命中，則需要訪問主存，並把此字所在的塊一次性地從主存調入Cache。若Cache已滿，則採用替換算法置換Cache塊中原來某塊的信息。

2、計算機組成有哪些

• 根據馮諾依曼體系中存儲程序的思想：
  • 計算機硬件系統由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備組成。
  • 指令和數據以二進制代碼表示，存儲在存儲器中，可以按地址訪問。
  • 指令由操作碼、地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質，地址碼用來表示操作數在存儲器中的位置。
  • 指令在存儲器中按順序存放。
• 運算器：接收從控制器傳來的命令，對數據進行加工處理，完成算術運算和邏輯運算，核心是算術邏輯單元（ALU）
  • 算術邏輯單元（ALU）：算術 / 邏輯運算
  • 累加寄存器（ACC）：用於暫時存放ALU運算的結果，可作爲加法運算的一個輸入
  • 暫存寄存器：暫存從主存讀來的數據
  • 乘商寄存器（MQ）
  • 操作數寄存器（X）
  • 變址寄存器（IX）
  • 基址寄存器（BR）
  • 程序狀態字寄存器（PSW）：保留由算術邏輯運算指令或測試指令的結果而建立的各種狀態信息。PSW中的位參與並決定微操作的形成
    • 溢出標誌（OF）
    • 符號標誌（SF）
    • 零標誌（ZF）
    • 進位標誌（CF）
  • 移位器：移位計算
  • 通用寄存器組：存放操作數（包括源操作數、目的操作數、中間結果）和各種地址信息等
• 存儲器：用來存放程序和數據
  • 主存儲器（內存）
    • 存儲器地址寄存器（MAR）：用於存放所要訪問的主存單元的地址。
    • 存儲器數據寄存器（MDR）：用於存放向主存寫入的信息或從主存讀出的信息。
  • 輔存儲器（外存）
• 控制器：執行指令，控制各部件自動協調地進行工作
  • 程序計數器（PC）：指出下一條指令在主存中的存放地址
  • 指令寄存器（IR）：保存當前正在執行的指令
  • 指令譯碼器：對操作碼字段進行譯碼，向控制器提供特殊的操作信號
  • 時序系統：產生各種時序信號，由統一時鐘（CLOCK）分頻得到
  • 微操作信號發生器：根據IR中的指令，PSW的狀態信息及時序信號，產生控制整個計算機各部件要用到的控制信號。
• 輸入設備：將程序和數據以機器所能識別和接受的信息形式輸入到計算機
• 輸出設備：將計算機的處理結果以某些形式輸出

3、CISC和RISC

• CISC：複雜指令系統計算機，指令數目多，字長不固定，尋址方式多，寄存器數量少，一般爲微程序控制。
• RISC：精簡指令系統計算機，指令數目少，字長固定，尋址方式少，寄存器數量多，一般爲組合邏輯控制。

4、數據尋址方式

• 數據尋址：格式爲：操作碼 + 尋址特徵 + 形式地址A
• 常見的數據尋址方式：
  • 隱含尋址：不顯式的給出第二操作數的地址，規定累加器作爲第二操作數地址
  • 立即（數）尋址：地址字段存放操作數本身，數據以補碼形式存放
  • 直接尋址：形式地址A即爲操作數的有效地址EA
  • 間接尋址：形式地址是操作數有效地址所在的存儲單元的地址
  • 寄存器尋址：在指令字中直接給出操作數所在的寄存器編號，操作數在寄存器中
  • 寄存器間接尋址：在指令字中給出操作數所在的寄存器編號，寄存器中給出的是操作數所在主存單元的地址
  • 相對尋址：程序計數器PC的內容加上指令格式中的形式地址而形成操作數的有效地址，廣泛應用於轉移指令
  • 基址尋址：基址寄存器BR的內容加上指令格式中的形式地址而形成操作數的有效地址，利於多道程序設計，可用於編制浮動程序
  • 變址尋址：變址寄存器IX的內容加上指令格式中的形式地址而形成操作數的有效地址，適用於編制循環程序，處理數組問題
    • 基址寄存器的內容由操作系統確定，值不可變，指令字的形式地址可變
    • 變址寄存器的內容由用戶確定，值可變，指令字的形式地址不可變
  • 堆棧尋址：從規定的堆棧中取出操作數

5、指令流水線

• 定義：將指令的執行過程分爲多個階段，每個階段與其他階段並行執行。
• 指令的執行階段：
  • 取指（Instruction Fetch，IF）：根據PC內容訪問主存，取出一條指令送到IR中。
  • 譯碼（Instruction Decode，ID）：指令譯碼器按照預定的指令格式，對取回的指令進行拆分和解釋，識別區分出不同的指令類別以及各種獲取操作數的方法。
  • 執行（Execute，EX）：根據操作碼字段，完成指令規定的功能。
  • 訪存（Memory，MEM）：根據指令地址碼，得到操作數在主存中的地址，並從主存中讀取該操作數用於運算。
  • 寫回（Writeback，WB）：把執行指令階段的運行結果數據寫回到某種存儲形式。
• 影響流水線的因素：
  • 結構相關（資源衝突）：多條指令在同一時刻爭用同一資源而形成的衝突。
    • 解決方法：
      • 後面的指令暫停一個時鐘週期
      • 單獨設置數據存儲器和指令存儲器
  • 數據相關（數據衝突）：必須等前一條指令執行完才能執行後一條指令的情況。
    • 解決方法：
      • 數據旁路技術：設置相關專用通路，把前一條指令的ALU的計算結果作爲自己的輸入數據開始計算過程。
      • 指令編譯優化，調整指令順序。
      • 硬件阻塞，軟件插入“NOP”指令。
  • 控制相關（控制衝突）：遇到轉移指令和其他改變PC值的指令而造成斷流。
    • 解決方法：
      • 提前預測，和提高預測準確率。
• 流水線的性能指標：
  • 吞吐率（TP）
  • 加速比（S）
  • 效率（E）

6、中斷處理流程

• 一些定義：
  • 中斷分類：
    • 按照中斷源的類別：
      • 內中斷：處理器和內存內部產生的中斷，如地址非法、校驗錯、存取訪問控制錯、算術操作溢出、數據格式非法、除數爲零、非法指令、用戶程序執行特權指令、分時系統的時間片中斷、用戶態到核心態的切換等
      • 外中斷：處理器和內存外部產生的中斷，如I/O中斷等
    • 按照軟硬件：
      • 軟件中斷（內中斷）：通過某條指令產生的中斷
      • 硬件中斷（外中斷）：通過外部的硬件產生的中斷
    • 按照是否可屏蔽：
      • 可屏蔽中斷（外中斷）：在關中斷情況下不接受中斷請求
      • 非屏蔽中斷（外中斷）：在關中斷情況下可以接受中斷請求
  • 中斷隱指令（硬件直接實現）：
    • 關中斷（保護中斷現場，即CPU主要寄存器中的內容不被新的中斷打斷）
    • 保存斷點（即保存程序計數器中的內容）
    • 引出中斷服務程序（取出中斷服務程序的入口地址並傳送給程序計數器PC）
  • 中斷屏蔽技術：在處理中斷時，用中斷屏蔽字屏蔽掉某些中斷源。
• 處理流程如下：
  • 發送中斷請求：中斷源向CPU發送中斷請求信號。
  • 進行中斷判優：中斷系統在任意一個瞬間只能響應一箇中斷源的請求。
    • 硬件中斷 > 軟件中斷
    • 非屏蔽中斷 > 可屏蔽中斷
    • DMA > I/O設備
    • 高速設備 > 低速設備
    • 輸入設備 > 輸出設備
    • 實時設備 > 普通設備
  • 執行中斷隱指令：
    • 關中斷
    • 保存斷點
    • 引出中斷服務程序
  • 保存現場和屏蔽字：現場信息一般指程序狀態字和中斷屏蔽寄存器等
  • 執行中斷服務程序，進行中斷事件處理
  • 恢復現場和屏蔽字：將現場和屏蔽字狀態恢復到原來的狀態
  • 開中斷：允許其他中斷得到響應
  • 中斷返回：執行中斷返回指令，使其返回到原程序的斷點處，以便繼續執行原程序

7、DMA和中斷的區別

• I/O方式：
  • 程序查詢方式（軟件）：由程序不斷的查詢外設的狀態，直到外設準備就緒
  • 程序中斷方式：在計算機執行現行程序的過程中，出現某些急需處理的異常情況或特殊請求，CPU暫時中止現行程序，而轉去對這些異常情況或特殊請求進行處理，在處理完畢後CPU又自動返回到現行程序的斷點處，繼續執行原程序。
  • DMA：在外設和主存之間開闢一條直接數據通道，信息傳送不再經過CPU，降低CPU在傳送數據時的開銷，不必中斷現行程序，I/O與主機並行工作，程序和傳送並行工作。
  • 通道：輸入/輸出通道是一個獨立於CPU的，專門管理I/O的處理機，它控制設備與主存直接進行數據交換。
• DMA傳送過程：
  • 預處理：完成寄存器置初始值之類的準備工作。
  • 數據傳送：佔用總線傳輸數據，數據傳送完全由DMA控制。
  • 後處理：CPU執行中斷服務程序做結束DMA處理。
• DMA和中斷的區別：
  • 中斷是程序的切換，需要保護和恢復現場；DMA除了預處理和後處理，其他時候不佔用CPU的任何資源。
  • 對中斷請求的響應只能發生在指令的執行週期後；對DMA請求的響應可以發生在取指週期、間址週期、執行週期後，只要CPU不佔用總線就可被響應。
  • 中斷傳送過程需要CPU的干預；DMA傳送過程不需要CPU的干預。
  • DMA請求的優先級高於中斷請求。
  • 中斷方式靠程序傳送，DMA方式靠硬件傳送。

參考文獻：

[1]王道論壇. 2020計算機組成原理考研複習指導. [M]北京：電子工業出版社，2019.1；