面试常见问题——计算机组成原理（一）

面试常见问题——计算机组成原理（一）

目录：

1. Cache和寄存器、虚拟存储器的区别
2. 计算机组成有哪些
3. CISC和RISC
4. 数据寻址方式
5. 指令流水线
6. 中断处理流程
7. DMA和中断的区别

1、Cache和寄存器、虚拟存储器的区别

• 定义：
  • Cache定义：
    • 利用程序访问的局部性原理，把程序中正在使用的部分存放在一个高速的、容量较小的临时存储器中，可用SRAM实现，使CPU的访存操作大多针对Cache进行，从而大大提高程序的执行速度。
    • 引入目的：解决CPU和主存之间运算速度的差异。
  • 寄存器定义：
    • 寄存器是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存储容量的高速存储部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。在控制器中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、指令译码器（ID）等。在运算器中，包含的寄存器主要有累加寄存器（ACC）、暂存寄存器、程序状态字寄存器（PSW）。 
  • 虚拟存储器定义：
    • 将主存或辅存的地址空间统一编址，从逻辑上对内存容量加以扩存。
    • 引入目的：解决主存不足的问题。
    • 依据：程序访问的局部性原理
    • 通常采用相联存储器，可按内容、按地址访问。
    • 实现技术：
      • 请求分页存储管理
      • 请求分段存储管理
      • 请求段页式存储管理
• 存储器分层体系结构中，存储器速度由快到慢依次为寄存器、Cache、主存、辅存。
• 虚拟存储器和Cache的对比：
  • 相同点：
    • 都把数据划分为块，并作为基本的传输单位。
    • 都有地址的映射、替换算法、更新策略等问题。
      • Cache替换算法：
        • RAND（随机算法）：随机地确定替换的Cache块
        • FIFO（先进先出）：选择最早调入的存储行进行替换
        • LRU（最近最少使用）：选择最近最久未被访问的存储行进行替换
        • LFU（最不经常使用）：将一段时间内被访问次数最少的存储行进行替换
      • 虚拟存储器替换算法：
        • OPT（最佳页面替换算法，OPTimal replacement）：选择以后不再使用的页面进行替换（目前无法实现）
        • FIFO（先进先出）：选择最早进入内存的页面进行替换。可能出现Belady异常，即所分配的物理块数增大而缺页数也增大
        • LRU（最近最少使用）：选择最近最久未使用的页面进行替换
        • CLOCK（时钟置换算法，也称为最近未用算法Not Recently Used，NRU）：选择最近未使用的页面进行替换
        • 改进型CLOCK：除了使用位，增加修改位，置换顺序如下：
          • 未访问，未修改
          • 未访问，已修改
          • 已访问，未修改
          • 已访问，已修改
      • 虚拟存储器页面更新策略：
        • 固定分配局部置换
        • 可变分配局部置换
        • 可变分配全局置换
    • 都依据程序访问的局部性原理，应用快速缓存的思想，将相对活跃的数据放在相对高速的部件中。
  • 不同点：
    • 解决问题不同。Cache主要解决系统速度；虚拟存储器主要解决主存容量。
    • 实现方式不同。Cache全部由硬件实现；虚拟存储器由操作系统和硬件共同实现，是逻辑上的存储器。
    • 不命中时性能影响不同。虚拟存储器系统不命中时对系统影响性能更大。
    • 能否与CPU直接通信。Cache不命中时，主存能与CPU直接通信，同时将数据调入Cache；虚拟存储器系统不命中时，只能先由磁盘调入主存，而不能直接和CPU通信。
• 一些定义：
  • 程序访问的局部性原理：
    • 时间局部性：程序中某条指令一旦执行，不久后该指令可能再次执行；某数据被访问过，不久后该数据可能再次被访问。因为程序存在循环。
    • 空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，不久后，其附近的存储单元也将被访问。因为指令通常是顺序存放，顺序执行的，数据一般也是以向量，数组，表等形式聚集地存储在一起的。
  • 虚地址（逻辑地址）：用户编程允许涉及的地址
  • 实地址（物理地址）：实际的主存单元
  • 虚拟存储器工作流程：
    • 由硬件对虚地址和实地址之间进行映射，并判断这个虚地址对应的存储单元内容是否已装入主存。
    • 若已在主存中，则通过地址转换，CPU可访问主存指示的实际单元。
    • 若不在主存中，则把包含这个字的一页或一段调入主存后再由CPU访问。若主存已满，则采用替换算法置换主存中的一段或一页。
  • Cache工作流程：
    • 当Cache发出读请求时，若访存地址在Cache中命中，就将此地址转换成Cache地址，直接对Cache进行读操作，不访问主存。
    • 若Cache不命中，则需要访问主存，并把此字所在的块一次性地从主存调入Cache。若Cache已满，则采用替换算法置换Cache块中原来某块的信息。

2、计算机组成有哪些

• 根据冯诺依曼体系中存储程序的思想：
  • 计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成。
  • 指令和数据以二进制代码表示，存储在存储器中，可以按地址访问。
  • 指令由操作码、地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置。
  • 指令在存储器中按顺序存放。
• 运算器：接收从控制器传来的命令，对数据进行加工处理，完成算术运算和逻辑运算，核心是算术逻辑单元（ALU）
  • 算术逻辑单元（ALU）：算术 / 逻辑运算
  • 累加寄存器（ACC）：用于暂时存放ALU运算的结果，可作为加法运算的一个输入
  • 暂存寄存器：暂存从主存读来的数据
  • 乘商寄存器（MQ）
  • 操作数寄存器（X）
  • 变址寄存器（IX）
  • 基址寄存器（BR）
  • 程序状态字寄存器（PSW）：保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果而建立的各种状态信息。PSW中的位参与并决定微操作的形成
    • 溢出标志（OF）
    • 符号标志（SF）
    • 零标志（ZF）
    • 进位标志（CF）
  • 移位器：移位计算
  • 通用寄存器组：存放操作数（包括源操作数、目的操作数、中间结果）和各种地址信息等
• 存储器：用来存放程序和数据
  • 主存储器（内存）
    • 存储器地址寄存器（MAR）：用于存放所要访问的主存单元的地址。
    • 存储器数据寄存器（MDR）：用于存放向主存写入的信息或从主存读出的信息。
  • 辅存储器（外存）
• 控制器：执行指令，控制各部件自动协调地进行工作
  • 程序计数器（PC）：指出下一条指令在主存中的存放地址
  • 指令寄存器（IR）：保存当前正在执行的指令
  • 指令译码器：对操作码字段进行译码，向控制器提供特殊的操作信号
  • 时序系统：产生各种时序信号，由统一时钟（CLOCK）分频得到
  • 微操作信号发生器：根据IR中的指令，PSW的状态信息及时序信号，产生控制整个计算机各部件要用到的控制信号。
• 输入设备：将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入到计算机
• 输出设备：将计算机的处理结果以某些形式输出

3、CISC和RISC

• CISC：复杂指令系统计算机，指令数目多，字长不固定，寻址方式多，寄存器数量少，一般为微程序控制。
• RISC：精简指令系统计算机，指令数目少，字长固定，寻址方式少，寄存器数量多，一般为组合逻辑控制。

4、数据寻址方式

• 数据寻址：格式为：操作码 + 寻址特征 + 形式地址A
• 常见的数据寻址方式：
  • 隐含寻址：不显式的给出第二操作数的地址，规定累加器作为第二操作数地址
  • 立即（数）寻址：地址字段存放操作数本身，数据以补码形式存放
  • 直接寻址：形式地址A即为操作数的有效地址EA
  • 间接寻址：形式地址是操作数有效地址所在的存储单元的地址
  • 寄存器寻址：在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，操作数在寄存器中
  • 寄存器间接寻址：在指令字中给出操作数所在的寄存器编号，寄存器中给出的是操作数所在主存单元的地址
  • 相对寻址：程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址而形成操作数的有效地址，广泛应用于转移指令
  • 基址寻址：基址寄存器BR的内容加上指令格式中的形式地址而形成操作数的有效地址，利于多道程序设计，可用于编制浮动程序
  • 变址寻址：变址寄存器IX的内容加上指令格式中的形式地址而形成操作数的有效地址，适用于编制循环程序，处理数组问题
    • 基址寄存器的内容由操作系统确定，值不可变，指令字的形式地址可变
    • 变址寄存器的内容由用户确定，值可变，指令字的形式地址不可变
  • 堆栈寻址：从规定的堆栈中取出操作数

5、指令流水线

• 定义：将指令的执行过程分为多个阶段，每个阶段与其他阶段并行执行。
• 指令的执行阶段：
  • 取指（Instruction Fetch，IF）：根据PC内容访问主存，取出一条指令送到IR中。
  • 译码（Instruction Decode，ID）：指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。
  • 执行（Execute，EX）：根据操作码字段，完成指令规定的功能。
  • 访存（Memory，MEM）：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。
  • 写回（Writeback，WB）：把执行指令阶段的运行结果数据写回到某种存储形式。
• 影响流水线的因素：
  • 结构相关（资源冲突）：多条指令在同一时刻争用同一资源而形成的冲突。
    • 解决方法：
      • 后面的指令暂停一个时钟周期
      • 单独设置数据存储器和指令存储器
  • 数据相关（数据冲突）：必须等前一条指令执行完才能执行后一条指令的情况。
    • 解决方法：
      • 数据旁路技术：设置相关专用通路，把前一条指令的ALU的计算结果作为自己的输入数据开始计算过程。
      • 指令编译优化，调整指令顺序。
      • 硬件阻塞，软件插入“NOP”指令。
  • 控制相关（控制冲突）：遇到转移指令和其他改变PC值的指令而造成断流。
    • 解决方法：
      • 提前预测，和提高预测准确率。
• 流水线的性能指标：
  • 吞吐率（TP）
  • 加速比（S）
  • 效率（E）

6、中断处理流程

• 一些定义：
  • 中断分类：
    • 按照中断源的类别：
      • 内中断：处理器和内存内部产生的中断，如地址非法、校验错、存取访问控制错、算术操作溢出、数据格式非法、除数为零、非法指令、用户程序执行特权指令、分时系统的时间片中断、用户态到核心态的切换等
      • 外中断：处理器和内存外部产生的中断，如I/O中断等
    • 按照软硬件：
      • 软件中断（内中断）：通过某条指令产生的中断
      • 硬件中断（外中断）：通过外部的硬件产生的中断
    • 按照是否可屏蔽：
      • 可屏蔽中断（外中断）：在关中断情况下不接受中断请求
      • 非屏蔽中断（外中断）：在关中断情况下可以接受中断请求
  • 中断隐指令（硬件直接实现）：
    • 关中断（保护中断现场，即CPU主要寄存器中的内容不被新的中断打断）
    • 保存断点（即保存程序计数器中的内容）
    • 引出中断服务程序（取出中断服务程序的入口地址并传送给程序计数器PC）
  • 中断屏蔽技术：在处理中断时，用中断屏蔽字屏蔽掉某些中断源。
• 处理流程如下：
  • 发送中断请求：中断源向CPU发送中断请求信号。
  • 进行中断判优：中断系统在任意一个瞬间只能响应一个中断源的请求。
    • 硬件中断 > 软件中断
    • 非屏蔽中断 > 可屏蔽中断
    • DMA > I/O设备
    • 高速设备 > 低速设备
    • 输入设备 > 输出设备
    • 实时设备 > 普通设备
  • 执行中断隐指令：
    • 关中断
    • 保存断点
    • 引出中断服务程序
  • 保存现场和屏蔽字：现场信息一般指程序状态字和中断屏蔽寄存器等
  • 执行中断服务程序，进行中断事件处理
  • 恢复现场和屏蔽字：将现场和屏蔽字状态恢复到原来的状态
  • 开中断：允许其他中断得到响应
  • 中断返回：执行中断返回指令，使其返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序

7、DMA和中断的区别

• I/O方式：
  • 程序查询方式（软件）：由程序不断的查询外设的状态，直到外设准备就绪
  • 程序中断方式：在计算机执行现行程序的过程中，出现某些急需处理的异常情况或特殊请求，CPU暂时中止现行程序，而转去对这些异常情况或特殊请求进行处理，在处理完毕后CPU又自动返回到现行程序的断点处，继续执行原程序。
  • DMA：在外设和主存之间开辟一条直接数据通道，信息传送不再经过CPU，降低CPU在传送数据时的开销，不必中断现行程序，I/O与主机并行工作，程序和传送并行工作。
  • 通道：输入/输出通道是一个独立于CPU的，专门管理I/O的处理机，它控制设备与主存直接进行数据交换。
• DMA传送过程：
  • 预处理：完成寄存器置初始值之类的准备工作。
  • 数据传送：占用总线传输数据，数据传送完全由DMA控制。
  • 后处理：CPU执行中断服务程序做结束DMA处理。
• DMA和中断的区别：
  • 中断是程序的切换，需要保护和恢复现场；DMA除了预处理和后处理，其他时候不占用CPU的任何资源。
  • 对中断请求的响应只能发生在指令的执行周期后；对DMA请求的响应可以发生在取指周期、间址周期、执行周期后，只要CPU不占用总线就可被响应。
  • 中断传送过程需要CPU的干预；DMA传送过程不需要CPU的干预。
  • DMA请求的优先级高于中断请求。
  • 中断方式靠程序传送，DMA方式靠硬件传送。

参考文献：

[1]王道论坛. 2020计算机组成原理考研复习指导. [M]北京：电子工业出版社，2019.1；