計算機組成與結構課程論文

1、.計算機組成與結構課程論文計算機從產生到今天不過短短的60多年的時間。但它已經深入到人類生活的每一個角落，現(xiàn)在人類的生活如果離開了計算機是難以想象的。個人計算機（PC）已經是我們日常辦公和娛樂的工具，計算機科學與技術也成為了很熱門的專業(yè)。對于一個自動化專業(yè)的學生來說，計算機組成原理的學習是至關重要的，作為計算機領域的基礎課程，這門課會告訴我們計算機的基本組成及其主要部件的工作原理。通過這門課程的學習可以讓我們建立計算機系統(tǒng)的整機概念，理解軟硬件的關系和邏輯的等價性；了解計算機各部件的組成原理，工作機制以及部件之間的相互關系；加強硬件分析和設計的基本技能和方法，提高硬件方面專業(yè)素質和發(fā)展?jié)摿?；?/p>

2、養(yǎng)和提高計算思維能力。我覺的計算機組成與結構這門課，有很多比較難的知識點，比如：中央處理器的功能與結構，微指令的執(zhí)行或者是操作碼的拓展等等，對于我來講還是比較陌生的。但是通過課上和課下不斷地學習，我覺得對于計算機的各方面認識還是有很大提高的。雖然計算機組成與結構是考察科目，但是夏老師還是很認真的準備和講解每一堂課。尤其是每節(jié)課提前為同學們打印講義以幫助理解，我覺得是很細心并且很有效的一種教學方法。既然這是課程結束后的一篇體會性或者總結性的論文，我主要選擇課程的第七章“存儲系統(tǒng)“作為本篇論文的主要內容進行學習上的反思和總結。在學習“存儲系統(tǒng)”之前，我就一直對于計算機內部的存儲形式和方式以及存儲硬

3、件的結構很好奇，并且平時對于生活中一些比如磁盤、光盤、磁帶之類的存儲裝置很感興趣。所以在學習了“存儲系統(tǒng)”這一章后，我覺得讓我在計算機存儲方式的理解上有了很大的提升。首先我要總結一下我從本課程中學到的關于存儲系統(tǒng)方面的知識。（一） 存儲器的分類1. 按存儲介質分類 1）半導體存儲器 2）磁表面存儲器 3）磁芯存儲器 4）光盤存儲器2. 按存取方式分類 1）隨機存儲器RAM 2）只讀存儲器ROM 3）順序存取存儲器 4）直接存取存儲器3. 按在計算機中的作用分類存儲器主存閃速存儲器(Flash Memory)輔存緩存（Cache）只讀存儲器（ROM）靜態(tài)RAM動態(tài)RAM隨機存儲器（RAM）MRO

4、MPROMEPROMEEPROM磁盤磁帶光盤寄存器緩存主存磁盤磁帶（二） 存儲器的層次化結構存儲器有3個重要的指標：速度、容量和每位價格。一般來說：速度越快，位價越高；容量越大，位價越低；容量大，速度就越低。存儲系統(tǒng)層次結構主要體現(xiàn)在緩存-主存-輔存這兩個存儲層次上，如下圖所示：CPU 緩存主存輔存（三） 半導體隨機存取存儲器1. SRAM存儲器的工作原理1）靜態(tài)存儲單元SRAM靜態(tài)存儲單元的每個存儲位需要四到六個晶體管組成。比較典型的是六管存儲單元，即一個存儲單元存儲一位信息“0”或“1”。靜態(tài)存儲單元保存的信息比較穩(wěn)定，信息為非破壞性讀出，故不需要重寫或者刷新操作；另一方面，其結構簡單、可

5、靠性高、速度較快，但其占用元件較多，占硅片面積大，且功耗大，所以集成度不高。2. DRAM存儲器的工作原理1）動態(tài)存儲單元常見的動態(tài)RAM存儲單元有三管式和單管式兩種，它們的共特點是靠電容存儲電荷的原理來寄存信息。若電容上存有足夠的電荷表示“1”，電容上無電荷表示“0”。電容上的電荷一般只能維持1-2ms，因此即使電源不掉電，電容上的電荷會自動消失。因此，為保證信息的不丟失，必須在2ms之內就要對存儲單元進行一次恢復操作，這個過程稱為再生或者刷新。與靜態(tài)RAM相比，動態(tài)RAM具有集成度更高、功耗更低等特點，目前被各類計算機廣泛使用。（四） 只讀存儲器只讀存儲器，即使停電，所存儲的內容也不丟失。

6、根據半導體制造工藝的不同，可分為ROM，PROM，EPROM，E2ROM和Flash Memory。1. 只讀存儲器（ROM） 掩模式ROM由芯片制造商在制造時寫入內容，以后只能讀而不能再寫入。其基本存儲原理是以元件的“有無”來表示該存儲單元的信息（“1”或“0”），可以用二極管或晶體管作為元件，顯而易見，其存儲內容是不會改變的。2. 可編程序的只讀存儲器（PROM） PROM可由用戶根據自己的需要來確定ROM中的內容，常見的熔絲式PROM是以熔絲的通和斷開來表示所存的信息為“1”或“0”。剛出廠的產品，其熔絲是全部接通的。根據需要斷開某些單元的熔絲（寫入）。顯而易見，斷開后的熔絲是不能再接通

7、了，因而一次性寫入的存儲器。掉電后不會影響其所存儲的內容。3. 可擦可編程序的只讀存儲器（EPROM）4. 可電擦可編程序只讀存儲器（E2PROM）5. 快除讀寫存儲器（Flash Memory） （五） 高速緩沖存儲器（Cache）1. 程序訪問的局部性從大量的統(tǒng)計中得到的一個規(guī)律是，程序中對于存儲空間90%的訪問局限于存儲空間的10%的區(qū)域中，而另外10%的訪問則分布在存儲空間的其余90%的區(qū)域中。這就是通常說的局部性原理。訪存的局部性規(guī)律包括兩個方面：時間局部性：如果一個存儲項被訪問，則可能該項會很快被再次訪問。 空間局部性：如果一個存儲項被訪問，則該項及其鄰近的項也可能很快被訪問。2.

8、 Cache的基本工作原理Cache通常由兩部分組成，塊表和快速存儲器。其工作原理是：處理機按主存地址訪問存儲器，存儲器地址的高段通過主存-Cache地址映象機構借助查表判定該地址的存儲單元是否在Cache中，如果在，則Cache命中，按Cache地址訪問Cache。否則，Cache不命中，則需要訪問主存，并從主存中調入相應數據塊到Cache中，若Cache中已寫滿，則要按某種算法將Cache中的某一塊替換出去，并修改有關的地址映象關系。從這個工作原理我們可以知道，它的工作原理主要圍繞兩個問題：首先是定位、然后是替換。3. Cache和主存之間的映射方式因為處理機訪問都是按主存地址訪問的，而C

9、ache的空間遠小于主存，這就需要地址映象來確定這一次的訪問內容是不是在Cache中和在Cache中的哪一個位置，即把主存中的地址映射成Cache中的地址。讓Cache中一個存儲塊(空間)與主存中若干塊相對應，如此，訪問一個主存地址時，就可以對應地知道在cache中哪一個地址了。地址映象的方法有三種：直接映象、全相聯(lián)映象和組相聯(lián)映象。 直接映象就是將主存地址映象到Cache中的一個指定地址。任何時候，主存中存儲單元的數據只能調入到Cache中的一個位置，這是固定的，若這個位置已有數據，則產生沖突，原來的塊將無條件地被替換出去。直接映象全相聯(lián)映象就是任何主存地址可映象到任何Cache地址的方式。

10、在這種方式下，主存中存儲單元的數據可調入到Cache中的任意位置。只有在Cache中的塊全部裝滿后才會出現(xiàn)塊沖突。全相聯(lián)映象組相聯(lián)映象指的是將存儲空間的頁面分成若干組，各組之間的直接映象，而組內各塊之間則是全相聯(lián)映象。組相聯(lián)映象4. Cache中主存塊的替換算法在直接映象方式下，不存在塊替換的算法，因為每一塊的位置映象是固定的，需要哪一塊數據就可直接確定地將該塊數據調入上層確定位置。而其他兩種映象就存在替換策略的問題，就是要選擇替換到哪一個Cache塊。即替換算法。思想 優(yōu)點 缺點 隨機算法RAND 用軟的或硬的隨機數產生器產生上層中要被替換的頁號 簡單、易于實現(xiàn) 沒有利用上層存儲器使用的歷史

11、信息，沒有反映等程序局部性，命中率低。 先進先出FIFO 選擇最早裝入上層的頁作為被替換的頁 實現(xiàn)方便，利用了主存歷史的信息 不能正確反映程序局部性原理，命中率不高，可能出現(xiàn)一種異?，F(xiàn)象。 近期最少使用法LRU 選擇近期最少訪問的頁作為被替換的頁 比較正確反映程序局部性，利用訪存的歷史信息，命中率較高 實現(xiàn)較復雜 優(yōu)化替換算法OPT 將未來近期不用的頁換出去 命中率最高，可作為衡量其他替換算法的標準 不現(xiàn)實，只是一種理想算法 （六） 虛擬存儲器1. 虛擬存儲器的基本概念虛擬存儲器是主存的擴展，虛擬存儲器的空間大小取決于計算機的訪存能力而不是實際外存的大小，實際存儲空間可以小于虛擬地址空間。從程

12、序員的角度看，外存被看作邏輯存儲空間，訪問的地址是一個邏輯地址(虛地址)，虛擬存儲器使存儲系統(tǒng)既具有相當于外存的容量又有接近于主存的訪問速度。虛擬存儲器的訪問也涉及到虛地址與實地址的映象、替換算法等，這與Cache中的類似，前面我們講的地址映象以塊為單位，而在虛擬存儲器中，地址映象以頁為單位。設計虛擬存儲系統(tǒng)需考慮的指標是主存空間利用率和主存的命中率。虛擬存儲器與Cache存儲器的管理方法有許多相同之處，它們都需要地址映象表和地址變換機構。但是二者也是不同的。虛擬存儲器的三種不同管理方式：按存儲映象算法，分為段式、頁式和段頁式等，這些管理方式的基本原理是類似的。在學習完存儲器分類的時候，我才知

13、道原來計算機中的存儲設備有這么多種類型，計算機的高速有序運轉和分門別類、細致劃分功能各司其職的存儲器分不開。在學到主存、緩存和輔存時，我明白了主緩存數據交換以及主輔存數據交換是計算機存取速度和運行速度的決定因素之一。學習了理想存儲器的三個要素：容量大+速度快+價格低后，我認為合理搭配不同類型和功能的存儲器是實現(xiàn)這個理想的重要途徑。在學習了cache的功能后，我認為替換算法的不斷優(yōu)化正體現(xiàn)了計算機速度的不斷提升的過程。未來的替換算法肯定會實現(xiàn)更加智能化的操作，比如計算機根據用戶近期對各程序和數據的使用情況，然后推算出未來使用該程序或數據的概率，從而替換掉概率最小的數據，以進一步提高cache的命中率。在學習虛擬存儲器時，夏老師現(xiàn)場用他的pc為我們演示了如何將硬盤中的容量轉化為虛擬的內存供計算機使用，我們受益匪淺。學習這門課程還讓我們學會了質疑精神和明白了探討的重要性。記得有一堂課是代課的老師來講霍夫曼編碼的規(guī)則。老師板書了目前最優(yōu)的霍夫曼編碼方法，但是這與書上給出的推薦霍夫曼編碼方式