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计算机组成与结构课程论文计算机从产生到今天不过短短的60多年的时间。但它已经深入到人类生活的每一个角落，现在人类的生活如果离开了计算机是难以想象的。个人计算机（PC）已经是我们日常办公和娱乐的工具，计算机科学与技术也成为了很热门的专业。对于一个自动化专业的学生来说，计算机组成原理的学习是至关重要的，作为计算机领域的基础课程，这门课会告诉我们计算机的基本组成及其主要部件的工作原理。通过这门课程的学习可以让我们建立计算机系统的整机概念，理解软硬件的关系和逻辑的等价性；了解计算机各部件的组成原理，工作机制以及部件之间的相互关系；加强硬件分析和设计的基本技能和方法，提高硬件方面专业素质和发展潜力；培养和提高计算思维能力。我觉的计算机组成与结构这门课，有很多比较难的知识点，比如：中央处理器的功能与结构，微指令的执行或者是操作码的拓展等等，对于我来讲还是比较陌生的。但是通过课上和课下不断地学习，我觉得对于计算机的各方面认识还是有很大提高的。虽然计算机组成与结构是考察科目，但是夏老师还是很认真的准备和讲解每一堂课。尤其是每节课提前为同学们打印讲义以帮助理解，我觉得是很细心并且很有效的一种教学方法。既然这是课程结束后的一篇体会性或者总结性的论文，我主要选择课程的第七章“存储系统“作为本篇论文的主要内容进行学习上的反思和总结。在学习“存储系统”之前，我就一直对于计算机内部的存储形式和方式以及存储硬件的结构很好奇，并且平时对于生活中一些比如磁盘、光盘、磁带之类的存储装置很感兴趣。所以在学习了“存储系统”这一章后，我觉得让我在计算机存储方式的理解上有了很大的提升。首先我要总结一下我从本课程中学到的关于存储系统方面的知识。（一） 存储器的分类1. 按存储介质分类 1）半导体存储器 2）磁表面存储器 3）磁芯存储器 4）光盘存储器2. 按存取方式分类 1）随机存储器RAM 2）只读存储器ROM 3）顺序存取存储器 4）直接存取存储器3. 按在计算机中的作用分类存储器主存闪速存储器(Flash Memory)辅存缓存（Cache）只读存储器（ROM）静态RAM动态RAM随机存储器（RAM）MROMPROMEPROMEEPROM磁盘磁带光盘寄存器缓存主存磁盘磁带（二） 存储器的层次化结构存储器有3个重要的指标：速度、容量和每位价格。一般来说：速度越快，位价越高；容量越大，位价越低；容量大，速度就越低。存储系统层次结构主要体现在缓存-主存-辅存这两个存储层次上，如下图所示：CPU 缓存主存辅存（三） 半导体随机存取存储器1. SRAM存储器的工作原理1）静态存储单元SRAM静态存储单元的每个存储位需要四到六个晶体管组成。比较典型的是六管存储单元，即一个存储单元存储一位信息“0”或“1”。静态存储单元保存的信息比较稳定，信息为非破坏性读出，故不需要重写或者刷新操作；另一方面，其结构简单、可靠性高、速度较快，但其占用元件较多，占硅片面积大，且功耗大，所以集成度不高。2. DRAM存储器的工作原理1）动态存储单元常见的动态RAM存储单元有三管式和单管式两种，它们的共特点是靠电容存储电荷的原理来寄存信息。若电容上存有足够的电荷表示“1”，电容上无电荷表示“0”。电容上的电荷一般只能维持1-2ms，因此即使电源不掉电，电容上的电荷会自动消失。因此，为保证信息的不丢失，必须在2ms之内就要对存储单元进行一次恢复操作，这个过程称为再生或者刷新。与静态RAM相比，动态RAM具有集成度更高、功耗更低等特点，目前被各类计算机广泛使用。（四） 只读存储器只读存储器，即使停电，所存储的内容也不丢失。根据半导体制造工艺的不同，可分为ROM，PROM，EPROM，E2ROM和Flash Memory。1. 只读存储器（ROM） 掩模式ROM由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读而不能再写入。其基本存储原理是以元件的“有无”来表示该存储单元的信息（“1”或“0”），可以用二极管或晶体管作为元件，显而易见，其存储内容是不会改变的。2. 可编程序的只读存储器（PROM） PROM可由用户根据自己的需要来确定ROM中的内容，常见的熔丝式PROM是以熔丝的通和断开来表示所存的信息为“1”或“0”。刚出厂的产品，其熔丝是全部接通的。根据需要断开某些单元的熔丝（写入）。显而易见，断开后的熔丝是不能再接通了，因而一次性写入的存储器。掉电后不会影响其所存储的内容。3. 可擦可编程序的只读存储器（EPROM）4. 可电擦可编程序只读存储器（E2PROM）5. 快除读写存储器（Flash Memory） （五） 高速缓冲存储器（Cache）1. 程序访问的局部性从大量的统计中得到的一个规律是，程序中对于存储空间90%的访问局限于存储空间的10%的区域中，而另外10%的访问则分布在存储空间的其余90%的区域中。这就是通常说的局部性原理。访存的局部性规律包括两个方面：时间局部性：如果一个存储项被访问，则可能该项会很快被再次访问。 空间局部性：如果一个存储项被访问，则该项及其邻近的项也可能很快被访问。2. Cache的基本工作原理Cache通常由两部分组成，块表和快速存储器。其工作原理是：处理机按主存地址访问存储器，存储器地址的高段通过主存-Cache地址映象机构借助查表判定该地址的存储单元是否在Cache中，如果在，则Cache命中，按Cache地址访问Cache。否则，Cache不命中，则需要访问主存，并从主存中调入相应数据块到Cache中，若Cache中已写满，则要按某种算法将Cache中的某一块替换出去，并修改有关的地址映象关系。从这个工作原理我们可以知道，它的工作原理主要围绕两个问题：首先是定位、然后是替换。3. Cache和主存之间的映射方式因为处理机访问都是按主存地址访问的，而Cache的空间远小于主存，这就需要地址映象来确定这一次的访问内容是不是在Cache中和在Cache中的哪一个位置，即把主存中的地址映射成Cache中的地址。让Cache中一个存储块(空间)与主存中若干块相对应，如此，访问一个主存地址时，就可以对应地知道在cache中哪一个地址了。地址映象的方法有三种：直接映象、全相联映象和组相联映象。 直接映象就是将主存地址映象到Cache中的一个指定地址。任何时候，主存中存储单元的数据只能调入到Cache中的一个位置，这是固定的，若这个位置已有数据，则产生冲突，原来的块将无条件地被替换出去。直接映象全相联映象就是任何主存地址可映象到任何Cache地址的方式。在这种方式下，主存中存储单元的数据可调入到Cache中的任意位置。只有在Cache中的块全部装满后才会出现块冲突。全相联映象组相联映象指的是将存储空间的页面分成若干组，各组之间的直接映象，而组内各块之间则是全相联映象。组相联映象4. Cache中主存块的替换算法在直接映象方式下，不存在块替换的算法，因为每一块的位置映象是固定的，需要哪一块数据就可直接确定地将该块数据调入上层确定位置。而其他两种映象就存在替换策略的问题，就是要选择替换到哪一个Cache块。即替换算法。思想 优点 缺点 随机算法RAND 用软的或硬的随机数产生器产生上层中要被替换的页号 简单、易于实现 没有利用上层存储器使用的历史信息，没有反映等程序局部性，命中率低。 先进先出FIFO 选择最早装入上层的页作为被替换的页 实现方便，利用了主存历史的信息 不能正确反映程序局部性原理，命中率不高，可能出现一种异常现象。 近期最少使用法LRU 选择近期最少访问的页作为被替换的页 比较正确反映程序局部性，利用访存的历史信息，命中率较高 实现较复杂 优化替换算法OPT 将未来近期不用的页换出去 命中率最高，可作为衡量其他替换算法的标准 不现实，只是一种理想算法 （六） 虚拟存储器1. 虚拟存储器的基本概念虚拟存储器是主存的扩展，虚拟存储器的空间大小取决于计算机的访存能力而不是实际外存的大小，实际存储空间可以小于虚拟地址空间。从程序员的角度看，外存被看作逻辑存储空间，访问的地址是一个逻辑地址(虚地址)，虚拟存储器使存储系统既具有相当于外存的容量又有接近于主存的访问速度。虚拟存储器的访问也涉及到虚地址与实地址的映象、替换算法等，这与Cache中的类似，前面我们讲的地址映象以块为单位，而在虚拟存储器中，地址映象以页为单位。设计虚拟存储系统需考虑的指标是主存空间利用率和主存的命中率。虚拟存储器与Cache存储器的管理方法有许多相同之处，它们都需要地址映象表和地址变换机构。但是二者也是不同的。虚拟存储器的三种不同管理方式：按存储映象算法，分为段式、页式和段页式等，这些管理方式的基本原理是类似的。在学习完存储器分类的时候，我才知道原来计算机中的存储设备有这么多种类型，计算机的高速有序运转和分门别类、细致划分功能各司其职的存储器分不开。在学到主存、缓存和辅存时，我明白了主缓存数据交换以及主辅存数据交换是计算机存取速度和运行速度的决定因素之一。学习了理想存储器的三个要素：容量大+速度快+价格低后，我认为合理搭配不同类型和功能的存储器是实现这个理想的重要途径。在学习了cache的功能后，我认为替换算法的不断优化正体现了计算机速度的不断提升的过程。未来的替换算法肯定会实现更加智能化的操作，比如计算机根据用户近期对各程序和数据的使用情况，然后推算出未来使用该程序或数据的概率，从而替换掉概率最小的数据，以进一步提高cache的命中率。在学习虚拟存储器时，夏老师现场用他的pc为我们演示了如何将硬盘中的容量转化为虚拟的内存供计算机使用，我们受益匪浅。学习这门课程还让我们学会了质疑精神和明白了探讨的重要性。记得有一堂课是代课的老师来讲霍夫曼编码的规则。老师板书了目前最优的霍夫曼编码方法，但是这与书上给出的推荐霍夫曼编码方式