【系统架构师软考】计算机体系结构（二）

 目录

CPU、GPU、NPU、FPGA、ASIC特性对比

SoC 

Cache的地址映像方法 

直接映射（Direct Mapping）

2. 全相联映射（Fully Associative Mapping）

3. 组相联映射（Set-Associative Mapping）

Cache的替换算法

缓存 vs 主存

网络存储

磁盘阵列 DiskArray 

 系统总线

​编辑 外部设备

指令系统 

流水线 

​编辑 数的表示

编码技术

奇偶校验码（Parity Bit）

海明码（Hamming Code）

循环冗余校验码（CRC, Cyclic Redundancy Check）

性能指标

性能评估

CPU、GPU、NPU、FPGA、ASIC特性对比

SoC 

      SoC的特点是将许多不同的功能集成到单一的芯片中，例如处理器、内存、接口电路、数字信号处理器等。这些不同的功能通常被集成在一个封装内，通过内部总线进行通信。这种设计方法可以提高设备的性能和可靠性，同时降低功耗和成本。SOC不是一块处理器芯片。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并 完成设计的整个过程。 从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；（ 从广义角度讲，SoC是一个微小型系统，如果说中央处理器（CPU）是大脑，那么SoC就是包括大脑、心 脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器 （或片外存储控制接口）集成在单一芯片上，它通常是客户定制的，或是面向特定用途的标准产品。

存储器

Cache的地址映像方法 

直接映射（Direct Mapping）

• 解释：每个数据只能放在Cache中的一个特定位置，就像是你家每个房间只能放一个特定的东西。
• 优点：简单快速。
• 缺点：如果两个数据都想放在同一个位置，它们就会互相“抢位”，导致效率低。

2. 全相联映射（Fully Associative Mapping）

• 解释：每个数据可以放在Cache的任何地方，哪里有空位就放哪里，就像是把钥匙随便放在家里的任何地方。
• 优点：很少出现“抢位”问题，灵活。
• 缺点：需要花更多时间去找数据，就像你需要到处找钥匙。

3. 组相联映射（Set-Associative Mapping）

• 解释：折中方法。把Cache分成几组，每个数据只能放到其中一组的任意空位。就像是把钥匙放在特定的抽屉里，但抽屉里哪个位置都可以放。
• 优点：比较灵活，冲突少。
• 缺点：比直接映射复杂，但不如全相联映射那么复杂。

Cache的替换算法

缓存 vs 主存

网络存储

磁盘阵列 DiskArray 

 系统总线

 外部设备

指令系统 

流水线 

 数的表示

编码技术

奇偶校验码（Parity Bit）

• 原理：奇偶校验是一种最简单的错误检测方法，通过在数据后面添加一个额外的校验位来实现。这种方法可以检测到单比特错误。
• 奇校验：使得数据中的1的数量为奇数。
• 偶校验：使得数据中的1的数量为偶数。

例子：

• 原始数据：1011001
• 偶校验：因为1的数量为 4（偶数），所以校验位设为 0。数据发送为 10110010。
• 奇校验：如果使用奇校验，因为1的数量为偶数，需要把校验位设为 1。数据发送为 10110011。

如果接收到的比特数与预期的不符（例如多了一个1或0），就可以检测到错误。

海明码（Hamming Code）

• 原理：海明码是一种能够检测并纠正单比特错误的编码方式。通过添加多个校验位，使得数据中的错误可以被定位和修正。

例子：

• 原始数据：1011（假设4位数据）
• 添加校验位：海明码使用多个校验位。假设我们使用 7 位来传输 4 位数据，其中 3 位是校验位。校验位的位置通常是2的幂（如第1位、第2位、第4位）。

海明码编码（简单计算示例）：

• 将数据填入正确位置：_ _ 1 _ 0 1 1
• 校验位 P1（第1位）：校验第 1, 3, 5, 7 位，结果为 1。
• 校验位 P2（第2位）：校验第 2, 3, 6, 7 位，结果为 0。
• 校验位 P4（第4位）：校验第 4, 5, 6, 7 位，结果为 1。

最终海明码为 1011011。如果在传输中某一位发生错误，比如第3位变为0，接收方可以通过海明码的规则定位并修正错误。

循环冗余校验码（CRC, Cyclic Redundancy Check）

• 原理：CRC 是一种强大的错误检测方法，广泛用于网络通信和数据存储。它通过对数据执行多项式除法来生成校验码。接收方再进行相同的除法操作，如果余数为0，则数据无误。

例子：

• 原始数据：11010011101100（假设14位数据）
• 生成多项式：假设为1101（4位）。
• 计算CRC码：将数据后面加上与生成多项式位数相同的零，然后对数据进行二进制除法。

步骤：

• 先将 11010011101100 变成 11010011101100000。
• 然后用生成多项式1101对这个数据进行二进制除法(按位亦或)，直到最后余数为 0011。
• 这个余数0011就是CRC码，发送时将它附加在数据的末尾。数据发送为 110100111011000011。

接收方在接收到这个数据后，使用相同的多项式1101再次进行二进制除法，如果余数为零，则表示数据无误，否则说明数据发生了错误。

性能指标

 性能计算

性能评估