計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1馮諾依曼計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想：依據(jù)存儲(chǔ)程序，執(zhí)行程序并實(shí)現(xiàn)控制。早期計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成。3軟件系統(tǒng)爆過(guò)兩大部分：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。4.計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)分為：微程序或邏輯硬件、機(jī)器語(yǔ)言、操作系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言、應(yīng)用語(yǔ)言。5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)之間的區(qū)別與聯(lián)系：計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)：也稱(chēng)為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，是一個(gè)系統(tǒng)在其所處環(huán)境中最高層次的概念；是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各機(jī)器級(jí)之間界面的劃分和定義，以及對(duì)各級(jí)界面上、下的功能進(jìn)行分配。計(jì)算機(jī)組成：也常譯為計(jì)算機(jī)組織或成為計(jì)算機(jī)原理、計(jì)算機(jī)組成原理。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定了分配給硬件子系統(tǒng)的功能及其概念之后，計(jì)算機(jī)組成的任務(wù)是研究硬件子系統(tǒng)各部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相互聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令級(jí)的各級(jí)功能和特性。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：指的是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，主要研究個(gè)部件的物理結(jié)構(gòu)，機(jī)器的制造技術(shù)和工藝等，包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度、速度和信號(hào)。器件、模塊、插件、底板的劃分與連接，專(zhuān)用器件的設(shè)計(jì)，電源、冷卻、裝配等技術(shù)。6Flynn分類(lèi)法：按照計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)信息流的特征分為單指令單數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)（SISD）單指令多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)（SIMD）、多指令單數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)（MISD）、多指令多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)（MIMD）.勸口速比Sp=1/{（1-Fe）+Fe/Re},Fe為可改進(jìn)比例，Re為部件加速比。8在計(jì)算機(jī)中有兩種信息在流動(dòng)，一種是控制流，即控制命令，由控制器產(chǎn)生并流向各個(gè)部件；另一種是數(shù)據(jù)流，它在計(jì)算機(jī)中被加工處理。9?摩爾定律得以延續(xù)的理由：集成電路芯片的集成度每18個(gè)月翻一番。10?馮諾依曼計(jì)算機(jī)的執(zhí)行過(guò)程：將要處理的問(wèn)題用指令編程成程序，并將程序存放在存儲(chǔ)器中，在控制器的控制下，從存儲(chǔ)器中逐條取出指令并執(zhí)行，通過(guò)執(zhí)行程序最終解決計(jì)算機(jī)所要處理的問(wèn)題。11數(shù)據(jù)編碼的好處：用更少的數(shù)據(jù)表示更多的信息。12.定點(diǎn)數(shù)：若約定小數(shù)點(diǎn)的位置固定不變，貝U成為定點(diǎn)數(shù)。定點(diǎn)數(shù)分為兩種：定點(diǎn)整數(shù)（純整數(shù)，小數(shù)點(diǎn)在最低有效數(shù)值位之后）和定點(diǎn)小數(shù)（純小數(shù)，小數(shù)點(diǎn)最高有效數(shù)值位之前）。13孚點(diǎn)數(shù)：基數(shù)為2的數(shù)F的浮點(diǎn)表示為：F=M*2AE.其中M稱(chēng)為尾數(shù)，E稱(chēng)為階碼。尾數(shù)為帶符號(hào)的純小數(shù)，階碼為帶符號(hào)的純整數(shù)。14.補(bǔ)碼：非負(fù)數(shù)整數(shù)的補(bǔ)碼為其原碼，負(fù)數(shù)整數(shù)的補(bǔ)碼在原碼基礎(chǔ)上取反加1.151位補(bǔ)碼表示的整數(shù)數(shù)值范圍為-2A（n-1）~+（2A（n-1）-1），n位補(bǔ)碼表示的小數(shù)數(shù)職的范圍為-1~+（1-2A（-n+1））。16補(bǔ)碼的特點(diǎn)：0的表示是唯一的。②變形碼。③求補(bǔ)運(yùn)算。簡(jiǎn)化加減法。⑤算術(shù)或邏輯左移。⑥算術(shù)右移。17反碼：正整數(shù)反碼與原碼相同。負(fù)整數(shù)反碼即原碼取反。漢字編碼分為三類(lèi)：漢字輸入編碼、國(guó)際碼和漢字內(nèi)碼以及漢字字模碼漢字內(nèi)碼是漢子在設(shè)備或信息處理系統(tǒng)內(nèi)部最基本的表達(dá)方式循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）可以發(fā)現(xiàn)并糾正信息在存儲(chǔ)或傳送過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。溢出的判定：雙符號(hào)位判決法，兩符號(hào)位是否一致，一致未溢出，反之溢出。存儲(chǔ)器的功能：存儲(chǔ)程序和各種數(shù)據(jù)，并能在計(jì)算機(jī)運(yùn)行過(guò)程中高速、自動(dòng)地完成程序或數(shù)據(jù)的存取。23存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)：①脫機(jī)光盤(pán)、磁帶存儲(chǔ)器②聯(lián)機(jī)磁盤(pán)存儲(chǔ)器③主存儲(chǔ)器④Cache⑤COU內(nèi)部通用寄存器24.存儲(chǔ)器的分類(lèi)：存儲(chǔ)信息的介質(zhì)在計(jì)算機(jī)中的用途存放信息的易失（揮發(fā)）性：RAM（易失）、磁盤(pán)存儲(chǔ)器、半導(dǎo)體ROM（非易失）。存取方式：隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM，順序讀寫(xiě)存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)功能25其他存儲(chǔ)器：多端口存儲(chǔ)器、多體交叉存儲(chǔ)器、相聯(lián)存儲(chǔ)器。26高速緩沖存儲(chǔ)器的作用：為緩和存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)速度遠(yuǎn)低于CPU程序執(zhí)行速度之間的矛盾。27地址映射和變換的三種方式：全相聯(lián)，直接映射、組相聯(lián)。替換算法有：隨機(jī)替換算法（RAND）、先進(jìn)先出算法（FIFO卜近期最少使用算法（LRU）、最不經(jīng)常使用算法（LFU）、最優(yōu)替換算法（OPT）。虛擬存儲(chǔ)器的作用：使計(jì)算機(jī)具有海量存儲(chǔ)器，以便支持多用戶(hù)、多任務(wù)程序的開(kāi)發(fā)。虛擬存儲(chǔ)器的管理方式有：頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器、段式虛擬存儲(chǔ)器、段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器。3.記錄面：磁盤(pán)中能夠記錄信息的磁介質(zhì)表面。2.磁道：在磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，每一個(gè)記錄面上都分布著若干由磁頭畫(huà)出的同心的閉合圓環(huán)。2扇區(qū)：為了便于存取信息，磁盤(pán)上的每個(gè)磁道又分為若干段，每一段稱(chēng)為一個(gè)扇區(qū)。2.掉電以后，ROM中的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。5指令系統(tǒng)：也稱(chēng)為指令集，指能被一臺(tái)計(jì)算機(jī)執(zhí)行的全部指令的集合。2設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)指令系統(tǒng)一般從以下幾方面考慮：①完備性：常用指令齊全，編程方便。②周效性：程序占主存空間少，運(yùn)行速度快。③規(guī)整性：指令和數(shù)據(jù)使用規(guī)則統(tǒng)一簡(jiǎn)單，易學(xué)易記。④兼容性：同一系列的抵擋計(jì)算機(jī)程序能在高檔計(jì)算機(jī)上直接運(yùn)行，即向后兼容。3主存的隨機(jī)讀寫(xiě)特性：對(duì)于主存的大部分空間，允許在任何時(shí)間對(duì)其中的任何存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫(xiě)操作，且讀寫(xiě)時(shí)間相同。2.堆棧是一種數(shù)據(jù)項(xiàng)按迅排列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只能在棧頂對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行插入和刪除操作。2.堆棧用于過(guò)程或子程序調(diào)用或返回、中斷處理程序的進(jìn)入和返回變長(zhǎng)操作碼：對(duì)不同類(lèi)型的指令操作碼用不固定長(zhǎng)度的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行編碼即為變長(zhǎng)操作碼編碼方式，也稱(chēng)作擴(kuò)展操作碼編碼方式。尋址方式：指令獲取操作數(shù)的方式。尋址方式的分類(lèi)：①隱含尋址②立即尋址③寄存器尋址④直接尋址⑤間接尋址⑥寄存器間接尋址⑦相對(duì)尋址⑧基址尋址⑨變址尋址⑩堆棧尋址43CISC:Complicatedinstructionsetcomputerarchitecture,復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。44.RISC:Reducedinstructionsetcomputerarchitecture,精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)。45早期CISC設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：指令系統(tǒng)復(fù)雜，即指令多、尋址方式多、指令格式多；絕大多數(shù)指令執(zhí)行需要多個(gè)時(shí)鐘周期。有多種指令可以訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器。CPU控制器采用問(wèn)程序控制方式實(shí)現(xiàn)。寄存器數(shù)量有限。4賦ISC結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)具有如下特點(diǎn)：之設(shè)置使用頻率高的簡(jiǎn)單指令，所以指令的操作種類(lèi)少，尋址方式少；指令格式股則，長(zhǎng)度固定，便于簡(jiǎn)單統(tǒng)一的譯碼，可使控制器簡(jiǎn)化、硬件結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)；今年通過(guò)Load和Store指令訪(fǎng)問(wèn)主存；通用存儲(chǔ)器數(shù)量多，一般有幾十甚至幾百個(gè)，大多數(shù)操作在寄存器之間進(jìn)在非流水線(xiàn)RISC中，單條指令可在單機(jī)器周期內(nèi)完成；在流水線(xiàn)RISC中,對(duì)于大多數(shù)指令有CPI=1；采用硬布線(xiàn)控制器，不使用微代碼（即微程序），有利于提高時(shí)鐘頻率和CPU速度，能更好的響應(yīng)中斷；可簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，降低成本及便于超大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)。有利于多流水線(xiàn)、多核CPU實(shí)現(xiàn)；適宜高度優(yōu)化編譯器（即編譯程序）；精簡(jiǎn)的指令使程序閱讀、分析難度加大；不能同CISC兼容。47指令長(zhǎng)度的確定方法：指令長(zhǎng)度=操作碼長(zhǎng)度+第1段地址碼長(zhǎng)度+……+第i段地址碼長(zhǎng)度指令長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的一般原則是：短的操作碼與多地址碼字段配合，長(zhǎng)的操作碼與簡(jiǎn)單地址碼組合。指令長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)為總線(xiàn)寬度的兩倍。指令長(zhǎng)度為存儲(chǔ)器最小可尋址單位的整數(shù)倍。①寄存器直接尋址：操作數(shù)在寄存器中的尋址方式。寄存器間接尋址：操作數(shù)地址在寄存器中的尋址方式。立即尋址：操作數(shù)在指令中的尋址方式。直接尋址：操作數(shù)地址在指令中的尋址方式。變址尋址：操作數(shù)的地址為某一寄存器內(nèi)容與位移量之和的尋址方式。CPU主要是負(fù)責(zé)獲取程序中的每條指令、譯碼所獲取的指令、針對(duì)指令指定的數(shù)據(jù)完成指定順序的操作，它是通過(guò)執(zhí)行各種指令來(lái)完成不同的操作。執(zhí)行周期：在執(zhí)行一條指令的過(guò)程中，由CPU完成的操作序列構(gòu)成一個(gè)指令周期2.微操作：CPU的基本或原子操作。5設(shè)計(jì)控制器的兩種通用方法：硬布線(xiàn)設(shè)計(jì)法，微程序控制設(shè)計(jì)法（微碼控制）微程序控制器與硬布線(xiàn)控制器的比較：微程序的控制功能是在存放微程序存儲(chǔ)器當(dāng)前正在執(zhí)行的微指令的寄存器直接控制下實(shí)現(xiàn)的，而硬布線(xiàn)控制器的控制功能則由邏輯門(mén)組合實(shí)現(xiàn)。5CPI是指每條指令執(zhí)行時(shí)間的周期數(shù)。5提高CPU的策略：采用更先進(jìn)的硅加工制造技術(shù)；縮短指令執(zhí)行路徑的長(zhǎng)度；簡(jiǎn)化組織結(jié)構(gòu)來(lái)縮短時(shí)鐘周期；采用并行處理技術(shù)。5CPU中的新技術(shù)有：多核技術(shù)、多線(xiàn)程技術(shù)、多核+多線(xiàn)程技術(shù)。&流水線(xiàn)是增加處理器吞吐量、提高處理器工作速度的一種常用的有效的技術(shù)。8.流水技術(shù)：若將一重復(fù)的處理過(guò)程分解為若干子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程都可在專(zhuān)用設(shè)備構(gòu)成的流水線(xiàn)功能段上實(shí)現(xiàn)，并可與其他子過(guò)程同時(shí)進(jìn)行的技術(shù)。流水線(xiàn)的特點(diǎn)：流水過(guò)程由多個(gè)相聯(lián)系的子過(guò)程組成，每個(gè)字過(guò)程由專(zhuān)用的功能設(shè)備實(shí)現(xiàn)。流水線(xiàn)需要有“通過(guò)時(shí)間”，也稱(chēng)裝入時(shí)間，在此之后流水線(xiàn)才進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，每一個(gè)時(shí)鐘周期節(jié)拍）流出一個(gè)結(jié)果。流水線(xiàn)不能縮短單個(gè)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間，但可以提高吞吐量。流水線(xiàn)速度受限于最慢流水線(xiàn)斷的運(yùn)行速度，所以，各個(gè)功能段所需要時(shí)間應(yīng)盡量相等（典型為一個(gè)時(shí)鐘周期），否則，時(shí)間長(zhǎng)的功能段將成為流水線(xiàn)的瓶頸，造成流水線(xiàn)的阻塞、斷流或停頓。流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的處理過(guò)程，只有流水線(xiàn)的輸入能連續(xù)地提供任務(wù)，流水線(xiàn)的效率才能充分發(fā)揮。流水線(xiàn)的多個(gè)任務(wù)是并發(fā)的。根據(jù)流水線(xiàn)時(shí)是否有反饋回路劃分，流水線(xiàn)可以分為線(xiàn)性流水線(xiàn)和非線(xiàn)性流水線(xiàn)。6.指令處理的步驟：指令獲取、操作數(shù)加載、執(zhí)行指令、寫(xiě)操作數(shù)。3深度指令流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)是指將指令的執(zhí)行過(guò)程進(jìn)一步細(xì)化，使處理器執(zhí)行指令的速度更快，效率更高。6.Pentium撕勾具有RISC內(nèi)核，CISC外殼。6緩沖器條目由狀態(tài)、存儲(chǔ)器地址、微操作、重命名寄存器四個(gè)域組成。6內(nèi)存編址方式中i/0編址方式的區(qū)別：統(tǒng)一編制存儲(chǔ)器映射方式）：內(nèi)存和外設(shè)的編址一起規(guī)劃，被外設(shè)用了的地