計算機組成與系統(tǒng)結構

計算機組成與系統(tǒng)結構1馮諾依曼計算機設計思想：依據(jù)存儲程序，執(zhí)行程序并實現(xiàn)控制。早期計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成。3軟件系統(tǒng)爆過兩大部分：系統(tǒng)軟件和應用軟件。4.計算機的層次結構分為：微程序或邏輯硬件、機器語言、操作系統(tǒng)、匯編語言、高級語言、應用語言。5計算機系統(tǒng)結構、組成與實現(xiàn)之間的區(qū)別與聯(lián)系：計算機結構：也稱為計算機體系結構，是一個系統(tǒng)在其所處環(huán)境中最高層次的概念；是對計算機系統(tǒng)中各機器級之間界面的劃分和定義，以及對各級界面上、下的功能進行分配。計算機組成：也常譯為計算機組織或成為計算機原理、計算機組成原理。在計算機系統(tǒng)結構確定了分配給硬件子系統(tǒng)的功能及其概念之后，計算機組成的任務是研究硬件子系統(tǒng)各部分的內部結構和相互聯(lián)系，以實現(xiàn)機器指令級的各級功能和特性。計算機實現(xiàn)：指的是計算機組成的物理實現(xiàn)，主要研究個部件的物理結構，機器的制造技術和工藝等，包括處理機、主存等部件的物理結構，器件的集成度、速度和信號。器件、模塊、插件、底板的劃分與連接，專用器件的設計，電源、冷卻、裝配等技術。6Flynn分類法：按照計算機在執(zhí)行程序時信息流的特征分為單指令單數(shù)據(jù)流計算機（SISD）單指令多數(shù)據(jù)流計算機（SIMD）、多指令單數(shù)據(jù)流計算機（MISD）、多指令多數(shù)據(jù)流計算機（MIMD）.勸口速比Sp=1/{（1-Fe）+Fe/Re},Fe為可改進比例，Re為部件加速比。8在計算機中有兩種信息在流動，一種是控制流，即控制命令，由控制器產生并流向各個部件；另一種是數(shù)據(jù)流，它在計算機中被加工處理。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個月翻一番。10?馮諾依曼計算機的執(zhí)行過程：將要處理的問題用指令編程成程序，并將程序存放在存儲器中，在控制器的控制下，從存儲器中逐條取出指令并執(zhí)行，通過執(zhí)行程序最終解決計算機所要處理的問題。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.定點數(shù)：若約定小數(shù)點的位置固定不變，貝U成為定點數(shù)。定點數(shù)分為兩種：定點整數(shù)（純整數(shù)，小數(shù)點在最低有效數(shù)值位之后）和定點小數(shù)（純小數(shù)，小數(shù)點最高有效數(shù)值位之前）。13孚點數(shù)：基數(shù)為2的數(shù)F的浮點表示為：F=M*2AE.其中M稱為尾數(shù)，E稱為階碼。尾數(shù)為帶符號的純小數(shù)，階碼為帶符號的純整數(shù)。14.補碼：非負數(shù)整數(shù)的補碼為其原碼，負數(shù)整數(shù)的補碼在原碼基礎上取反加1.151位補碼表示的整數(shù)數(shù)值范圍為-2A（n-1）~+（2A（n-1）-1），n位補碼表示的小數(shù)數(shù)職的范圍為-1~+（1-2A（-n+1））。16補碼的特點：0的表示是唯一的。②變形碼。③求補運算。簡化加減法。⑤算術或邏輯左移。⑥算術右移。17反碼：正整數(shù)反碼與原碼相同。負整數(shù)反碼即原碼取反。漢字編碼分為三類：漢字輸入編碼、國際碼和漢字內碼以及漢字字模碼漢字內碼是漢子在設備或信息處理系統(tǒng)內部最基本的表達方式循環(huán)冗余校驗碼（CRC）可以發(fā)現(xiàn)并糾正信息在存儲或傳送過程中出現(xiàn)的錯誤。溢出的判定：雙符號位判決法，兩符號位是否一致，一致未溢出，反之溢出。存儲器的功能：存儲程序和各種數(shù)據(jù)，并能在計算機運行過程中高速、自動地完成程序或數(shù)據(jù)的存取。23存儲器的層次結構：①脫機光盤、磁帶存儲器②聯(lián)機磁盤存儲器③主存儲器④Cache⑤COU內部通用寄存器24.存儲器的分類：存儲信息的介質在計算機中的用途存放信息的易失（揮發(fā)）性：RAM（易失）、磁盤存儲器、半導體ROM（非易失）。存取方式：隨機讀寫存儲器RAM，順序讀寫存儲器。存儲器的讀寫功能25其他存儲器：多端口存儲器、多體交叉存儲器、相聯(lián)存儲器。26高速緩沖存儲器的作用：為緩和存儲器訪問速度遠低于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：隨機替換算法（RAND）、先進先出算法（FIFO卜近期最少使用算法（LRU）、最不經常使用算法（LFU）、最優(yōu)替換算法（OPT）。虛擬存儲器的作用：使計算機具有海量存儲器，以便支持多用戶、多任務程序的開發(fā)。虛擬存儲器的管理方式有：頁式虛擬存儲器、段式虛擬存儲器、段頁式虛擬存儲器。3.記錄面：磁盤中能夠記錄信息的磁介質表面。2.磁道：在磁盤旋轉時，每一個記錄面上都分布著若干由磁頭畫出的同心的閉合圓環(huán)。2扇區(qū)：為了便于存取信息，磁盤上的每個磁道又分為若干段，每一段稱為一個扇區(qū)。2.掉電以后，ROM中的數(shù)據(jù)不會丟失。5指令系統(tǒng)：也稱為指令集，指能被一臺計算機執(zhí)行的全部指令的集合。2設計、評價指令系統(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)一簡單，易學易記。④兼容性：同一系列的抵擋計算機程序能在高檔計算機上直接運行，即向后兼容。3主存的隨機讀寫特性：對于主存的大部分空間，允許在任何時間對其中的任何存儲單元進行讀寫操作，且讀寫時間相同。2.堆棧是一種數(shù)據(jù)項按迅排列的數(shù)據(jù)結構，只能在棧頂對數(shù)據(jù)項進行插入和刪除操作。2.堆棧用于過程或子程序調用或返回、中斷處理程序的進入和返回變長操作碼：對不同類型的指令操作碼用不固定長度的二進制數(shù)進行編碼即為變長操作碼編碼方式，也稱作擴展操作碼編碼方式。尋址方式：指令獲取操作數(shù)的方式。尋址方式的分類：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相對尋址⑧基址尋址⑨變址尋址⑩堆棧尋址43CISC:Complicatedinstructionsetcomputerarchitecture,復雜指令集計算機結構。44.RISC:Reducedinstructionsetcomputerarchitecture,精簡指令集計算機結構。45早期CISC設計有如下特點：指令系統(tǒng)復雜，即指令多、尋址方式多、指令格式多；絕大多數(shù)指令執(zhí)行需要多個時鐘周期。有多種指令可以訪問存儲器。CPU控制器采用問程序控制方式實現(xiàn)。寄存器數(shù)量有限。4賦ISC結構計算機具有如下特點：之設置使用頻率高的簡單指令，所以指令的操作種類少，尋址方式少；指令格式股則，長度固定，便于簡單統(tǒng)一的譯碼，可使控制器簡化、硬件結構精簡；今年通過Load和Store指令訪問主存；通用存儲器數(shù)量多，一般有幾十甚至幾百個，大多數(shù)操作在寄存器之間進在非流水線RISC中，單條指令可在單機器周期內完成；在流水線RISC中,對于大多數(shù)指令有CPI=1；采用硬布線控制器，不使用微代碼（即微程序），有利于提高時鐘頻率和CPU速度，能更好的響應中斷；可簡化硬件設計，降低成本及便于超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)。有利于多流水線、多核CPU實現(xiàn)；適宜高度優(yōu)化編譯器（即編譯程序）；精簡的指令使程序閱讀、分析難度加大；不能同CISC兼容。47指令長度的確定方法：指令長度=操作碼長度+第1段地址碼長度+……+第i段地址碼長度指令長度設計的一般原則是：短的操作碼與多地址碼字段配合，長的操作碼與簡單地址碼組合。指令長度一般設計為總線寬度的兩倍。指令長度為存儲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容與位移量之和的尋址方式。CPU主要是負責獲取程序中的每條指令、譯碼所獲取的指令、針對指令指定的數(shù)據(jù)完成指定順序的操作，它是通過執(zhí)行各種指令來完成不同的操作。執(zhí)行周期：在執(zhí)行一條指令的過程中，由CPU完成的操作序列構成一個指令周期2.微操作：CPU的基本或原子操作。5設計控制器的兩種通用方法：硬布線設計法，微程序控制設計法（微碼控制）微程序控制器與硬布線控制器的比較：微程序的控制功能是在存放微程序存儲器當前正在執(zhí)行的微指令的寄存器直接控制下實現(xiàn)的，而硬布線控制器的控制功能則由邏輯門組合實現(xiàn)。5CPI是指每條指令執(zhí)行時間的周期數(shù)。5提高CPU的策略：采用更先進的硅加工制造技術；縮短指令執(zhí)行路徑的長度；簡化組織結構來縮短時鐘周期；采用并行處理技術。5CPU中的新技術有：多核技術、多線程技術、多核+多線程技術。&流水線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。8.流水技術：若將一重復的處理過程分解為若干子過程，每個子過程都可在專用設備構成的流水線功能段上實現(xiàn)，并可與其他子過程同時進行的技術。流水線的特點：流水過程由多個相聯(lián)系的子過程組成，每個字過程由專用的功能設備實現(xiàn)。流水線需要有“通過時間”，也稱裝入時間，在此之后流水線才進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，每一個時鐘周期節(jié)拍）流出一個結果。流水線不能縮短單個任務的響應時間，但可以提高吞吐量。流水線速度受限于最慢流水線斷的運行速度，所以，各個功能段所需要時間應盡量相等（典型為一個時鐘周期），否則，時間長的功能段將成為流水線的瓶頸，造成流水線的阻塞、斷流或停頓。流水技術適合于大量重復的處理過程，只有流水線的輸入能連續(xù)地提供任務，流水線的效率才能充分發(fā)揮。流水線的多個任務是并發(fā)的。根據(jù)流水線時是否有反饋回路劃分，流水線可以分為線性流水線和非線性流水線。6.指令處理的步驟：指令獲取、操作數(shù)加載、執(zhí)行指令、寫操作數(shù)。3深度指令流水線結構是指將指令的執(zhí)行過程進一步細化，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內核，CISC外殼。6緩沖器條目由狀態(tài)、存儲器地址、微操作、重命名寄存器四個域組成。6內存編址方式中i/0編址方式的區(qū)別：統(tǒng)一編制存儲器映射方式）：內存和外設的編址一起規(guī)劃，被外設用了的地