计算机组成与系统结构

计算机组成与系统结构1冯诺依曼计算机设计思想：依据存储程序，执行程序并实现控制。早期计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。3软件系统爆过两大部分：系统软件和应用软件。4.计算机的层次结构分为：微程序或逻辑硬件、机器语言、操作系统、汇编语言、高级语言、应用语言。5计算机系统结构、组成与实现之间的区别与联系：计算机结构：也称为计算机体系结构，是一个系统在其所处环境中最高层次的概念；是对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下的功能进行分配。计算机组成：也常译为计算机组织或成为计算机原理、计算机组成原理。在计算机系统结构确定了分配给硬件子系统的功能及其概念之后，计算机组成的任务是研究硬件子系统各部分的内部结构和相互联系，以实现机器指令级的各级功能和特性。计算机实现：指的是计算机组成的物理实现，主要研究个部件的物理结构，机器的制造技术和工艺等，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度、速度和信号。器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术。6Flynn分类法：按照计算机在执行程序时信息流的特征分为单指令单数据流计算机（SISD）单指令多数据流计算机（SIMD）、多指令单数据流计算机（MISD）、多指令多数据流计算机（MIMD）.劝口速比Sp=1/{（1-Fe）+Fe/Re},Fe为可改进比例，Re为部件加速比。8在计算机中有两种信息在流动，一种是控制流，即控制命令，由控制器产生并流向各个部件；另一种是数据流，它在计算机中被加工处理。9•摩尔定律得以延续的理由：集成电路芯片的集成度每18个月翻一番。10•冯诺依曼计算机的执行过程：将要处理的问题用指令编程成程序，并将程序存放在存储器中，在控制器的控制下，从存储器中逐条取出指令并执行，通过执行程序最终解决计算机所要处理的问题。11数据编码的好处：用更少的数据表示更多的信息。12.定点数：若约定小数点的位置固定不变，贝U成为定点数。定点数分为两种：定点整数（纯整数，小数点在最低有效数值位之后）和定点小数（纯小数，小数点最高有效数值位之前）。13孚点数：基数为2的数F的浮点表示为：F=M*2AE.其中M称为尾数，E称为阶码。尾数为带符号的纯小数，阶码为带符号的纯整数。14.补码：非负数整数的补码为其原码，负数整数的补码在原码基础上取反加1.151位补码表示的整数数值范围为-2A（n-1）~+（2A（n-1）-1），n位补码表示的小数数职的范围为-1~+（1-2A（-n+1））。16补码的特点：0的表示是唯一的。②变形码。③求补运算。简化加减法。⑤算术或逻辑左移。⑥算术右移。17反码：正整数反码与原码相同。负整数反码即原码取反。汉字编码分为三类：汉字输入编码、国际码和汉字内码以及汉字字模码汉字内码是汉子在设备或信息处理系统内部最基本的表达方式循环冗余校验码（CRC）可以发现并纠正信息在存储或传送过程中出现的错误。溢出的判定：双符号位判决法，两符号位是否一致，一致未溢出，反之溢出。存储器的功能：存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。23存储器的层次结构：①脱机光盘、磁带存储器②联机磁盘存储器③主存储器④Cache⑤COU内部通用寄存器24.存储器的分类：存储信息的介质在计算机中的用途存放信息的易失（挥发）性：RAM（易失）、磁盘存储器、半导体ROM（非易失）。存取方式：随机读写存储器RAM，顺序读写存储器。存储器的读写功能25其他存储器：多端口存储器、多体交叉存储器、相联存储器。26高速缓冲存储器的作用：为缓和存储器访问速度远低于CPU程序执行速度之间的矛盾。27地址映射和变换的三种方式：全相联，直接映射、组相联。替换算法有：随机替换算法（RAND）、先进先出算法（FIFO卜近期最少使用算法（LRU）、最不经常使用算法（LFU）、最优替换算法（OPT）。虚拟存储器的作用：使计算机具有海量存储器，以便支持多用户、多任务程序的开发。虚拟存储器的管理方式有：页式虚拟存储器、段式虚拟存储器、段页式虚拟存储器。3.记录面：磁盘中能够记录信息的磁介质表面。2.磁道：在磁盘旋转时，每一个记录面上都分布着若干由磁头画出的同心的闭合圆环。2扇区：为了便于存取信息，磁盘上的每个磁道又分为若干段，每一段称为一个扇区。2.掉电以后，ROM中的数据不会丢失。5指令系统：也称为指令集，指能被一台计算机执行的全部指令的集合。2设计、评价指令系统一般从以下几方面考虑：①完备性：常用指令齐全，编程方便。②周效性：程序占主存空间少，运行速度快。③规整性：指令和数据使用规则统一简单，易学易记。④兼容性：同一系列的抵挡计算机程序能在高档计算机上直接运行，即向后兼容。3主存的随机读写特性：对于主存的大部分空间，允许在任何时间对其中的任何存储单元进行读写操作，且读写时间相同。2.堆栈是一种数据项按迅排列的数据结构，只能在栈顶对数据项进行插入和删除操作。2.堆栈用于过程或子程序调用或返回、中断处理程序的进入和返回变长操作码：对不同类型的指令操作码用不固定长度的二进制数进行编码即为变长操作码编码方式，也称作扩展操作码编码方式。寻址方式：指令获取操作数的方式。寻址方式的分类：①隐含寻址②立即寻址③寄存器寻址④直接寻址⑤间接寻址⑥寄存器间接寻址⑦相对寻址⑧基址寻址⑨变址寻址⑩堆栈寻址43CISC:Complicatedinstructionsetcomputerarchitecture,复杂指令集计算机结构。44.RISC:Reducedinstructionsetcomputerarchitecture,精简指令集计算机结构。45早期CISC设计有如下特点：指令系统复杂，即指令多、寻址方式多、指令格式多；绝大多数指令执行需要多个时钟周期。有多种指令可以访问存储器。CPU控制器采用问程序控制方式实现。寄存器数量有限。4赋ISC结构计算机具有如下特点：之设置使用频率高的简单指令，所以指令的操作种类少，寻址方式少；指令格式股则，长度固定，便于简单统一的译码，可使控制器简化、硬件结构精简；今年通过Load和Store指令访问主存；通用存储器数量多，一般有几十甚至几百个，大多数操作在寄存器之间进在非流水线RISC中，单条指令可在单机器周期内完成；在流水线RISC中,对于大多数指令有CPI=1；采用硬布线控制器，不使用微代码（即微程序），有利于提高时钟频率和CPU速度，能更好的响应中断；可简化硬件设计，降低成本及便于超大规模集成电路实现。有利于多流水线、多核CPU实现；适宜高度优化编译器（即编译程序）；精简的指令使程序阅读、分析难度加大；不能同CISC兼容。47指令长度的确定方法：指令长度=操作码长度+第1段地址码长度+……+第i段地址码长度指令长度设计的一般原则是：短的操作码与多地址码字段配合，长的操作码与简单地址码组合。指令长度一般设计为总线宽度的两倍。指令长度为存储器最小可寻址单位的整数倍。①寄存器直接寻址：操作数在寄存器中的寻址方式。寄存器间接寻址：操作数地址在寄存器中的寻址方式。立即寻址：操作数在指令中的寻址方式。直接寻址：操作数地址在指令中的寻址方式。变址寻址：操作数的地址为某一寄存器内容与位移量之和的寻址方式。CPU主要是负责获取程序中的每条指令、译码所获取的指令、针对指令指定的数据完成指定顺序的操作，它是通过执行各种指令来完成不同的操作。执行周期：在执行一条指令的过程中，由CPU完成的操作序列构成一个指令周期2.微操作：CPU的基本或原子操作。5设计控制器的两种通用方法：硬布线设计法，微程序控制设计法（微码控制）微程序控制器与硬布线控制器的比较：微程序的控制功能是在存放微程序存储器当前正在执行的微指令的寄存器直接控制下实现的，而硬布线控制器的控制功能则由逻辑门组合实现。5CPI是指每条指令执行时间的周期数。5提高CPU的策略：采用更先进的硅加工制造技术；缩短指令执行路径的长度；简化组织结构来缩短时钟周期；采用并行处理技术。5CPU中的新技术有：多核技术、多线程技术、多核+多线程技术。&流水线是增加处理器吞吐量、提高处理器工作速度的一种常用的有效的技术。8.流水技术：若将一重复的处理过程分解为若干子过程，每个子过程都可在专用设备构成的流水线功能段上实现，并可与其他子过程同时进行的技术。流水线的特点：流水过程由多个相联系的子过程组成，每个字过程由专用的功能设备实现。流水线需要有“通过时间”，也称装入时间，在此之后流水线才进入稳定工作状态，每一个时钟周期节拍）流出一个结果。流水线不能缩短单个任务的响应时间，但可以提高吞吐量。流水线速度受限于最慢流水线断的运行速度，所以，各个功能段所需要时间应尽量相等（典型为一个时钟周期），否则，时间长的功能段将成为流水线的瓶颈，造成流水线的阻塞、断流或停顿。流水技术适合于大量重复的处理过程，只有流水线的输入能连续地提供任务，流水线的效率才能充分发挥。流水线的多个任务是并发的。根据流水线时是否有反馈回路划分，流水线可以分为线性流水线和非线性流水线。6.指令处理的步骤：指令获取、操作数加载、执行指令、写操作数。3深度指令流水线结构是指将指令的执行过程进一步细化，使处理器执行指令的速度更快，效率更高。6.Pentium撕勾具有RISC内核，CISC外壳。6缓冲器条目由状态、存储器地址、微操作、重命名寄存器四个域组成。6内存编址方式中i/0编址方式的区别：统一编制存储器映射方式）：内存和外设的编址一起规划，被外设用了的地