计算机组成原理(重邮2012).docx

第一章1.计算机体系结构：是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术和I/O处理机等。2.计算机组成：指如何实现计算机体系结构所体现的属性。3.Amdahl定律：指出加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。系统加速比=系统性能（改前）/系性（改后）=总执行时间（前）/总（后）总执行时间（后）=总（前）*(1-可改进比例)+可改进比例/部件加速比可改进比例1（改前需花时间/该进所花）第二章算术移位：正数都补0，原码0，补码左0，右1，反码1正上溢大2的127；正下溢小2的-126；负下溢大-2的-126；负上溢小-1.1.1*2的127第三章ROM只读存储器；RAM随即存取储存器；SRAM静态随机存储器；DRAM动态。PLD可编程逻辑器件：主要包括PLA可编程逻辑阵列，PAL可编程阵列逻辑，CPLD复杂可编程逻辑器件，FPGA现场可编程门逻辑阵列。PROM可编程只读存储器；EPROM可擦除可编程只读存储器；FlashM快闪存储器。FPGA只要组成：CLB可配置逻辑块；IOB可编程输入输出块；PI可编程内部连线；重构逻辑的程序存储器。第四章总线的分类：按用途：片内总线、系统总线和通信总线。 片内总线：指芯片内部的总线系统总线：常指微机总线，是微型计算机系统中个插件之间信息传输的通路。分类：按传输的信号：地址、数据、控制。地址总线：是从CPU到存储器的，单向传输总线；位数与存储单元的个数有关。数据总线：用来传输各个功能部件之间的数据信息，双向传输总线；位数与及其字长有关。控制总线：用于数据总线和地址总线是公共的信息通道，所以总得主要作用是协调计算机系统的各个部件完成对数据总线和地址总线的访问。发出的信息主要包括命令信息和定时信息。总线特性：机械特性；电气特性；功能特性；时间特性。第五章 存储器的层次结构存储器的三个特性：速度、容量和价格存储层次：1.主、辅两级层次：解决主存存储容量不够大的问题。虚拟存储器属于该层。主要软件实现。2.Cache、主存两级层次：Cache称为高速缓冲存储器，容量小但速度极快。3.Cache、主存、辅存三级层次：既解决了主存存储容量不够大问题，也解决了主存速度慢。4.多级存储层次：为进一步提高系统速度，可在CPU内部增加与起完全匹配的Cache。主存储器的技术指标：容量、速度和价格1.存储容量：(1)字节：为了存储字符ASCII，把8位二进制定义为一个字节。(2)字长：计算机一次可以处理的二进制信息的位数。通常为8的倍数。等于数据总线宽度或者CPU内部寄存器的宽度。(3)存储空间：计算机可以直接寻址的空间大小，由CPU的地址总线宽度和寻址单选长度决定。2.存储速度(1)存取时间：存储器的访问时间，指启动一次存储器操作到完成该操作所需的时间。(2)存取周期：指存储器进行连续两次独立的存储器操作所需的最小间隔时间。大于存时。(3)存储器宽带：每秒从存储器进行信息的最大数量。提高宽带可采用：缩短存取周期；增加存储字长；增加存储体。存储容量的扩展：字扩展和位扩展；1.位扩展：位数不足时，将多篇存储芯片的地址段、片选段和读写控制端各自并联在一起，数据端分别引出，练到存储器不同位的数据总线上。2.字扩展：当芯片字长与系统字长相同而容量不足时。将各芯片的地址线并联在一起，与CPU的低位地址连接，各芯片的数据线、读写分别并联在一起，与CPU的数据和读写控制线连接。辅助存储器的种类：磁表面存储器和光表面存储器。磁盘阵列存储器：RAID廉价冗余磁盘阵列（独立冗余）是多台磁盘存储器组成的大容量外存储子系统。基础是数据分块技术，在多个磁盘上交错存放数据，使之可并行存取。特点：(1)RAID是一组物理磁盘驱动器(2)数据分布在一组物理磁盘上(3)冗余的磁盘容量用于存储校验信息。RAID0(Spripe)：最高存储性能。原理是把连续的数据分散到多个磁盘上存取。缺点：不提供数据冗余。Cache工作原理：地址映射：1. 直接映射每个主存块只能映射到Cache中的一个指定位置，这种映射方式称为直接映射。优点：实现简单。缺点：不够灵活。2. 全相联映射允许主存中的每一个字映射到Cache存储器的任何一个字块位置上，也允许从刚确实已被占满的Cache存储器中替换出任何一个旧字块。优点：块冲突的概率低，Cache的利用率高。缺点：控制复杂，实现困难，查找速度慢。3. 组相联映射存储空间分为若干组，组内各块之间是全相联映射。优点：判断块命中以及替换算法上比全相联映射简单，块冲突的概率比直接映射方法的低，命中率介于两者之间。Cache性能分析：命中率：h=Nc/(Nc+Nm)Nc:Cache完成存取的总次数，Nm表示主存完成存取的总次数，h为命中率平均访问时间ta=h*tc+(1-h)*tmtc:命中时的Cache访问时间，tm:未命中时的主存访问时间，1-h表示未命中率虚拟存储器：段式管理：以程序的逻辑结构所形成的段作为分配单位的虚拟存储器管理方式的存储器。页式管理：将虚存空间和主存空间都机械地分成大小固定的页，分别称为虚页和实页。段页式管理：将段式管理和页式管理相结合，主存机械地等分成固定大小的页。程序按模块分段，每段又分成与主存页面大小相同的页。第六章：I/O接口：将外设连接到总线上的一组逻辑电路的总称，也称为外设接口。I/O接口要解决的问题：1， 速度匹配问题2， 信号电平和驱动能力问题3， 信号形式匹配问题4， 信息格式问题5， 时序匹配问题I/O接口的功能：1） I/O地址译码与设备选择。2） 信息的输入输出3） 命令，数据和状态的缓冲与锁存4） 信息转换5） 实现控制逻辑I/O接口的编址方式：1， I/O端口与内存单元统一编址：又称为存储器映射编址方式，即把每个I/O端口都当做一个存储单元看待，I/O端口与存储器单元在同一个地址空间中进行编址。优点：可以用访问内存的指令来访问I/O端口；缺点：外设占用地址空间。2， I/O端口独立编址：内存地址空间和外设地址空间是相互独立的。第七章：CPU包含两个部件：算术逻辑单元ALU和控制器CUCPU的运行过程：1）取指令 2）分析指令 3）执行指令CPU的基本功能：指令控制；操作控制；时序控制；处理数据；中断处理和异常处理；存储管理；总线管理；电源管理。系统级寄存器：存储器地址寄存器，存储器数据寄存器，程序计数器，指令寄存器数据通路及其基本要素：计算机运行的主要任务就是建立数据通路，控制数据在计算机的各个部件之间有序地流动。CPU通过发布各种控制信号建立各种数据通道，达到完成不同指令操作的目的。要素：存储器 寄存器组 PC ALU第八章：指令的一般书写格式：操作码字段+地址码字段1， 操作码：指令字长：16位，其中4位为基本操作码，对应的指令有3个4位长的地址码。2， 地址码：用来指出该指令的源操作数的地址、目的操作数的地址和下条指令的地址。数据在存储器中的存放方式：数据在存储器中存储时有大端和小端两种方式。在大端顺序中，数据的高字节部分存放在低地址单元，而字符则按照字符的顺序从低到高进行存放。而小端顺序中，仅在数据存放部分有明显的不同，其数据的高字节部分存放在高地址单元。寻址方式：指确定本条指令的数据地址，以及下条将要执行的指令地址的方法，它与硬件结构紧密相关，而且也直接影响指令格式和指令功能。立即数寻址：操作数本身就在指令字中，数据一般采用补码形式存放。优点：只要取出指令，就能获得操作数进行运算。缺点：操作数的位数限制了能够表示的立即数的范围。寄存器寻址：1， 寄存器直接寻址：在指令字中，地址码字段指出了寄存器的编码，即EA=Ri特点：执行时间短，能减少指令字长，使用广泛2， 寄存器间接寻址：寄存器中存放的是数据D的有效地址，需要进行二次寻址才能得到有效的操作数。特点：增加了程序设计的灵活性，比存储器间接寻址方式减少了访存次数。存储器寻址：1， 存储器直接寻址：在指令字中，地址码字段指出了操作数的存储地址，即EA=A。优点：寻找操作数比较简单，不需要专门计算操作数的地址，在指令执行阶段对主存只访问一次。缺点：A的位数限制了指令的寻址范围。2， 存储器间接寻址：在指令字中，EA=A，存储器中存放的是数据D的有效地址，需要进行二次寻址才能得到有效的操作数。寄存器和存储器混合寻址：1， 基址寻址：需设有基址寄存器Rb，可用某个通用寄存器来代替，数据存放地址EA需要通过ALU计算得到，EA=Rb+A。2， 变址寻址：EA=A+Ri，主要用于程序和数据分配存储空间。3， 基址加变址寻址：EA=A+Rb+Ri表达式的两种表示方法：中缀表达式：例x+y 后缀表达式：xy+ 相互转换P181复杂指令系统计算机：CISC精简指令系统计算机：RISC与CISC相比，RISC机的主要优点可归纳如下：1， 充分利用VLSL芯片的面积2， 提高计算机运算速度3， 便于设计，可降低成本，提高可靠性4， 有效支持高级语言程序在确定指令格式时，一般需要考虑从以下几方面进行考虑：1） 寻址方式的种类2） 操作数的个数3） 寄存器和存储器的比较4） 寄存器组的个数5） 寻址范围6） 寻址粒度SPARC的指令集中，只有简单的取数LOAD和存数STORE指令需要访问存储器。第九章：控制器的两项基本任务（功能）：排序：根据被执行程序的指令逻辑，产生引起微操作的控制信号，引导处理器以正确的次序来执行微操作执行：控制器产生的控制信号引起逻辑门的打开和关闭，从而正确地建立数据通道和控制ALU和各个部件的协同操作微操作命令分析：指令的执行过程包括取址、间址、执行和中断4个子周期。微指令：水平型微指令、垂直型微指令88第十章：1、 流水线技术：1， 流水线工作原理：把一个复杂的过程分解成若干个子过程，每个子过程可以与其他子过程同时进行。2， 流水线的性能指标：a) 吞吐率：P=n/Tk，n为任务数，Tk是处理完成任务所用的时间b) 加速比：S=T0/Tk，T0表示不使用流水线，Tk表示使用时的执行时间c) 效率：E=S/k，S为实际加速比，k为最大加速比3， 流水线的相关问题：a) 控制相关b) 数据相关c) 结构相关4， UMA对称多处理器系统的主要特点：a) 物理存储器被所有结点均匀共享，内存地址单元统一编址b) 所有的结点访问任意存储单元的时间是相同的c) 在系统中该村在单一的操作系统映像d) 简便的应用程序编程模式，易于管理5， UMA的分类：a) 基于总线的UMA多处理器结构b) 使用交叉开关的