组成原理复习

计算机组成原理复习 2014 08 27

计算机体系结构：能够被程序员所见到的计算机系统的属性。
指令集 数据类型 存储器寻址技术 IO
计算机组成：实现计算机体系结构所表现的属性。
如何取指令 分析指令 取操作数 运算 送结果


冯诺伊曼计算机特点：（存储程序）
1. 由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备
2. 指令和数据以同等地位存放于存储器中
3. 指令和数据均为二进制
4. 指令由操作码和地址码组成，操作码表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中位置。
5. 指令在存储器中顺序存放。
6. 机器以运算器为中心。


典型的冯诺依曼以运算器为核心。
现代的计算机以存储器为核心。
CPU：运算器和控制器
主机：CPU与主存储器
IO设备为外部设备。
算数逻辑单元（ALU）：完成算数逻辑运算
控制单元(CU):用来解释存储器中的命令
MAR(存储器地址寄存器)：存放欲访问的存储单元的地址
MDR（存储器数据寄存器）：存放从存储单元取出来的代码或准备往存储单元存入的代码。


运算器：
至少三个寄存器：
算数逻辑寄存器（ALU）
累加器（ACC）
乘商寄存器（MQ）


控制器：
程序计数器（PC）当前欲执行的指令地址 具有自动加1的功能
指令寄存器（IR） 存放当前的指令
控制单元（CU）  IR中的操作码送至CU分析指令
IR中的地址码送至MAR




运算速度：
MIPS（百万条指令每秒）
CPI（执行一条指令的时钟周期）
FLOPS（浮点运算次数每秒）


处理器与主存之间的接口是整个计算机最重要的通路。
加宽数据总线的宽度
主存和处理器间设置高速缓存存储器(Cache)
并发展为片内Cache 和 片外 Cache
不断平衡 处理器、主存、IO、互联结构之间的数据吞吐量


处理器和存储器集中在一个芯片上。




系统总线
总线：在某一时刻只允许一个部件向总线发送消息，多个部件可以同时从总线上接收相同的消息。


总线的分类：
1. 片内总线：芯片内部的总线
2. 系统总线
数据总线：双向传输的通道
地址总线：单向
控制总线：单向，使各个部件在不同时间占有总线使用全


通信总线：
串行通信：适用于远距离传输
并行通信：通常距离小于30m


总线的特性：
机械特性
电气热性
功能特性
时间特性




总线的性能指标：
总线宽度：8bit 16 bit
总线带宽： 传输速率，单位时间传输的数据位数
时钟同步/异步
总线复用
信号线数：地址 信号 控制 三种线数的总和
总线控制方式：突发工作 自动配置 仲裁方式 技术方式
其他指标：


总线：ISA  PCI   EISA  AGA  RS-232


总线结构：
1. 单总线结构：将CPU 主存 IO 都挂在一组总线上 共享总线易形成计算机系统瓶颈，不允许同时使用
2. 多总线结构：
通道对IO设备具有管理能力。
DMA总线用于高速IO设备与主存间直接交换信息。


总线判优控制：
集中式：
1． 链式查询，从一个IO到另一个IO设备的查询。
只需几根线就能按照一定的优先顺序，实现总线控制，易于扩充设备。
2.计数器定时查询 
增加了地址线
3.独立请求方式
每个设备均有总线请求BR 和 总线同意 BG。
控制线多，控制复杂。


同步通信和异步通信：
异步通信分为不互锁、半互锁、全互锁三种类型。
半同步通信：
分离式通信：消除了总线的无意义的等待。


存储器
缓存-主存 解决了速度问题。
主存-辅存 解决了容量的问题。


半导体芯片的译码驱动方式：
线选法：使用1根字选择线
重合法：使用两根线


随机存储器：
静态RAM和动态RAM两种
静态RAM使用触发器，不需要刷新。
动态RAM 电容存电荷的存储信息，电荷只能维持1-2ms，必须在该事件内对






所有存储单元再恢复一次原状态。


刷新方式：
集中刷新：在规定时间时，对全部存储单元进行一次刷新。存在死时间问题。
分散刷新：对每行的刷新分散到每个存储周期内完成。存取周期：前半段用来读写存储信息，后半段用来刷新。不存在死时间，但存取时间变长了，系统的速度变低了。
异步刷新： 每行停止一个存储周期进行刷新。


只读存储器（ROM）
存储器与CPU的连接
（1）位扩展
（2）字扩展


高速缓存存储器（Cache）
CPU在执行任务时，访存具有相对的局部性
主存和缓存都分为若干块，每块中含有若干字。
Cache的效率用命中率表示。


Cache主要包含：存储体，地址变换结构，替换结构
改进：
单一缓存和多级缓存：片内cache和片外cache
统一缓存和分立缓存：指令cache和数据cache


cache主存地址映射
1.直接映射：每个主存块只与一个缓存块相对应。
2.全相连映射：允许主存中的每一个字符映射到cache中的任何一个位置上。
可以从一个被占满的cache中替换出任一个旧字块。
3.组相连映射
将主存中块按照模Q映射到缓存的i组内。


替换策略：
1.先进先出
2.最近最少使用
3.随机法




程序查询
程序中断
DMA


溢出判断：
一位的判断
两位的判断


计算机的乘法：
BOOTH算法


计算机除法：
加减交替法
补码除法


指令系统
操作码   地址码


操作类型：
数据传送
算数逻辑操作
移位
转移
调用与返回
陷阱与陷阱指令
输入输出
其他


指令的寻址：
分为指令寻址和数据寻址两类。
指令寻址：
1.顺序寻址：通过PC自动加1
2.跳跃寻址：通过转移指令实现


数据寻址方式较多：设置一个字段指明属于何种寻址方式。
指令的地址码地段地段通常不代表操作数真实的地址，成为形式地址记做A。
  操作码+寻址特征+形式地址A
1.立即寻址：形式地址A不是操作数地址而是操作数本身，成为立即数
2.直接映射：形式地址A便是操作数的真实地址
3.隐含寻址：操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中
4.间接寻址：形式地址指出操作数的有效地址所在的存储空间
5.寄存器寻址：给出寄存器编号
6.寄存器间接寻址：寄存器给出了操作数在形式地址中的地址
7.基址寻址：需要基址寄存器BR，操作数的有效地址EA等于指令中的形式地址与基址的和
8.变址寻址：有效地址为形式地址和寄存器中的内容和。
9.相对寻址：PC内容与指令中的形式地址A相加。


CPU
CPU的功能：取指令 分析指令 执行指令 
中断服务程序入口地址的寻找：
1.硬件向量法
2.软件向量法


中断类型号×4=存放中断向量的首地址


多重中断：又称为中断嵌套