计算机组成原理【考研使用】
2023-03-10 15:24:16 0 举报AI智能生成
408-计组
作者其他创作
大纲/内容
输入/输出系统
I/O概念
I/O系统
I/O硬件
I\O设备
输入设备
键盘
鼠标
输出设备
显示器
VRAM
打印机
外存储器[存储器讲过]
磁盘存储器
磁盘阵列
光盘存储器
SSD（固态硬盘）
I/O接口
I/O总线
I/O软件
I/O接口（I/O控制器，设备控制器
负责调节主机与外部设备之间的数据传输
CPU和I/O设备之间的连接部件
CPU和I/O设备之间的连接部件
图解
I\O总线的数据线传输包括：接口中的命令字、状态字、中断类型号
I/O控制方式
程序查询方式
图解
程序中断方式
图解
中断系统
工作流程
中断请求
分类
内中断、外中断
中断请求触发器INTR
中断响应
条件
中断判优
软件：查询程序
硬件：排队器
优先级
中断向量
中断向量地址
中断向量表所在的内存地址
中断向量
中断服务程序入口地址
中断处理
中断隐指令
中断服务程序
单重中断、多重中断
中断服务程序具体步骤
中断屏蔽技术
条件
不可屏蔽中断
掉电
屏蔽字
程序执行轨迹
单重中断、多重中断区别
2019-821-9-单级中断
DMA方式
图解
每传送完一个字，发送中断请求
一整块结束之后，才发送DMA中断
一整块结束之后，才发送DMA中断
DMA控制器
DMA传送过程
408-2019-22
使用主存的三种方式
NUDT2014-简答\NUDT 2012-选
特点
通道
外围处理机
DMA与中断区分
2019-821-简答（书香一种先辈）
总线
概述
定义
一组为多部件分时共享的公共信息的传送路线
特性
机械特性
尺寸、形状
电气特性
传输方向、电平有效范围
功能特性
数据、地址、控制信号
时间特性
信号和时序的关系
分类
按数据传输格式
串行
并行
功能
时序控制方式
同步
异步
总线结构
单总线结构
双总线结构
三总线结构
补充结构
补充
桥接器
在四总线结构中应用
性能指标
总线事务、定时
总线事务
总线仲裁
解决多个设备争用总线问题
仲裁方式
集中仲裁
分布仲裁
总线操作、定时
占用总线的一对设备如何进行数据传输
总线传输四个阶段
定时
总线定时实质上是总线上的事件之间协同工作的方法，包括同步和异步两种方式（NUDT)[2013]
同步
异步
半同步
分离式
总线标准
易于实现系统的模块化设计
标准
中央处理器（5
CPU功能、基本结构
标志寄存器FR即程序状态寄存器PSW
指令执行过程
若为三个阶段：取指、译码、执行
数据通路功能、基本结构
功能
数据在各个功能部件传送的路径
基本结构
类似：水管（数据流经的路径）与阀门（控制信号控制开关）+容器（寄存器）
控制器功能、工作原理
硬布线控制器
设计步骤
分析每个阶段微操作序列
安排微操作时序
原则
特点
微程序控制器
结构、工作原理、概念
NUDT；Wilkes模型
微指令的设计
最短字长编码：log 2 N向上取整
微指令格式
垂直型微指令-设置微操作码字段-NUDT2016-选11
水平型微指令：面向处理器内部控制逻辑的描述
垂直型微指令：面向算法的描述
水平型微指令：面向处理器内部控制逻辑的描述
垂直型微指令：面向算法的描述
水平型
字段直接编码
NUDT 2013 填空
字段间接编码
最短编码
直接编码
最短编码
直接编码
微程序控制单元设计步骤
微程序设计分类
比较
指令流水线
基本概念
指令执行有不同阶段，占用不同资源，使多条指令同时执行
表示方法
指令流程图
分析影响流水线的因素
时空图
分析流水线的性能
五段式指令流水线
性能指标
吞吐率（TP
加速比（S
效率（E
影响因素（数据，结构，控制冒险）
数据冒险
前一条指令未写入，后一条指令写入
前一个WB写回，后一个ID段读，需要在上一个WB之后再读（相差3条指令就不会发生数据冒险）
除了load-use指令，所有的数据冒险都可以通过定向来解决
采用转发技术可以消除数据冒险
控制冒险
转移类指令改变（PC的值）指令执行顺序
会改变PC值的
无条件转移
包括call，ret
EX阶段，确定下一条PC的值
在上一条EX段的后一个段取指（停两个周期）
条件转移
条件满足的话
M阶段，目标值写回PC
停三个周期，再取指
条件不满足，不会发生控制冒险
分类
多发技术
超标量流水线技术
NUDT 2013-9
超流水线技术
超长指令字技术
多处理器
硬件多线程
概述
硬件组成
透明部件（看不到的，不能修改的）
硬件
计算机层次结构
性能指标
数据表示与运算（6
数制、编码
进位计数制
真值、机器数
编码表示
无符号整数
定点数
带符号整数（定点整数，原码，反码，补码转换
移码
补码的基础上符号位取反
定点小数
无移码
移码常用表示浮点数的阶码，（补码基础上，符号位取反）
错题
运算方法、电路
算术逻辑单元（ALU
一位全加器
FA（full adder
无符号整数和补码加减运算可以使用同一套电路
补码加法器，标志位生成
标志位生成
NUDT 2014，填空；无符号只看CF和ZF
定点数移位运算
逻辑移位
应用
RGB，申请3B空间，逻辑左移
NUDT教材
原码、补码一位乘法
定点数除法
原码除法
恢复余数法
不恢复余数法（加减交替除法
符号位通过异或确定
补码除法
例
商修正
恢复余数
C语言强制转换类型
C语言定点整数用补码存储
类型对应存储
char
1B
short
2B
int、float、long
4B
double
8B
数据存储、排列
数据存储
MSB（最高有效字节），MLB（最低有效字节）
大端方式
便于人类阅读
小端方式
便于机器处理
排列
按字节编址
按字、半字、字节寻址
边界对齐
可以一次访存取出，虽然浪费存储空间，但是可以提高取指令，取数速度
2020-408-14
边界不对齐
可能两次访存，影响指令执行效率
浮点数表示、运算
表示
NUDT 2013，规格化，非规格化
IEEE 754
float 单精度阶码表示范围：-126-127，
阶码全0或全1
表示范围
短浮点E取值：1-254
运算
浮点运算不满足结合律，2009,选择题，浮点运算；
浮点数舍入只有两种情况：对阶，右规（定点数不存在舍入）【王道，P69-21，NUDT-2018-7】
2010-NUDT，大题
浮点数舍入只有两种情况：对阶，右规（定点数不存在舍入）【王道，P69-21，NUDT-2018-7】
2010-NUDT，大题
浮点数除法运算
判零，置商符；阶码相减；尾数调整；尾数相除
2006NUDT
浮点数乘法运算
判零，置数符；阶码相加；尾数相乘；规格化、舍入
2007NUDT
存储系统（8
存储器概述
真题，考过，分类
存储器分类
MROM无法多次写入信息-NUDT2008
EPRROM
不能代替RAM，编程次数有限，写入速度慢，不能满足随机存储
CD-ROM【Compact Disc Read-Only Memory】，只读光盘
SSD固态硬盘
存储器的层次化结构
主存储器
SRAM、DRAM
2008NUDT ,两者均易失（挥发）
发热量=功耗
发热量=功耗
子主题
DRAM
刷新
分散刷新
无死区，增加系统存取时间，降低整机速度
集中刷新
存在死区
读写操作不受刷新工作的影响
死区期间不能访问存储器
异步刷新
两者中和
采用地址复用技术，地址线减半，分两次传送
地址引脚数：log {max（行，列）}
2018
ROM
2008NUDT,MROM 无法多次写入信息
2014-821,CD-ROM 只能读不能写
2014-821,CD-ROM 只能读不能写
NUDT
根据写入方式
MROM
PROM
多次改写ROM
UV EPROM=EPROM
EEPROM
Flash Memory
基本组成
提升主存速度（多模块、双端口
低位交叉编址
访问的模块号=单元地址%模块数
主存储器与CPU的连接
线选法、译码片选法
外存储器
磁盘存储器
组成
单位
性能指标
平均访问时间：寻道时间+旋转延迟时间-2020-大题-5【磁盘计算】
突发传送速率：数据量/时间
突发传送速率：数据量/时间
地址
磁盘阵列
注
磁盘最小读写单位为一个扇区-即磁盘按照块存取
固态硬盘
结构
子主题
高速缓冲存储器（cache）
cache
时间局部性、空间局部性；由SRAM组成
性能分析
时间局部性；空间局部性
cache与主存映射关系
cache替换算法
cache写策略
虚拟存储器
TLB (快表
快表、慢表对比
快表采用相联存储器器件或者SRAM组成，速度更快,成本高，多用容量较小的高速缓冲存储器
若产生缺页，会访问两次TLB（缺页前一次，调入之后访问一次）
2014-45
注
TLB，cache关系
指令系统（4
指令格式
分类
地址码数目
2008NUDT，二地址，操作码-地址码-地址码（位数）
零地址指令存放在堆栈计算机中-模拟1
零地址指令存放在堆栈计算机中-模拟1
指令长度
指令字长、机器字长、存储字长
操作码长度
扩展操作码指令
类比哈夫曼编码
注
不允许短码是长码的前缀
各指令操作码一定不能重复
第二种扩展方式
地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层扩展m*2^n种状态
操作类型
指令寻址方式
指令寻址
间指相对寻址：先间指再取pc
设置多种寻址方式：缩短指令长度、提高编程灵活性、扩大寻址空间
数据寻址
直接寻址
直接寻址，访问内存地址，没有负数
间接寻址
寄存器寻址
缩短指令中地址码
寄存器间接寻址
隐含寻址
地址隐含为默认，简化地址结构
立即寻址
偏移寻址
相对寻址
NUDT-2011-填空
目标地址=（PC）+偏移量【偏移量可负；2019-408】
目标地址=（PC）+偏移量【偏移量可负；2019-408】
基址寻址
变址寻址
基址&变址符合寻址
理解为
复合函数
先基址后变址
区别
堆栈寻址
区别
区别
程序的机器级代码（汇编语言）表示
指令作用
常用指令
算术运算指令
逻辑运算指令
分支、循环结构
cmp
test
jmp
无条件转移-jmp
jxxx
条件转移指令实现循环
配合C语言代码分析
两种形式
jxxx
bxxx
branch
X86有loop，底层也是jump……
函数调用
push
pop
call
ret
数据转移
mov
AT&T【Unix，Linux】 、Intel【windows】格式对比
注
CISC、RISC
设计思路
对比
821考纲
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