计算机组成原理——部分速成总结存档

Posted 2021-03-13 zhanjiahui

这篇用来存档 基本并不能帮助大家速成 只是博主突击时用来巩固时用的（假装大家都看不见）

教材：《计算机组成原理》唐朔飞版

内容：第四章到第八章不完全总结

 

chapter 4

存储器

存储器的层次结构：缓存-主存 提高速度 主存地址 实地址 物理地址

                             主存-辅存 提高容量 虚拟存储器 虚地址 逻辑地址

 

2^地址线 * 数据线 =存储容量

半导体存储器芯片的译码驱动方式：线选法 重合法

动态RAM刷新：

1. 1.       集中刷新

在规定的一个刷新周期内，对全部存储单元集中一段时间逐行进行刷新，此刻必须停止读、写操作。存在“死时间”

1. 2.       分散刷新

对每行存储单元的刷新分散到每个存储周期内完成，不存在读写操作死时间，但存取周期长了，整个系统速度降低了

1. 3.       异步刷新

是两种方式的结合 既可缩短死时间，又充分利用最大刷新间隔为2ms的特点。

 

 

 

 

海明码：2^k >=n+k+1

              K=3                     1 3 5 7   2 3 6 7   4 5 6 7

              K=4                      3 5 7 9 11      3 6 7 10 11     5 6 7       9 10 11

 

Cache-主存地址映射

直接映射：有固定的映射关系，某一主存块只能固定映射到某一缓存块

              优点:实现简单，只要利用主存地址的某些位直接判断，即可确定所需字块是否在缓存中

              缺点：不够灵活。

全相联映射：某一主存块可以映射到任一缓存块

              优点：方式灵活 命中率更高 缩小了块冲突率

              缺点：逻辑电路甚多 成本较高

组相联映射：是直接映射和全相联映射的一中折中。某一主存块能映射到某一缓存组中的任一块

              性能及复杂度介于直接映射和全相联映射之间。

 

 

 

chapter 5

I/O设备与主机信息传送的控制方式

程序查询方式：CPU启动I/O设备后便不断查询I/O设备是否已做好准备。启动I/O设备，CPU便不断查询I/O设备的状态，若查得I/O设备未准备就绪，就继续查询；若查得I/O设备准备就绪，就将数据从I/O接口送至CPU，再由CPU送至主存，一个字一个字地传送，直至全部结束，CPU回到原现行程序。

特点：

1. 只要一启动I/O设备，CPU便不断查询I/O设备的准备情况，从而终止了原程序的进行，反复查询过程进入“原地踏步”
2. CPU和I/O设备串行工作，CPU效率低

 

 

程序中断方式：启动I/O设备后，不查询设备是否已准备就绪，继续执行自身程序，当I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求后才给予响应。处理完中断后返回原程序断点处，继续执行原程序

特点：

1. 不必不断查询I/O设备准备情况，没有“踏步”现象
2. 中断了现行程序
3. CPU执行程序和I/O设备准备同时进行，CPU和I/O并行工作（部分）。
4. 相比程序查询方式提高了CPU利用率

（硬件需增加相应电路，软件必须编制中断服务程序）

过程：

1. 中断请求、中断判优、中断响应、中断服务（保护现场、中断服务、恢复现场、中断返回）、中断返回
2. （宏观上CPU与I/O并行工作，微观上CPU中断现行程序为I/O服务）
3. INTR中断请求触发器           MASR中断屏蔽触发器 

D设备准备就绪           EINT允许中断触发器（开中断、关中断）

 

DMA方式：主存与I/O设备之间有一条数据通路，无需调用中断服务程序，若CPU和DMA同时访存，总是把总线占有权给DMA，DMA窃取或挪用一个存取周期。

特点：

1. 主存与I/O设备之间有一条数据通路
2. 不中断现行程序，省去了保护现场和恢复现场
3. 周期挪用/周期窃取
4. CPU和I/O并行工作
5. 相比程序查询方式和程序中断方式更提高了CPU利用率

 

DMA与主存交换数据的三种方法（优缺点？）：

1. 停止CPU访问主存
2. 周期挪用
3. DMA与CPU交替访问

 

DMA的数据传送过程：

预处理 数据传送 后处理

 

DMA接口类型：

选择型 多路型

 

DMA与程序中断方式比较：

 

 

chapter 6

无符号数和有符号数，定点表示和浮点表示

X=0时，[+0]原=0,0000      [-0]原=1,0000  [+0]原[-0]原

              [+0]补=0,0000      [-0]补=0,0000  [+0]补[-0]补

              [+0]反=0,0000      [-0]反=1,1111  [+0]反[-0]反

              [+0]移=1,0000      [-0]移=1,0000  [+0]移[-0]移

补码或移码唯一

原码小数点（小数）或逗号（整数）前永远是符号位

[y]补求[-y]补：连同符号位，每位取反，末位加一

移码：补码符号位取反

 

IEEE754: 短实数 符号位1 阶码8 位数23 总位数32

 

 

定点运算

有符号数的移位：算术移位              无符号数的移位：逻辑移位

现代计算机使用补码加减法

补码加减法（符号位也做运算，由于模2，溢出丢掉即可）：

[A]补+[B]补=[A+B]补          [A-B]补= [A]补+[-B]补  （记得溢出判断）

补码：参与加减的两个数符号相同但与结果符号不同，则溢出

变形补码：结果的符号位不用则溢出，高位为真正的符号

原码一位乘：逻辑移位、移位次数判断结束、n次加法和n次移位

原码两位乘：算术移位、移位次数判断结束、n/2+1次加法和n/2次移位(n为偶)

补码乘法（booth算法，被乘数和乘数符号均任意的情况）：

原码乘符号位单独处理，补码乘符号位自然形成

 

chapter 7

指令的一般格式

操作码：长度固定（集中放在指令字的一个字段内，用于指令字较长的情况）、

长度不固定（分散在指令字的不同字段中，增加译码和分析的难度）、

扩展操作码（位数随地址数减少而增加）

扩展操作码：

 

 

 

 

地址码（通常是形式地址而不是有效地址）：两个源操作数、结果、下一条指令

四地址：四次访存、A1（OP）A2 →A3

三地址：四次访存、A1（OP）A2 →A3、PC代替A4

二地址：四次访存(若结果存于ACC则三次访存)、A1（OP）A2 →A1、结果存于A1

一地址：两次访存、ACC（OP）A1→ACC、ACC代替原A1

零地址：无地址码

 

指令字长：取决于操作码长度、操作数地址的长度、操作数地址的个数

指令字长固定：指令字长=存储字长

指令字长可变：按字节的倍数变化

 

寻址方式

寻址方式：确定本条指令地址的数据地址、确定下一条将要执行的指令地址，包括指令寻址和数据寻址

指令寻址：顺序寻址、跳跃寻址

数据寻址：

1. 立即寻址：形式地址A内放操作数（立即数）、指令执行阶段不访存、A的位数限制了立即数的范围
2. 直接寻址：形式地址内放有效地址、执行阶段只访存一次、操作数的地址不易修改（必须修改A）
3. 隐含寻址：操作数的地址隐含在操作码中（例如MUL被乘数在AX或AL中）、指令字中少了一个地    址字段所以可以缩短指令字长
4. 间接寻址：有效地址由形式地址间接提供、指令执行阶段访存两次以上、指令执行时间变长、扩大寻址范围、便于编制程序
5. 寄存器寻址：有效地址即为寄存器编号、执行阶段不访存 只访问寄存器 执行速度快、寄存器个数有限 可缩短指令字长
6. 寄存器间接寻址：有效地址在寄存器中 操作数在存储器中 执行阶段访存、便于编制循环程序
7. 基址寻址：
   • 　　采用专用的寄存器做基址寄存器（隐式）：扩大寻址范围、便于程序搬家、BR内容由操作系统或管理程序确定、程序执行过程中BR中内容不变，A的内容可变
   • 　　采用通用的寄存器做基址寄存器（显式）：用户指定哪个寄存器做基址寄存器、基址寄存器的内容由操作系统决定、在程序执行过程中R0内容不变，形式地址A可变
8. 变址寻址：IX为变址寄存器（通用寄存器也可以作为变址寄存器）、可扩大寻址范围、IX内容由用户给定、程序执行过程中IX内容可变、形式地址A不变、便于处理数组问题
9. 相对寻址：A是相对于当前指令的位移量（可正可负，补码）、A的位数决定操作数的寻址范围、程序浮动、广泛用于转移指令     

    

    

    

    

10. 堆栈寻址：

     

     

     

RISC的特点

 

 

chapter 8

CPU的结构（ALU、CU、寄存器、中断系统）

CPU功能：指令控制（控制程序的顺序执行）、操作控制（产生完成每条指令所需的控制命令）时间控制（对各种操作加以时间上的控制）、数据加工（对数据进行算术运算和逻辑运算）、处理中断

CPU的寄存器：

1. 用户可见寄存器（通用寄存器、数据寄存器、地址寄存器、条件码寄存器）
2. 控制和状态寄存器（控制：PC→MAR→M→MDR→IR，PC可见 状态：状态寄存器放条件码  PSW寄存器放程序状态字）

CU控制单元：产生全部指令的微操作命令部件（两种方法：组合逻辑设计方法（硬连线逻辑）、微程序设计方法（存储逻辑））

指令周期

指令周期=取指周期（取指、分析）+间址周期+执行周期（执行）+中断周期

指令流水

 

 

为什么要用指令流水?提高细粒度并行性，开发系统的并行性，提高机器速度——小圆想的，错了不挨打

指令的二级流水：如果指令的执行阶段不访问主存，就可以利用这段时间取下一条指令，使得取下一条指令的操作和执行当前指令的操作同时进行，这就是两条指令的重叠

指令预取：由指令部件取出一条指令，并将它暂存起来，如果执行部件空闲，就将暂存的指令传给执行部件执行。与此同时，指令部件又可取出下一条指令并暂存起来。

 

如果取值和执行阶段时间上完全重叠，指令周期减半，速度提高一倍。影响效率加倍的因素？

1. 指令执行时间一般大于取指时间。
2. 当遇到条件转移指令时，下一条指令是不可知的。（用猜测法解决）

 

影响流水线性能的因素？（看书上的例子）

1. 结构相关：不同指令争用同一功能部件产生的，也称资源相关

　　　　解决？

　　　　a)       后推法：流水线在完成前一条指令对数据的存储器访问时，暂停（一个时钟周期）取后一条指令的操作

　　　　b)      指令存储器和数据存储器分开，以免取指令和取操作数同时进行时互相冲突

　　　　c)       指令预取技术，适用于访存周期短的情况

1. 数据相关：各条指令因重叠操作，可能改变对数据的读写访问顺序

　　　　解决？

　　　　a)       后推法：遇到数据相关时，就停顿后继指令的运行，直至前面指令的结果已经生成

　　　　b)      定向技术（旁路技术、相关专用通路技术）：不必等某条指令的执行结果送回到寄存器后，再从寄存器中取出该结果，作为下一条指令的源操作数，而是直接将执行结果送到其他指令所需要的地方放。

1. 控制相关：由转移指令引起

　　　　解决？（了解）

　　　　尽早判别法，转移预测法，加快和提前生成条件码，提高猜准率

 

数据相关分类：

 

 

流水线性能指标：吞吐率、加速比、效率

 

流水线中的多发技术：

1.　　超标量技术：每个时钟周期内同时并发多条独立指令，即以并行操作方式将两条或两条以上指令编译并执行

要求配置多个功能部件，要求通过编译优化技术把可并行的指令搭配起来，硬件不能调整指令执行顺序

2.       超流水技术：将一些流水线寄存器插入到流水线段中，好比将流水线再分段。使得一个时钟周期内一个功能部件使用多次

硬件不能调整指令的执行顺序，靠编译程序解决优化问题

3.       超长指令字技术：由编译程序在编译时挖掘出指令间潜在的并行性后，把多条能并行操作的指令组合成具有多个操作码字段的超长指令

采用多个处理部件。对优化编译器的要求高，对Cache容量要求大。

 

中断系统

 

 

 

中断系统

[Zhōngduàn xìtǒng]

Interrupt System