Computer_Science_Specialized_Courses Principles_of_Computer_Composition

计算机组成原理PPT整理.25

"Computer Organization and Architecture"

Posted by LanZinYtt on December 3, 2025

计算机组成原理

第一章

第二章

关于非二进制补码编码及其运算

Q: 
    4位十进制数的模运算系统，模等于[填空1]
    该运算系统中，9828+8072= [填空2]
    该模运算系统中，-1928表示为什么？
    则该模运算系统表示的范围是？
    负数的最高为是？正数的最高位是？
     

A:
    10000(1e4)
    7900
    8072；-5000到4999；
    -10000/2到10000/2-1
    负数最高位为5，6，7，8，9，整数最高位为0，1，2，3，4

移码

  • 移码实际上就是补码+偏移量 记住这一点

大端/小端编码

  • 对于0x12345678这串4B的数据可以有大端小端两种模式
  • 大端： 高地址 78 56 34 12 低地址 （高位字节排放在内存的低地址端）
  • 小端： 高地址 12 34 56 78 低地址
  • 与大小端相关的还有一个概念，LSB和MSB，最小数位和最大数位，分别对应0x1中的0001的首位0和0x8中1000的末尾0

浮点数

  • 特别需要记忆的是32位IEEE标准下的浮点数由1位符号位S，8位阶码E和23位尾数M构成，所以也可以认为是24位的原码，并且阶码偏移量为127
  • 表达浮点数范围（考虑隐藏位）：
    • 正数最大： 0 11111110 11111111111111111111111
    • = $ (2-2^{-23})*2^{127} $ （注意若阶码全1则表达无穷）
    • 正数规格化最小： 0 00000001 00000000000000000000000
    • = $ 1.0*2^{-126} $
    • 正数非规格化最小： | 0 | 00000000 | 00000000000000000000001 |
    • = $ 2^{-23}*2^{-126} $ (非规格化下阶码无论是多少指数均为-126)
  • 对于常规浮点数（不考虑隐藏位，规格化定义为最高位为1）
    • 正数最大： 0 11111111 11111111111111111111111
    • = $ (1-2^{-24})*2^{127} $
    • 正数规格化最小： 0 00000000 10000000000000000000000
    • = $ 2^{-1}*2^{-128} $

第三章

标志位

  • 标志位的计算(其中C指进位，F指结果)
    • 溢出标志OF： $ OF=C_n \oplus C_{n-1} $
    • 符号标志SF：
    • $ SF= F_{n-1} $
    • 零标志ZF=1当且仅当F=0；
    • 进位/借位标志CF： $ CF=C_{out} \oplus C_{in} $
  • 根据标志位判断溢出
    • 无符号加溢出条件：CF=1
    • 带符号加溢出条件：OF=1

各编码加减运算

  • 原码: alt text
  • 补码: alt text

乘法

  • 无符号整数乘法运算: alt text
  • 原码乘法算法(包括二位布斯): alt text
  • 补码乘法运算 alt text alt text
  • 除法（大概率不考）

浮点数运算

  • 运算规则 alt text

第四章

  • 基本寻址方式的算法和优缺点： alt text

  • 三种偏移寻址方式： alt text

  • 一些莫名其妙的考点：
    • 什么是数据通路（DataPath）?
      • 指令执行过程中，数据所经过的路径，包括路径中的部件。它是指令的执行部件。
    • 控制器（Control）的功能是什么？
      • 对指令进行译码，生成指令对应的控制信号，控制数据通路的动作。能对执行部件发出控制信号，是指令的控制部件。
    • 数据通路如何构成？
      • 由“操作元件”和“存储元件”通过总线方式或分散方式连接而成
    • 数据通路由两类元件组成
      • 组合逻辑元件（也称操作元件）
      • 时序逻辑元件（也称状态元件，存储元件）
    • 数据通路的功能是什么？
      • 进行数据存储、处理、传送
    • 区分组合逻辑单元和时序逻辑单元
    • 周期时间与时序参数关系 （p131这个我建议还是康康书）
    • 同步系统(Synchronous system)
      • 所有动作有专门时序信号来定时
      • 由时序信号规定何时发出什么动作
      • 例如，指令执行过程每一步都有控制信号控制，由定时信号确定控制信号何时发出、作用时间多长
    • 什么是时序信号？
      • 同步系统中用于进行同步控制的定时信号，如时钟信号
    • 什么叫指令周期？
      • 取并执行一条指令的时间
    • 早期计算机的三级时序系统
      • 机器周期 - 节拍 - 脉冲
      • 指令周期可分为取指令、读操作数、执行并写结果等多个基本工作周期，称为机器周期。
      • 机器周期有取指令、存储器读、存储器写、中断响应等不同类型
    • 元件间的连接方式有：
      • 总线连接方式
      • 分散连接方式

第六章

  • 记背考点
    • 流水线
      • 均衡时指令吞吐率提高N倍，但不能缩短一条指令的执行时间
      • 流水段数以最复杂指令所需步骤数为准（有些指令的某些阶段为空操作），每个阶段的宽度以最复杂阶段所需时间为准（尽量调整使各阶段均衡）
    • 数据冒险的解决方法
      • 方法1：硬件阻塞（stall）
      • 方法2：软件插入“NOP”指令
      • 方法3：合理实现寄存器组的读/写操作
      • 方法4：转发（Forwarding或Bypassing 旁路）技术
      • 方法5：编译优化–调整指令顺序（不能解决所有数据冒险）
    • 控制冒险的解决方法
      • 方法1：硬件上阻塞（stall）分支指令后三条指令的执行
      • 方法2：软件上插入三条“NOP”指令
      • 方法3：分支预测（Predict）。
      • 方法4：延迟分支（Delayed branch）（通过编译程序优化指令顺序！）
    • 流水线的基本类型
      • 按数据的处理形态
        • 标量流水线
        • 向量流水线
      • 按流水线各段的连接模式
        • 线性流水线（前馈型）
        • 非线性流水线（存在反馈连接）
      • 按流水线输入输出对应关系
        • 顺序流水线（先进先出）
        • 乱序流水线（无序、异步）
    • 两种指令级并行(ILP)技术（即：高性能流水线形式）
      • 超流水线：更多的流水线级数
      • 多发射流水线：同时发射多个指令，有多条流水线同时进行
        • 静态多发射（VLIW处理器+编译器静态调度）
        • 动态多发射（超标量处理器+动态流水线调度）

第七章

  • 一些记忆点：
    • 硬连线路设计的特点：
      • 优点：速度快，适合于简单或规整的指令系统，例如，MIPS指令集。
      • 缺点：它是一个多输入/多输出的巨大逻辑网络。对于复杂指令系统来说，结构庞杂，实现困难；修改、维护不易；灵活性差。甚至无法用有限状态机描述！
    • 微程序控制器的基本思想：
      • 仿照程序设计的方法，编制每个指令对应的微程序
      • 每个微程序由若干条微指令构成，各微指令包含若干条微命令 （一条微指令相当于一个状态，一个微命令就是状态中的控制信号）
      • 所有指令对应的微程序放在只读存储器中，执行某条指令时，取出对应微程序中的各条微指令，对微指令译码产生对应的微命令，这个微命令就是控制信号。这个只读存储器称为控制存储器（Control Storage），简称控存CS 。
    • 微程序设计的特点：
      • 具有规整性、可维性和灵活性，但速度慢。
    • 存储器分类
      • 按工作性质/存取方式分类
        • 随机存取存储器 Random Access Memory (RAM) 每个单元读写时间一样，且与各单元所在位置无关。如：内存。 （注：原意主要强调地址译码时间相同。现在的DRAM芯片采用行缓冲，因而可能因为位置不同而使访问时间有所差别。）
        • 顺序存取存储器 Sequential Access Memory (SAM) 数据按顺序从存储载体的始端读出或写入，因而存取时间的长短与信息所在位置有关。例如：磁带。
        • 直接存取存储器 Direct Access Memory(DAM) 直接定位到读写数据块，在读写数据块时按顺序进行。如磁盘。
        • 相联存储器 Associate Memory（AM） Content Addressed Memory (CAM) 按内容检索到存储位置进行读写。例如：快表。
      • 按存储介质分类
        • 半导体存储器：双极型，静态MOS型，动态MOS型
        • 磁表面存储器：磁盘（Disk）、磁带 （Tape）
        • 光存储器：CD，CD-ROM，DVD
      • 按信息的可更改性分类
        • 读写存储器(Read / Write Memory)：可读可写
        • 只读存储器(Read Only Memory)：只能读不能写
      • 按断电后信息的可保存性分类
        • 非易失（不挥发）性存储器(Nonvolatile Memory) 信息可一直保留， 不需电源维持。 （如 ：ROM、磁表面存储器、光存储器等）
        • 易失（挥发）性存储器(Volatile Memory) 电源关闭时信息自动丢失。（如：RAM、Cache等）
    • 按功能/容量/速度/所在位置分类
      • 寄存器(Register) 封装在CPU内，用于存放当前正在执行的指令和使用的数据 用触发器实现，速度快，容量小（几~几十个）
      • 高速缓存(Cache) 位于CPU内部或附近，用来存放当前要执行的局部程序段和数据 用SRAM实现，速度可与CPU匹配，容量小（几MB）
      • 内存储器MM（主存储器Main (Primary) Memory） 位于CPU之外，用来存放已被启动的程序及所用的数据 用DRAM实现，速度较快，容量较大（几GB）
      • 外存储器AM (辅助存储器Auxiliary / Secondary Storage) 位于主机之外，用来存放暂不运行的程序、数据或存档文件 用磁表面或光存储器实现，容量大而速度慢
    • 容量扩展方式：
      • 交叉编址和连续编址
    • 刷新周期：
      • 从上次对整个存储器刷新结束到下次对整个存储器全部 刷新一遍为止的时间间隔，也就是相邻两次对某个特定行进行刷新 的时间间隔。 为电容数据有效保存期的上限10ms～100ms，目前公认是64ms。
      • 多采用异步刷新方式： 将一个刷新周期分配给所有行，使得在一个刷新周期内每行至少 刷新一次，且仅刷新一次。
      • 例如: 以4096行为例，在64ms时间内必须轮流对每一行刷新一次，即 每隔64ms/4096=15.625μs刷新一行
    • 刷新周期的安排方式
      • 集中刷新
      • 分散刷新
      • 异步刷新（大多情况）
    • CPU和主存之间有同步和异步两种通信方式
      • 异步方式（读操作）过程（需握手信号）
        • CPU送地址到地址线，主存进行地址译码
        • CPU发读命令，然后等待存储器发回“完成”信号
        • 主存收到读命令后开始读数，完成后发“完成”信号给CPU
        • CPU接收到“完成”信号，从数据线取数
        • 写操作过程类似
      • 同步方式的特点
        • CPU和主存由统一时钟信号控制，无需应答信号（如“完成”）
        • 主存总是在确定的时间内准备好数据
        • CPU送出地址和读命令后，总是在确定的时间取数据
        • 存储器芯片必须支持同步方式
    • 写策略（解决cache一致性问题）
      • 对于写命中，有两种处理方式
        • Write Through (通过式写、写直达、直写)
          • 同时写Cache和主存单元
          • 使用写缓冲（Write Buffer）
        • Write Back (一次性写、写回、回写)
          • 只写cache不写主存，缺失时一次写回，每行有个修改位（“dirty bit-脏位”），大大降低主存带宽需求，控制可能很复杂
      • 对于写不命中，有两种处理方式
        • Write Allocate (写分配)
          • 将主存块装入Cache，然后更新相应单元
          • 试图利用空间局部性，但每次都要从主存读一个块
        • Not Write Allocate (非写分配)
          • 直接写主存单元，不把主存块装入到Cache
  • 直接相联cache组织结构 alt text
  • 组相联cache组织结构 alt text

第八章

  • 一些记忆点：
    • 总线的分类：
      • 芯片内总线：
        • 在芯片内部各元件之间提供连接
      • 系统总线：在系统主要功能部件（CPU 、MM和各种I/O控制器）间提供连接
        • 单总线结构
          • 将CPU、MM和各种I/O适配卡通过底板总线(Backplane Bus)互连，底板总线为标准总线(Industry standard)
        • 多总线结构
          • 将CPU、Cache、MM和各种I/O适配卡用局部总线、处理器-主存总线、高速I/O总线、扩充I/O总线等互连。主要有两大类：
          • Processor- Memory Bus (Design specific or proprietary)
            • 短而快，仅需与内存匹配，使CPU-MM之间达最大带宽
          • I/O Bus (Industry standard)
            • 长而慢，需适应多种设备，一侧连接到Processor- Memory Bus 或 Backplane Bus，另一侧连到I/O控制器
      • 通信总线：在主机和I/O设备之间或计算机系统之间提供连接
        • 通常是电缆式总线，如SCSI、RS-232、USB、PS-2等
    • 总线裁决(早期计算机)
    • 总线定时
      • 定义总线事务中的每一步何时开始、何时结束。
      • Synchronous (同步)：用时钟信号来确定每个步骤
      • Asynchronous(异步)：用握手信号来定时，前一个信号结束就是下一个信号的开始
      • 半同步：结合使用时钟信号和握手信号来定时
    • 并行/串行传输
      • 并行传输：一个方向同时传输多位数据信号，故位与位需同步，慢！
      • 串行传输：一个方向只传输一位数据信号，无需在位之间同步，快！
    • 总线的性能指标
      • 总线宽度
      • 总线带宽
      • 总线传送方式
    • I/O设备的寻址方式
      • 统一编址方式（内存映射方式）
        • 与主存空间统一编址，将主存空间分出一部分地址给I/O端口进行编号。 （该方法是将I/O端口映射到某主存区域，故也称为“存储器映射方式”） 例如，RISC机器、Motorola公司的处理器等采用该方案
      • 独立编址方式（特殊I/O指令方式）
        • 不和主存单元一起编号，而是单独编号，使成为一个独立的I/O地址空间 （因需专门I/O指令，故也称为“特殊I/O指令方式”） 例如，Intel公司和Zilog公司的处理器就是独立编址方式
    • I/O设备与主机进行数据交换的三种基本方式
      • 程序直接控制方式（最简单的I/O方式）
      • I/O Interrupt (中断I/O方式): 几乎所有系统都支持的中断I/O方式
      • Direct Memory Access (DMA方式): 磁盘等高速外设特有的I/O方式
    • 中断源的识别方法
      • 软件方法（轮询）
      • 硬件方法（向量中断）
    • CPU与I/O之间传递信息常采用三种联络方式
      • 直接控制（立即响应）、同步、异步
    • DMA数据传输方式
      • CPU停止法(成组传送) DMA传输时，CPU脱离总线，停止访问主存，直到DMA传送一块数据结束。
      • 周期挪用(窃取)法(单字传送) DMA传输时，CPU让出一个总线事务周期，由DMA控制总线来访问主存，传送完一个数据后立即释放总线。
      • 交替分时访问法 每个存储周期分成两个时间片，一个给CPU，一个给DMA，这样在每个存储周期内，CPU和DMA都可访问存储器。
    • DMA操作步骤
      • DMA控制器的预置(初始化)—-软件实现
        • 准备内存
        • 设置参数
        • 启动外设
      • DMA数据传送—-硬件实现
        • DMA请求：选通-〉DMA请求-〉总线请求
        • DMA响应：总线响应(CPU让出总线)-〉DMA响应
        • DMA传送：DMA控制总线进行数据传送
      • DMA结束处理—-软件实现
        • 根据计数值为“0”，发出DMA结束信号去接口控制产生 DMA中断请求信号，转入中断服务程序，做一些数据校 验等后处理工作。
  • 中断处理过程 alt text
  • DMA传输过程 alt text
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