计算机组成原理 期末复习

第 1 章 计算机系统概论

1.1 计算机的诞生和发展

冯诺依曼体系

image-20230607165641366

1.2 计算机的硬件

指令

image-20230607165824790

硬件组成

组成计算机的基本部件有中央处理器（CPU，运算器和控制器）、存储器和输入输出设备。

image-20230607170750475

image-20230607170810009

image-20230607170822369

image-20230607170837148

计算机系统分类

image-20230607171049560

1.2 计算机的软件

机器语言 汇编语言 高级语言

image-20230607171347026

image-20230607171401487

image-20230607171449256

操作系统

image-20230607171507702

第 2 章 计算机的逻辑部件

2.1 组合逻辑电路

三态电路

image-20230607172819879

image-20230607172904608

image-20230607172919296

image-20230607172947303

异或门的应用

（1）原码/反码输出电路

（2）半加器

（3）数码比较器

（4）奇偶检测电路

image-20230607182047074

image-20230607182058683

加法器

image-20230607185134310

image-20230607185153106

image-20230607185428777

image-20230607185456195

image-20230607185507418

题：加法器

image-20230615185945201

译码器

image-20230607190036229

image-20230607190105952

数据选择器

image-20230607190212807

image-20230607190230662

2.2 时序逻辑电路

触发器

电位触发器 锁存器 可以组成暂存器

边沿触发器 D触发器 可以组成寄存器、计数器、移位寄存器

主从触发器 JK触发器 可以组成计数器

寄存器 移位寄存器

image-20230607193107306

计数器

image-20230607193217615

2.3 阵列逻辑电路

只读存储器 ROM

用于存储固定信息，如监控程序、函数和常数

由地址译码器（与阵列）和存储单元（或阵列）构成

image-20230607193836138

image-20230607193846862

可编程序逻辑阵列 PLA

由与阵列、或阵列组成，都可编程

采用熔丝工艺

可编程序阵列逻辑 PAL

与阵列可编程，或阵列不可编程

采用熔丝工艺

通用阵列逻辑 GAL

image-20230607194312234

门阵列 GA 宏单元阵列 MCA

image-20230607194540894

现场可编程门阵列 FPGA

image-20230607194611856

第 3 章 运算方法和运算部件

3.1 数据的表示方法和转换

进制转换

N转十：位值原理

十转N：整数部分，短除法（除N取余）；小数部分，乘N取整

十进制可以精确表示二进制，二进制不能精确表示十进制

题：进制转换

image-20230614200124751

编码

image-20230614192824150

image-20230614193152080

3.2 数据表示和加减法

数据表示

image-20230614193418186

image-20230614193439326

image-20230614193556387

image-20230614193854463

题：数据表示

image-20230614201324241

image-20230614201535324

补码右移时要计入符号位，即移动符号位的值，但是符号位本身保持不变。左移时，如果符号位改变，则发生溢出。

溢出检查

image-20230614194148161

image-20230614194157792

浮点数

规格化就是尾数除了符号位之外的最高位一定为1

image-20230614195227441

image-20230614195255931

3.3 二进制乘法

原码一位乘

image-20230615141050992

image-20230615141517570

补码一位乘

补码的X符号位加入运算

若Y<0，最后加[-X]补

image-20230615142011463

image-20230615142028835

image-20230615142041707

image-20230615142057634

补码一位乘：布斯公式

布斯法，Y的符号位也参加运算，单符号位，Y最后补0（Y左右两边都要补数字）

部分积 + [(Y_(i+1)-Y_i*X]补

注意，不需要全部右移完毕，在下题中右移4次就结束。

image-20230615142905797

3.4 二进制除法

原码一位除：加减交替法

商带符号位，多一位

image-20230615143349242

image-20230615143410945

image-20230615143426774

image-20230615143530244

3.5 浮点数运算

浮点数加减法

image-20230615143739104

浮点数乘除法

image-20230615144029337

image-20230615144119113

image-20230615144150752

3.7 数据校验码

奇偶校验码

image-20230612173337972

海明码

image-20230612173538127

image-20230612173721814

image-20230612173841843

image-20230612174530119

题：海明码

image-20230612174701997

image-20230612174715992

image-20230612174736386

image-20230612174746610

第 4 章 主存储器

4.1 主存储器分类、技术指标和基本操作

存储器的分类

image-20230612180111080

主存储器的技术指标

image-20230612180458207

4.2 读/写存储器

都是易失性存储器，断电丢数据

SRAM 速度快，体积大，功率大

DRAM 便宜，容量大

image-20230612183303359

静态随机存储器 SRAM

双稳态触发器

image-20230612181013337

动态随机存储器 DRAM

image-20230612181628763

image-20230612183409542

image-20230612183423013

image-20230612181611037

4.3 非易失性半导体存储器

只读存储器 ROM

可编程 只读存储器 PROM

熔丝，一次性编程

可擦可编程 只读存储器 EPROM

编程次数不受限制，电写，紫外线擦除

可电擦可编程序 只读存储器 E^2PROM

电擦，电写，次数10万次

快擦除读写存储器 Flash Memory

即闪存

4.4 容量扩展

位扩展

image-20230612231350059

字扩展

image-20230612231427930

image-20230612231449966

字位同时扩展

image-20230612183633855

image-20230612183643755

第 5 章 指令系统

5.2.2 指令操作码的扩展技术

image-20230612232646566

image-20230612232832094

第 6 章 中央处理器

6.1 控制器

控制器的组成

image-20230613191339675

image-20230613191352928

image-20230613191449545

image-20230613191605568

数据通路

image-20230613194520458

image-20230613194551391

image-20230613194626374

image-20230613194640518

题：数据通路

image-20230613193600723

image-20230613193617016

6.2 微程序

控存，控制存储器，ROM

image-20230613202529411

image-20230613202919075

6.3 微程序设计

微程序控制字段的编译法

image-20230613203100993

image-20230613203235258

题：微指令控制字段格式设计

image-20230613210528548

image-20230613210553584

IMG_1061

微指令格式

image-20230613203641650

image-20230613203700945

6.5 流水线

CPU 性能公式

扫描件_时间=执行程序所需的时钟周期数时钟周期时_1

题：CPU 性能

image-20230613212638076

流水线阻塞

流水线阻塞是指在流水线处理器中，由于某些原因导致流水线暂停或减速，从而影响处理器性能。流水线阻塞的主要原因有数据相关、程序转移和中断请求。下面分别解释这三种情况及其解决方法：

  1. 数据相关（Data Dependency）：
    数据相关是指一个指令需要等待前一个或多个指令完成数据操作才能执行。这种情况下，流水线需要暂停，等待所需数据准备好。数据相关主要包括RAW（Read After Write，先写后读）、WAR（Write After Read，先读后写）和WAW（Write After Write，先写后写）。

解决方法：

  • 指令调度：对指令进行重新排序，使得数据相关的指令之间有足够的间隔，以便在等待数据时处理其他指令。
  • 数据前推（Data Forwarding）：将上一级流水线段的计算结果直接传递给下一级流水线段，而不是等待寄存器更新。
  • 寄存器重命名：通过使用更多的寄存器来消除WAW和WAR相关。
  1. 程序转移（Control Dependency）：
    程序转移是指流水线处理器遇到分支指令（如条件跳转、循环等）时，需要等待分支指令执行完毕才能确定下一条指令的地址。这会导致流水线暂停，等待新指令地址。

解决方法：

  • 预测分支（Branch Prediction）：通过硬件或软件预测分支的结果，提前获取下一条指令的地址，以减少等待时间。
  • 延迟分支（Delayed Branching）：将分支指令后面的无关指令（与分支无关）提前执行，以减少流水线暂停时间。
  • 分支目标缓冲（Branch Target Buffer，BTB）：缓存分支指令的目标地址，以加速分支指令的执行。
  1. 中断请求（Interrupt Request）：
    中断请求是指处理器在执行指令过程中收到外部或内部的中断信号，需要暂停当前任务，切换到中断服务程序。这会导致流水线暂停，等待中断处理完成。

解决方法：

  • 中断屏蔽：在处理关键任务时，暂时屏蔽低优先级的中断请求，以减少流水线阻塞。
  • 优先级设置：为不同类型的中断设置优先级，确保高优先级中断能够及时处理，降低流水线阻塞的影响。
  • 硬件支持：使用硬件支持的中断处理机制，如嵌套中断向量表（Nested Interrupt Vector Table），加速中断处理过程，减少流水线阻塞时间。

第 7 章 存储系统

7.1 存储系统的层次结构

image-20230612180804234

image-20230612180813773

7.2 高速缓冲存储器 cache

cache 工作原理

image-20230613230625432

image-20230613230645489

image-20230613230655991

image-20230613230706849

题：cache 命中率

image-20230614104637854

IMG_1062

image-20230615190103726

cache 地址映像

image-20230613231159775

image-20230613231232404

image-20230613231327068

image-20230613231404841

image-20230613231415190

image-20230613231426275

image-20230613231438350

image-20230613231450563

题：地址映像

注：存储块数 != 块数

区号：RAM地址位数 - cache地址位数

组号：cache总存储块数 / 块数

（块数：几路组相联就是几块数，一般为4；cache总存储块数 = cache总容量 / 一存储块的容量）

块号：log(块数)，一般为2

块内地址：log(块的字数)

image-20230615191331643

cache 替换算法

image-20230614115044965

题：替换算法

m表示未命中，h表示命中

请求的页面从下往上顶掉最上方的页面，当请求的页面原本就在缓存中时视为命中。

LRU：命中时仍然执行不命中时的操作（请求的页面从下往上顶掉最上方的页面）

LRU：命中时把命中的块放到最下方，其他块顺次上移

FIFO：命中时不执行操作

image-20230614115248697

image-20230614115259962