logo资料库

计算机组成原理复习资料.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.70M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共18页
第2页 / 共18页
第3页 / 共18页
第4页 / 共18页
第5页 / 共18页
第6页 / 共18页
第7页 / 共18页
第8页 / 共18页
资料共18页，剩余部分请下载后查看
    Computer Organization and Design The Hardware/Software Interface Fifth Edition 计算机组成与设计期末复习资料 （数据科学与计算机学院 3 班，2017 年 12 月） 期末课程设计要求：①自选课程知识体系范畴任一知识点，用硬件实现或软件模拟实现； ②按论文格式要求完成课程论文 1 篇（包括选题背景、技术路线、实现过程、效果评价）； ③准备第 18 周的课程设计交流（源程序及论文的电子版上传给学委，交论文打印稿）。 第一章 计算机概要与技术 1. 计算机的分类、划代和应用特性 早期：按功能（规模）、器件（电子管晶体管集成电路）、行业应用来划分 现代（后 PC 时代）：着重从应用特性来划分：桌面计算、服务器、嵌入式计算、个人移 动设备、集群/仓库级计算机（Clusters/Warehouse Scale Computer，WSC，通过云计算实现, 软件即服务，Software as a Service，SaaS） 理解行业应用的交叉渗透，计算机面临的瓶颈现状、变迁以及应用需求驱动的观点 2. 计算机设计的重要原则和思想（注意理解功能与性能的含义） 面向摩尔定律的设计 使用抽象简化的设计 大概率事件优先的原则 Amdahl 定律（性能改进递减规则）：如果仅仅对计算任务中的一部分做性能改进，则改 进得越多，所得到的总体性能的提升就越有限。 重要推论：如果只针对整个任务的一部分进行改进和优化，那么所获得的加速比不超过 1/（1－可改进比例） 加速比：加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占 系统中总执行时间的百分比。 CPU 性能公式：执行一个程序所需的 CPU 时间 流水线、并行性以及预测对提高机器性能的意义 解决存储器容量、速度和价格三者矛盾的办法：引入存储器层次结构，理论依据：程序 局部性（时间局部性和空间局部性） 通过冗余提高可靠性（应对故障的主要方法）：冗余编码（提高信息传输的可靠性）、磁 盘冗余阵（RAID( Redundant Array of Independent Disk） 3. 计算机系统组成：硬件设备+软件系统 硬件设备：计算机系统中一切物理装置的总称。计算机发展的简史（需求驱动）、冯·诺 依曼（John von Neumann,1903-1957）的特点：按地址访问和顺序执行 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输入设备五大部件组成。 第 1页
    Computer Organization and Design The Hardware/Software Interface Fifth Edition 第 6 级：应用语言虚拟机 第 5 级：高级语言虚拟机 第 4 级：汇编语言虚拟机 第 3 级：操作系统虚拟机 第 2 级：机器语言(传统机器级) 第 1 级：微程序机器级 计算机系统层次结构 输入 输入 设备 指令流 控制器 运算器 (ALU) 数据流 存储器 输出 输出 设备 控制流 冯·诺依曼（John von Neumann,1903-1957）结构 指令和数据以同等地位存入于存储器内，并可按地址寻访。 指令和数据均用二进制数表示。 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存 储器中的位置。 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结 果或根据设定的条件改变执行顺序。 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成。 以运算器为中心→以存储器为中心，5 大部件→3 大部件，数据通路-分离式→总线式， 单核 CPU→多核微处理器，依托 Cache 实现哈佛结构的存储体系。 软件：计算机系统中的程序、数据和文档（系统软件和应用软件） 系统软件（支撑环境）：操作系统、编译系统，解释和编译，高级语言到机器语言，以 汇编语言为例：编辑（.txt）-编译（.obj）-链接（.com/exe）-运行 应用软件（工具软件和用户程序） 4. 计算机系统的功能和性能 功能：（Function），事物或方法所发挥的有利作用、效能。性能（performance）器物 所具有的性质与效用。 从计算机用户或设计者的角度描述性能测量的度量指标和标准 响应时间（执行时间），计算机完成某任务的总时间 吞吐率（带宽），单位时间内完成的任务数量 第 2页
    Computer Organization and Design The Hardware/Software Interface Fifth Edition 性能度量公式：CPU 性能公式：CPU 时间=指令数*CPI*时钟周期时间 或 CPU 时间=指令数*CPI/时钟频率 指令数：执行某程序所需的指令数量；CPI：执行某个程序段时每条指令所需的时钟周 期数；时钟周期时间：时钟频率的倒数 功耗墙：功耗（Power），功率的损耗，在单位时间中所消耗的能源的数量,单位为 W； 能耗（Energy），能源转换实物量的损耗，单位是焦耳/秒 SPEC CPU 基准测试程序 事务处理（TP）性能测试基准程序：用于测试计算机在事务处理方面的能力，包括数据 库访问和更新等。TPC(Transaction Processing Performance Council，事务处理性能委员 会)，它的作用是制定商务应用基准程序(Benchmark)的标准规范、性能和价格度量，并管理 测试结果的发布。 5. 例题与思考 兼容性：向上（下）兼容：按某档机器编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低） 档的机器。向前（后）兼容：按某个时期投入市场的某种型号机 器编制的程序，不加修改 地就能运行于在它之前（后）投入市场的机器。系列机（向后兼容）、模拟和仿真、虚拟机、 计算机性能随时间下移、透明性、计算机系统逻辑功能等效性、数据存放方式（大端和小端 方式）、堆栈及其地址增长方式（后进先出，向上增长与向下增长）、计算机系统结构的生命 周期（三个 5-7 年的划分）、第五代计算机（计算机分类的变化和划代的瓶颈） 机器档次 高 向上兼容 向下兼容 低 向前兼容 当前机器 向后兼容 时间 IS 弗林分类法（Flynn） CS CU PU DS MM DS1 DS2 SM MM1 MM2 … DSn MMm PU1 PU2 … PUn CS CU IS （a）SISD 计算机 （b）SIMD 计算机 CS1 CS2 CSn CU1 CU2 … CUn PU1 PU2 … PUn DS IS1 IS2 SM MM1 MM2 … MMm … ISn IS2 IS1 ISn DS CS1 CS2 CSn CU1 CU2 … CUn PU1 PU2 … PUn DS1 DS2 SM MM1 MM2 … DSn MMm … （c）MISD 计算机 （d）MIMD 计算机 IS：指令流，DS：数据流，CS：控制流 CU：控制部件，PU：处理部件，MM 和 SM：存储器。 第 3页
    Computer Organization and Design The Hardware/Software Interface Fifth Edition 第二章 计算机的语言 1. 数据表示 数制：进位计数制（基数、位权）、数制转换（除基取余，乘基取整） 码制：机器数（符号数字化）、机器数中真值 0 的表示 原码、反码、补码和移码（0 的表示唯一） ASCII 编码（字符 0，A，a 的编码）、汉字编码 GB2312-80（区位码-内码）、Unicode。 有符号数和无符号数（表示范围）、位、字节、字长、半字、双字的概念 2. 指令系统（指令集） 指令的表示：指令格式（操作码+操作数（或操作数地址）），指令操作（数据传送、算 逻运算、分支与跳转等） 指令集结构分为堆栈、累加器和通用寄存器结构，根据数据来源又分为 RR 和 RM 型 指令格式设计(完整性、规整性、高效率、兼容性)、统一编址和独立编址（x86） 定长编码和变长编码及其优化编码（哈夫曼编码） 寻址方式（MIPS）：立即数寻址、寄存器寻址、基址寻址、PC 相对寻址、伪寻址 3. 实例讨论 ①X86 指令集（CISC 结构、变长指令集） ②MIPS 指令集（RISC 结构，定长指令集） ③ARMV7(32 位)指令集（RISC 结构） 注意 ARMV7(32 位)指令集比较与 ARM 指 令集的异同。 寻址方式（x86）：立即数寻址、寄存器寻 址、直接寻址、寄存器间接寻址、存储器相对 寻址、基址变址寻址、基址变址相对寻址、寄 存器比例寻址（注意理解 x86 寻址方式中基址 寻址和变址寻址的异同） 指令系统：数据传送、算逻运算、移位操 作、串操作、控制转移、处理机控制 汇编程序设计 ①汇编程序框架：COM 型和 EXE 型 ②汇编指令集 ③常用中断调用和功能 ④汇编程序设计 MIPS 寻址模式（立即数寻址、寄存器寻址、基址寻址、PC 相对寻址、伪寻址） 第 4页
    Computer Organization and Design The Hardware/Software Interface Fifth Edition x86 CPU 内部结构框图 例题与思考 第 5页
    Computer Organization and Design The Hardware/Software Interface Fifth Edition 第三章 计算机的算术运算 1. 定点数的加减运算 溢出（上溢，超过最大表示范围；下 溢，小于最小表示范围） 移位（算术移位、逻辑移位、循环 移位），算术右移（最高位保持不变） 2. 定点数乘除运算流程图与结构框图 3. 浮点数的表示和运算 浮点数运算步骤：对阶（小阶看齐大阶）、尾数求和（差）、规格化、舍入、判溢出， 移位时的向左规格化（规格化）和向右规格化（溢出校正） 注意理解浮点数四则运算通式 4. IEEE754 标准及其转换 5. 浮点运算流程图与结构框图 注意浮点运算中的两个加法器，阶相加和尾数相加 6. 多功能算逻运算单元设计（ALU） 一位全加器-四位全加器-溢出判断（异或电路）-加减控制（求补电路）-先行进位（进 位链设计）-函数发生器设计 右图是具有行波进位、溢出判断的加 减法器，并在此基础上增加先行进位和逻 辑运算功能，由此构成多功能算术逻辑运 算单元（ALU）。 7. 并行性和计算机算术：子字并行 子字并行（在一个宽字内部进行的并行操作） 例题与思考 例题：已知2[X]补＝1.0101001，1/2[Y] 原＝1.0101100， ⑴ 用变形补码计算：[X] 补＋[Y] 补，判断结果有无溢出。 第 6页
    Computer Organization and Design The Hardware/Software Interface Fifth Edition ⑵ 画出实现补码定点加减法（具有溢出判断）的硬件结构图。 【分析与解答】（1）[X]补＝1.1010100，1/2[Y]补=1.1010100，[Y]补＝1.0101000 [X]补＋[Y]补＝11.1010100＋11.0101000＝10.1111100，溢出 （2）补码定点加减法硬件结构图（用加法器、求补电路、溢出判断构成框图则可） 第四章 处理器 第 7页
    Computer Organization and Design The Hardware/Software Interface Fifth Edition 1. 数据通路 2. 流水线技术 ①基本原理：流水线把一个处理过程分解为若干个子过程（段），每个子过程由一个专门 的功能部件来实现。流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞、断流。时 间长的段将成为流水线的瓶颈。 流水线每一个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器（锁存器），称为流水寄存器。作 用是在相邻的两段之间传送数据，以保证提供后面要用到的数据，并把各段的处理工作相互 隔离。流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥 流水线的效率。流水线需要有通过时间和排空时间。流水线的分类。 ②流水线的性能指标 吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。TP=n/Tk n：任务数；Tk：处理完成 n 个任务所用的时间 流水线的实际吞吐率和最大吞吐率 TP=[n/(k+n-1)]TPmax 解决流水线瓶颈问题的常用方法：细分瓶颈段和重复设置瓶颈段 加速比：完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比。 S=Ts/Tk，实际加速比和最大加速比：E=S/K，效率：E=n/(k+n-1) 即流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比值，即流水线设备的利用率。 流水线设计中的若干问题：瓶颈问题、流水线的额外开销（流水寄存器延迟和时钟偏移 开销）、冲突问题 描述流水线的工作，最常用的方法是时间-空间图（时空图） ③相关与流水线冲突： 相关的 3 种类型：数据相关（也称真数据相关）、名相关（反相关和输出相关）、控制相 关（由分支指令引起的相关） 流水线的 3 种冲突类型：结构冲突：因硬件资源满足不了指令重叠执行的要求而发生的 冲突。数据冲突：当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令的执行结果而发生的 冲突。控制冲突：流水线遇到分支指令和其他会改变 PC 值的指令所引起的冲突。由分支指 令引起的延迟称为分支延迟。可采取两种措施来减少分支延迟：在流水线中尽早判断出分支 转移是否成功；尽早计算出分支目标地址。 3. CPU 中断逻辑 （1）基本概念 中断源（人为设置的中断（访管指令）、程序性事故、 硬件故障、I/O 设备、外部事件） 中断的分类：（可屏蔽中断和不可屏蔽中断、内部中 断和外部中断、硬中断和软中断） （2）中断系统需要解决的 7 个问题 ①各中断源如何向 CPU 提出中断请求； ②当多个中断源同时提出中断请求时，中断系统如何 优先响应哪个中断源的请求； 中断判优逻辑：硬件排队电路和软件轮询方法 ③CPU 在什么条件、什么时候、以什么方式来响应中 断； 中断服务程序入口地址的寻找：硬件向量法和软件查 询法；中断响应的条件：中断允许触发器必须为 1；中断 响应的时间：当前指令周期结束 第 8页
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    课程资源

    共收录17145份资料，累计13个分类，关注成员有19位，主要包括：PHP,网络管理,网页制作,Java,.Net,数据库,3G/移动开发,C/C++,游戏开发,嵌入式,讲义,软件测试,专业指导

    热门标签

    PHP 网络管理 网页制作 Java .Net 数据库 3G/移动开发 C/C++ 游戏开发 嵌入式 讲义 软件测试 专业指导

    最新资料