计算机组成原理ch01

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ch01 第一章简介.

MCS-51 單晶片的比較 8052 系單晶片
8 位元 8KB 最大可擴充至 64KB 256 bytes 最大可擴充至 64KB 有可位元定址，4 組 (P0、P1、P2、P3) 3 組 (T0、T1、T2) 6組 (INT0、INT1、T0~T2、RXD 或 TXD) 1 組全雙工 UART
8051 系單晶片
第一章简介
1.1 微电脑基本结构 1.2 单芯片微电脑 1.3 MCS-51 单芯片微电脑
1
1.1 微电脑基本结构
微电脑基本结构
記憶體單元
輸入單元
算術邏輯單元
輸出單元
資料匯流排控制匯流排
控制單元
2
1.2 单芯片微电脑
单芯片微电脑
体积小
使用简单硬件接线容易扩充性佳
3
1.3 MCS-51 单芯片微电脑
MCS-51 单芯片微电脑
无ROM型单芯片 PROM型单芯片 EPROM 型单芯片 Flash ROM 型单芯片
4
1.3 MCS-51 单芯片微电脑
表1-1 項目
控制晶片內部程式記憶體外部程式記憶體內部資料記憶體外部資料記憶體布林運算能力 I/O 埠計時/計數器中斷源串列埠 8 位元 4KB 最大可擴充至 64KB 128 bytes 最大可擴充至 64KB 有
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
5
物联网创新中心
National Taiwan University of Science and Technology
台湾科技大学
6
可位元定址，4 組 (P0、P1、P2、P3) 2 組 (T0、T1) 5組 (INT0、INT1、T0、T1、RXD 或 TXD) 1 組全雙工 UART

计算机组成原理

计算机组成原理计算机组成原理是指计算机各个部件的功能、工作原理以及它们之间的相互连接和通信方式的理论体系。

通过对计算机组成原理的学习和理解，可以帮助我们更好地了解计算机的工作原理和设计方法，从而提升计算机系统的性能和可靠性。

1.指令系统：计算机是由指令和数据组成的，指令系统是规定计算机如何执行指令以及指令的格式和编码方式。

指令系统包括机器指令的格式、寻址方式、寄存器的功能和使用方法等。

不同的计算机系统有不同的指令系统，指令系统的设计直接影响到计算机硬件的设计和计算机性能的提高。

2.运算器：运算器是计算机的主要功能部件之一，用于进行算术和逻辑运算。

运算器一般包括算术逻辑单元(ALU)、寄存器等。

ALU是完成算术和逻辑运算的核心部件，它可以执行加、减、乘、除和逻辑运算等操作。

3.控制器：控制器是计算机的另一个重要组成部分，用于控制计算机的工作流程和指令的执行顺序。

控制器由控制电路和时序电路组成，它能够根据指令的要求来控制数据的流动和运算器的工作。

4.存储器：存储器是计算机的重要组成部分，用于存储各种数据和指令。

根据存储介质的不同，存储器可以分为主存储器(RAM)和辅助存储器(硬盘、光盘等)。

主存储器是计算机内部的存储介质，用于存储运行时的数据和指令，它具有读写速度快、容量较小的特点；而辅助存储器则具有容量大、价格低等特点，但读写速度较慢。

5.输入输出设备：输入输出设备是计算机与外部世界进行数据和信息交互的接口。

常见的输入设备包括键盘、鼠标、扫描仪等；输出设备包括显示器、打印机、音频设备等。

输入输出设备通过与计算机系统的接口进行数据传递，使得计算机可以与用户进行交互和信息通信。

6.总线：总线是计算机内部各个组件之间进行数据传输和通信的方式。

它是计算机中各种功能部件的连接线路，用于传输地址、数据和控制信号等。

总线可以分为数据总线、地址总线和控制总线，不同的总线具有不同的带宽和传输速度。

通过对计算机组成原理的学习，我们可以更好地了解计算机系统的工作原理、设计方法和各个组成部分的功能。

计算机组成原理第一章

• 第一代计算机硬件采用电子管（体积大、功耗大）为基本器件，软件主要为汇编语言。其应用于 1945—1958 年。这一时期的计算机主要为军事与国防技术服务，重点发挥计算机的计算能力，帮助人们解决复杂的计算问题。
• 1953，IBM开始研制计算机，并在几年时间里发展壮大，成为领头企业，IBM在1958 年推出了最后一台电子管大型机产品 709。在第一代计算机中，IBM 的成功产品是 IBM650 小型机，其销售量超过千台，在当时已是很了不起了。1958 年，中国科学院计算研究所成功研制出我国第一台小型电子管通用计算机“103 机”（八一型）。
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1.1
计算机历史
• 第四代计算机发展中的伟大成就是个人计算机的诞生。IBM 于 1981 年推出个人计算机，其成为历史上最畅销的计算机。由于 IBM 个人计算机设计的开放性，许多公司同样可以生产个人计算机，从而推动了新行业的发展，让成千上万人拥有了自己的计算机。第四代计算机发展的另一成果是网络的出现，它的迅猛发展使人们的生活方式、文化活动等许多方面发生了变化，网络目前已成为人们生活的一部分。随着第四代计算机的发展，该领域的企业排序发生了变化，英特尔（Intel）公司和微软（Microsoft）公司打败了世界上最大的 IBM 公司，成为世界上计算机产业的领导公司。
充分发挥硬件特性及通用性。目前 CPU 的设计一定要考虑当今的软件技术，以更好地配合软件来发挥 CPU 的效用，反之也一样。如在 2005 年，软件技术成熟了，已支持双内核 CPU 的运行，于是人们推出台式机的双内核 CPU，而双内核 CPU 技术早就用在了高端服务器上，只不过这些软件只适合在服务器上运行。台式机的双内核
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《计算机组成原理》第四版科学出版社版第一章课件

§3 计算机的硬件
1.3.1
1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5
硬件组成要素
运算器存储器控制器适配器与输入输出设备
27
第一章计算机系统概论
1.3.1
硬件组成要素
通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作原理。假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算y=ax+b-c这样一个题目。解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程，如表1.3所示。
第一章计算机系统概论
第1章
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计算机系统概论
1
第一章计算机系统概论
第一章计算机系统概论
§1 计算机的分类
§2 计算机的发展简史
§3 计算机的硬件
§4 计算机的软件
§5 计算机系统的层次结构
2
第一章计算机系统概论
§1 计算机的分类
1.1.1
电子计算机的分类
1.1.2
1.1.3
数字计算机的分类
50
第一章计算机系统概论
现代电子计算机组成
总之，现代电子计算机是由：
运算器、控制器、存储器、适配器和输入/输出设备组成的。并用系统总线连起来
51
第一章计算机系统概论
§4 计算机的软件
1.4.1
1.4.2
软件的组成与分类
软件的发展演变
52
第一章计算机系统概论
1.4.1
软件的组成与分类
计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机系统中不可少的无形部件。主要有两大类：
5
第一章计算机系统概论
数字计算机与模拟计算机的主要区别
数字计算机
数据表示方式数字0/1

计算机组成原理详解

计算机组成原理详解计算机组成原理是计算机科学与技术领域中的重要基础学科，它研究计算机硬件系统的各个组成部分以及它们之间的相互关系。

本文将以问题-解决的方式，详细阐述计算机组成原理的各个方面。

一、计算机组成原理的基本概念计算机组成原理是指计算机硬件系统的组成和工作原理，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入设备和输出设备等。

其中，中央处理器负责执行各种计算和控制操作，存储器用于存储程序和数据，输入设备用于接收外部信号，输出设备用于显示计算结果或向外部发送信号。

二、计算机组成原理的关键技术1. 计算机指令系统计算机指令系统是计算机最基本的工作方式，它由指令集、寻址方式和指令执行流程等构成。

指令集是计算机能够执行的全部指令的集合，不同的计算机体系结构有不同的指令集。

寻址方式是指计算机执行指令时如何找到指令所需的操作数和结果存放的位置。

指令执行流程是指计算机按照指令顺序执行，逐条完成计算任务。

2. 计算机运算方法计算机运算方法包括算术运算和逻辑运算。

算术运算是对数据进行数字计算，包括加法、减法、乘法和除法等。

逻辑运算是对数据进行判断和比较，包括与、或、非和异或等。

计算机通过算术运算单元（ALU）和逻辑运算单元（ALU）来实现这些运算。

3. 计算机存储系统计算机存储系统用于存储程序和数据，包括主存储器和辅助存储器。

主存储器是计算机能够直接访问的存储空间，通常采用随机存储器（RAM）或只读存储器（ROM）。

辅助存储器是主存储器之外的存储设备，例如硬盘、光盘和磁带等。

4. 计算机输入输出系统计算机输入输出系统用于实现计算机与外部设备的数据交换，包括输入设备和输出设备。

输入设备用于将外部数据传输到计算机中，常见的有键盘、鼠标和扫描仪等。

输出设备用于将计算机处理的结果显示或输出到外部，常见的有显示器、打印机和音响等。

5. 计算机控制系统计算机控制系统用于协调和控制计算机系统的各个部件，包括指令控制、时序控制和数据传输控制等。

计算机组成原理ch01

表1.1 数字计算机与模拟计算机的主要区别
比较内容计算方式控制方式精度数据存储量数字计算机模拟计算机电压电压组合和测量值盘上连线低小数字计算程序控制高大
数据表示方式数字0和1
逻辑判断能力强
无
tiger February 2010
3
电子数字计算机

电子数字计算机以近似于人类的“思维过程”来工作,俗称电脑它的发明和发展是20世纪人类最伟大的科学技术成就之一是现代科学技术发展水平的重要标志

tiger February 2010
8
计算机发展的几个阶段
代
时间
硬件技术
速度(次/秒)
一 1946－1957
二 1958－1964
电子管
晶体管
40,000
200,000 1,000,000 10,000,000 100,000,000
三 1965－1971 中、小规模集成电路四 1972－1977 五 1978－现在大规模集成电路超大规模集成电路

tiger February 2010
14
1.2.4 计算机的性能指标
性能指标
吞吐量响应时间利用率处理机字长
意义
一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量从输入有效到系统产生响应之间的时间度量在给定时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比例指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、 64位。字长越长，表示计算的精度越高一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、 MB、GB、TB来表示存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量

计算机组成原理第1章ppt课件

和电路实现。
浮点数的表示与运算
浮点数的概念
浮点数是指小数点位置可以浮动的数，用于表示更大范围、
更高精度的数值。
浮点数的表示方法
通常采用IEEE 754标准表示，包括符号位、指数位和尾数位。
浮点数的加减运算
需要进行对阶、尾数加减、规格化等步骤，同时处理溢出和舍入等问题。
浮点数的乘除运算
需要设计高效的算法和电路实现，包括浮点乘法、浮点除法
地址译码器
将地址寄存器中的地址转换为对应存储单元的选择信号。
存储体
由大量存储单元组成，每个存储单元可存放一个字节或多个字节的数据。
读写控制电路
根据CPU的命令控制存储器的读写操作。
主存储器的性能指标与优化
存储容量
主存储器可以容纳的二进制信息量，通常以字节（Byte）为单位进行衡量。
存取时间
逻辑门电路
基本逻辑门电路
介绍与门、或门、非门等基本逻辑门电路的工作原理和实现方法。
复合逻辑门电路
讲解与非门、或非门、异或门等复合逻辑门电路的工作原理和实现方法。
逻辑门电路的应用
介绍逻辑门电路在数字电路中的应用，如组合逻辑电路的设计和实现等。
03
计算机中的数据表示
数值数据的表示
定点数表示法
计算机的发展
计算机经历了从机械式计算机、电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机到超大规模集成电路计算机的五个发展阶段。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入输出设备等，是计算机的物理基
础。
软件系统
包括系统软件和应用软件，是计算机的逻辑基础。
数据
是计算机处理的对象，包括数值数据、非数值数据和多媒体数据等。

计算机组成原理课件第01章

操作系统编译、调试源操程作序系统级
4、机器机器语语言言级(指：令执系行统目) 标代码机器语言级
微程序控制器
5、微硬程核序级：硬对件逻用辑户部透件明
微程序级
图1-4 硬软件组成的层次结构模型
2. 从语言功能角度划分层次结构
程序专用语言虚拟机
高级语言虚拟机
汇编语言虚拟机实际机器(机器语言物理机) 图1-5 从语言角度划分的层次结构模型
8) 多机系统（多个CPU构成多机系统）
二、软件系统软件：各类程序和文件，是一些触摸不到的二进制信息。
1. 系统软件：负责系统的调度管理，提供程序的运行环境和开发环境，为方便用户使用，提高计算机系统的效率或扩展硬件功能而编制的程序。
1) 操作系统：核心，作业调度、处理机调度、存储管理、文件系统、外围设备管理，任何其它软件必须在OS的支持下才能运行。
不能直接访问。高速缓冲：CPU与主存之间，当前正使
用的程序、数据复制于其中，提高CPU访存速度。外部设备：I/O设备总线：主机通过一组总线连接各种I/O设备
外围接口：I/O接口，位于总线与各种I/O设备之间，起缓冲与连接作用的部件。
1. 以总线为基础的系统结构—小、微型机
采用总线结构实现数据传递－数据通路结构
2. 数据通路宽度：数据总反线映一了次寄所存能器并、行运传算送的位数。CPU
内部的一般等部于件基、本数字据长总，线而的外位部的取决于系统总线，可与数内。部硬的件相实等现，基也本可字小于内部的。
内外相长等运：算Int，el8软03件86支，持均实为32位，32位机外部宽度现小多于字内长部运：算Int。el8088，内16位，
总线BUS: 一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。（数据线、地址线、控制线）

CH01微型计算机概述

CH01微型计算机概述习题与思考题1．微型计算机由哪些部件组成？各部件的主要功能是什么？解答：微机系统微型计算机系统软件外围设备：打印机、键盘、CRT 、磁盘控制器等微处理器（CPU ）系统总线：AB 、CB 、DB （功能：为CPU 和其他部件之间提供数据、地址和控制信息的传输通道）存储器：只读存储器（ROM ）、随机存储器（RAM ）（功能：用来存储信息）输入/输出（I/O ）接口：串/并行接口等（功能：使外部设备和微型机相连）算术逻辑部件(ALU ）累加器、寄存器控制器操作系统（OS ）系统实用程序：汇编、编译、编辑、调试程序等（注：CPU 的功能－－①可以进行算术和逻辑运算；②可保存少量数据； ③能对指令进行译码并执行规定的动作； ④能和存储器、外设交换数据；⑤提供整修系统所需要的定时和控制；⑥可以响应其他部件发来的中断请示。

）2． 8086/8088 CPU 由哪两部分组成？它们的主要功能各是什么？是如何协调工作的？解答：微处理器（CPU ）总线接口部件(BIU ）：负责与存储器、I/O 端口传送数据执行部件（EU ）：负责指令的执行协调工作过程：总线接口部件和执行部件并不是同步工作的，它们按以下流水线技术原则来协调管理： ① 每当8086的指令队列中有两个空字节，或者8088的指令队列中有一个空字节时，总线接口部件就会自动把指令取到指令队列中。

② 每当执行部件准备执行一条指令时，它会从总线接口部件的指令队列前部取出指令的代码，然后用几个时钟周期去执行指令。

在执行指令的过程中，如果必须访问存储器或者输入/输出设备，那么，执行部件就会请求总线接口部件进入总线周期，完成访问内存或者输入/输出端口的操作；如果此时总线接口部件正好处于空闲状态，那么，会立即响应执行部件的总线请求。

但有时会遇到这样的情况，执行部件请求总线接口部件访问总线时，总线接口部件正在将某个指令字节取到指令队列中，此时总线接口部件将首先完成这个取指令的操作，然后再去响应执行部件发出的访问总线的请求。

计算机组成原理(李小勇)第一章PPT课件

MIPS=指令数÷程序执行时间÷ 106
FLOPS：每秒钟浮点运算次数
FLOPS=程序中的浮点操作次数÷程序执行时间
MFLOPS：每秒百万次浮点运算次数
MFLOPS=程序中的浮点操作次数÷程序执行时间÷ 106
计算机学院体系结构中心
2020/11/24
1.3计算机的硬件
八、适配器与I/O设备 ➢ 输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所
计算机学院体系结构中心
2020/11/24
1.3计算机的硬件
一、硬件组成要素通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作原理。假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算y=ax+b-c这样一个题目。解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。
计算机学院体系结构中心
2020/11/24
HLT
11110100
将立即数1传送到累加寄存器AL中计算两个数的和，结果存放到AL中将AL中的数传送到地址单元0008
停机
计算机学院体系结构中心
2020/11/24
1.3计算机的硬件
七、控制器的基本任务
➢ 控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期
计算机学院体系结构中心
2020/11/24
1.1计算机的分类
三、通用计算机分类通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为：超级计算机大型机服务器工作站微型机单片机
计算机学院体系结构中心
2020/11/24
1.1计算机的分类
计算机学院体系结构中心
➢ Intel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386。 ➢ 到现在的64位处理器和多核处理器

计算机组成原理第一章chp1-2

对于带有浮点运算的计算机系统，常用每秒Flo百ati万ong个-Mp浮oFinL点tOOP操pSe作=ra浮tMi执o点 Fn行Ls数OP时Pe操Sr间S（作ecM次1o0inl数l6ido）n
第 12 张幻灯片
1.6计算机系统的主要技术指标
目– 机录器容量:计算机的容量实际上是指机器
内部主存储器的容量。上下–一一吞页页吐量:计算机系统的吞吐量是指计算机退在出单位时间内能处理的信息量。也就是
1.4计算机的软件
一、软件的组成与分类
计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机目系录统中不可少的无形部件。主要有两大类：
系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高
上一计页算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下四类：
下一①页各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等退 ②出语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等
流入、处理和流出系统的信息的速率。
– 响应时间:响应时间指从给定计算机输入
到出现对应的输出之间的时间间隔。响
应时间取决于用户输入的信息、系统特
性以及在用户输入信息时系统正在处理
的其他负载。
第 13 张幻灯片
CPI：Cyc1le.s6P计er 算Inst机ruct系ion统的主要技术指标
CP目U 执录行时间 = (CPU时钟周期数 / 程序 )X 时钟周期 = (CPU时钟周期数 / 程序 )÷ 时钟频率
五、系统结构分类——按并行性
目录
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CU
PU
MM
CU
(a) SISD 结构
(b) SIMD
PU1
MM1
PU2
MM2
…

计算机组成原理知识点总结课件第01章

2、应用软件解决某一应用领域问题的软件。如科学计算软件、财会软件等。
1.6 计算机系统的层次结构
1.6.1 计算机系统的层次结构计算机系统以硬件为基础，通过配置软件扩充功能，形成一个相当复杂的系统。通常采用层次结构的观点去分析、设计和构建它。
1、从计算机系统组成角度划分层次结构
高级语言层（应用程序）
1.4 计算机的特点
1.4 计算机的特点
数字电子计算机是一种能自动地、高速地对各种数字化信息进行运算处理的电子设备。快速性通用性准确性逻辑性
1.5 计算机系统的组成
1.5 计算机系统的组成硬件与软件的有机结合，组成计算机系统，在这个系统中，硬件是载体，软件是灵魂。例：PC机
1.5.2 计算机的软件系统计算机的软件是指根据解决问题的方法、思想和过程编写的程序的有序集合。计算机的软件系统包括系统软件和应用软件两大类：
系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、监视
和服务等功能。
应用软件是用户为解决某种应用问题而编制的程序。
1、系统软件
（1）操作系统管理和控制计算机系统硬、软件资源及运行的程序，合理地组织计算机的工作流程，为用户提供软件的开发环境和运行环境。提供的用户界面
1、系统软件（3）标准库程序
由按照标准的格式预先编制好的常用的程序段而组成的一个标准程序库。
1、系统软件（4）服务性程序也称为工具软件，一般包括诊断程序、调试程序等。
1、系统软件 (5) 数据库管理系统由数据库和数据库管理软件组成。
1、系统软件（６）计算机网络软件计算机网络软件是对计算机网络进行配置的系统软件。它负责对网络资源进行组织和管理，实现相互之间的通信。

计算机组成原理介绍课件

量子计算机应用
量子计算机在密码学、化学模拟、优化问题和机器学习等领域具有广泛的应用前景，未来有望在各个领域带来突破性的进展。
光子计算与计算机
光子计算原理
光子计算利用光子作为信息传递和处理的载体，具有高速、低能耗和并行处理等优势，为计算机技术的发展带来了新的可能性。
光子计算机应用
光子计算机在通信、图像处理、加密和并行计算等领域具有广泛的应用前景，未来有望在高速网络、数据中心和云计算等领域发挥重要作用。
机器学习与深度学习
机器学习和深度学习技术将进一步推动计算机智能化的发展，使得计算机能够从大量数据中自动提取有用的信息，并做出更准确的预测和决策。
量子计算与计算机
量子计算原理
量子计算利用量子比特作为计算基本单位，能够实现更高效的并行计算和更快的数据处理速度，为解决一些复杂问题提供了全新的思路。
驱动相应的硬件电路完成指令规定的操作。
程序的执行过程
程序的执行过程就是连续不断地执行一系列指令的过程，这些指令按照程序中语句的顺序依次被取出、分析和执行。程序执行的结果可以被输出到屏幕上或存储到内存或外存
中。
05
计算机性能优化
硬件性能优化
处理器性能
内存优化
存储设备
选择高性能的处理器，如多核处理器，以提高计算能力和处理速度。
增加内存容量，优化内存管理机制，以提升系统运行速度和响应能力。
选择高速的存储设备，如固态硬盘（SSD），以加快数据读写速度。
显卡配置
对于图形处理和游戏应用，配置高性能的显卡能够提升显示效果和帧
率。
软件性能优化
操作系统优化
精简操作系统组件，关闭不必要的服务，以提高系统运行效

计算机组成原理(考研+期末)重点知识点总结

计算机组成原理（考研+期末）重点知识点总结一、Ch01&02: 概论与数据表示●计算机系统组成1.硬件系统●冯·诺依曼思想●提出使用二进制作为计算机数制基础|●二进制运算规则简单●0/1状态更容易用物理状态实现●适合采用布尔代数方法实现运算电路●存储程序将程序存放在计算机的存储器中●程序控制计算机中控制器逐条取出存储器中的指令并按顺序执行●五大部件●运算器运算器完成算术运算，逻辑运算●控制器控制器控制指令的执行，根据指令功能给出实现指令功能所需的控制信号●存储器主存储器存放程序及数据●输入设备●输出设备●系统互联总线（Bus）是连接两个或多个设备的公共通信线路2.软件系统●应用软件●系统软件●操作系统●固件（Firmware）固化的软件，兼具硬件和软件的特性，如BIOS3.层次结构●高层是底层功能的扩展，低层是高层的基础●计算机性能指标与评价1.非时间指标●字长CPU一次操作能处理的最大数据位宽，一般与寄存器、运算器、数据总线的位宽相等●主存容量主存能存储的最大信息量，一般用MxN表示（M表示存储单元数，又称子容量；N表示每个存储单元存储的二进制位数，也称位容量）2.与时间有关的性能指标●时钟周期时钟周期是计算机中最小最基本的时间单元，在一个时钟周期内CPU完成一个最基本的动作时钟周期是时钟频率的倒数，也称节拍周期或T周期，随着主频的提高时钟周期将变短●CPI（Clock Cycles Per Instruction）执行每条指令所需要的平均时钟周期数●计算机数据表示1.进制转换●十进制转二进制真值●整数部分除2取余，倒着取，直到商为0为止●小数部分乘2取整，正着取，直到满足位数或小数部分为0为止2.数值编码●真值用正负号+/-表示正负的二进制数值●机器码将符号和数值一起编码表示的二进制数●原码符号位0正1负，数值位不变●表示区间●定点小数●定点整数●反码符号位与原码相同，数值位上正数与原码相同，负数为原码取反●表示区间与原码一致●补码●模的概念a ≡b (mod m) 模为m●时钟原理：表示负数时可以使用模的性质转换成正数，即把减法变成加法●负数的补码可以用模数加上该负数获得●有字长限制的二进制运算为有模运算，模数为最高位进位的权值●计算机中补码的定义●设定点小数x0.x1x2...xn 其中x0为符号位，该数模数为最高位进位2●根据补码定义可知●扩展至n位定点整数而言●求补码的简便方法●反码法（适合机器运算）当X为负数时，补码等于反码末位加1当x为正数时，补码与原码一致●扫描法（适合手工计算）当X为负数时，对真值部分从右到左扫描，右起第一个1及其右边的0保持不变，左边的真值位全部取反●移码●只能用于定点正数的表示，通常用于表示浮点数的阶码●移码与补码只有符号位相反，其余全相同3.浮点数表示●二进制浮点数采用了类似十进制科学计数法的表示方法●阶码E（Exponent）是定点整数，用移码表示●尾数M（Mantisa）是定点小数，用补码表示●浮点数表示范围●IEEE754标准4.汉字区位码●GB2312编码●双字节编码，16位，其中两个字节的最高位都是1，实际有14位编码空间●实际没有填满，使用94x94的矩阵表示所有汉字字符，矩阵的每一行称为“区”，每一列称为“位”●转换公式：区位码 + A0A0H = GB2312编码●汉字机内码计算机内部存储的汉字编码，如GB系列编码●汉字输入码（外码）使用英文键盘输入汉字的编码，即输入方案●流水码●音码（拼音）●形码（五笔）●音形码●汉字字形码（输出码）输出汉字的图形点阵数据，字形码按区位码排列的二进制文件称为汉字库●数据校验1.码距与校验●校验码在原始数据中引入部分冗余信息用于校验●码距/海明距离一个编码集内两个不同编码对应二进制位不同的个数●校验码的目的在于提高编码集中最小码距●码距越大，抗干扰能力越大，纠错能力越强，数据冗余越大，编码效率越低2.奇偶校验●冗余位：1位校验位P●检验串中1的个数●检错位G=1一定出错●只能提供奇数位错误的检错3.二维奇偶校验/交叉奇偶校验●将一个串分成很多等长的子串，按行分布在二维矩阵里，同时进行行和列的奇偶校验●一个数据位参加多个检验组，发生错误可在多个检测码中反馈4.海明校验5.CRC循环冗余校验●模2运算不考虑进位和借位的运算●生成步骤●1. 将原数值M左移r位得到R●2. 找一个r+1位的二进制串G●3. 用模2除法求R除以G得到的余数填在右边的空白r位上就是冗余码部分●解码将校验码除以生成多项式（约定的二进制串G）后余数为0表示数据正常二、Ch03: 运算器●定点加减法运算1.运算定义●补码加法●补码减法2.溢出检测●监测符号位：正正得负 & 负负得正 -> 溢出●监测进位：符号位进位与数值位进位不同为溢出●双符号位：将符号位扩展成两位进行运算●若相加后两个符号位不同为溢出●符号位最高位永远是正确符号位3.逻辑实现●全加器（FA）带进位的一位加法器●逻辑表达式●逻辑电路●半加器（HA）没有进位输入●多位串行加法器●先行进位加法器●定点乘法运算1.原码一位乘法●符号位：异或●真值部分：普通竖式运算●部分积使用累加寄存器存储2.补码一位乘法●符号位参与运算，可以采用单符号位，双符号位用于溢出检验●运算步骤●先写出[X]补，[-X]补，[Y]补备用，画出运算表格，注意[Y]补要在最右边扩充一个0●判断乘数[Y]补最后两位，决定部分积加哪个数●01：[X]补●00/11：0●10：[-X]补●将部分积和乘数都右移一位，注意左边移出的位接在右边●部分积是算术右移，即符号位扩展右移，且右边没有限制●乘数右边是位宽墙，不需要扩展●重复上述步骤直到乘数不足一位，将最终结果与移出位拼起来形成答案●浮点运算1.浮点加减法运算●阶码和尾数均采用补码表示●对阶：使两浮点数阶数相等，尾数就可以直接相加●规则：小阶向大阶看齐小阶放大，尾数减小，右移损失的是影响较小的低位●步骤●求阶差：减法运算●尾数移位●保留附加位移除的低位部分（的最高位），作为附加位参与中间运算提高精度●通常保留三个保留附加位，从右到左排序（高位到低位）●保护位●舍入位●粘位舍入位右侧还有数则粘位为1，否则为0●尾数运算●结果规格化目的是保证浮点数编码唯一性，真值格式是数据位的最高位一定是1●规格化方法●左移规格化（左规放大）●绝对值小于0.5需要放大●移动（逻辑左移，补0）多少位阶码减多少●注意符号位一起移●右移规格化（右规减小）●绝对值超过1，发生上溢●只需要算术右移（保留符号位）一位，阶码+1●舍入●末位恒置1法只要移位丢失的位中有一位是1，结果末位就是1●0舍1入法丢失位最高位若是1则将尾数末位+1●舍入可能破坏规格化结果，因此需要再次规格化●溢出判断●只有阶码移除才算溢出●当阶码符号位为01或10时结果溢出●IEE754浮点数●阶码用移码表示，尾数用原码表示，且尾数的最高位隐藏●对阶和规格化采用移码的计算规则●尾数隐藏位参与运算，采用原码运算规则2.浮点乘法运算●第一步：阶码相加●第二步：尾数相乘●第三步：规格化舍入三、Ch04: 存储系统●存储系统概述1.存储器的分类●按存储介质●磁存储器包含机械装置，体积大，速度慢，成本低●半导体存储器了解其是什么，不必掌握原理●双极型存储器●MOS存储器●静态MOS存储器（SRAM）●动态MOS存储器（DRAM）●光存储器（光盘）●按存储方式●随机存储器（RAM，Random Access Memory）根据地址随机读写数据单元，访问时间与访问位置顺序无关半导体存储器是随机存储器●顺序存储器（SAM，Sequential Access Memory比如磁带存储器●直接存储器（DAM，Direct Access Memory）不需要顺序搜索就能直接存取信息，兼具RAM和SAM的特性（根据地址读写，但时间和位置并非完全没有关系）磁盘是DAM，由于机械结构的延迟导致其时间和磁头与目标扇区的距离有关●按可写性●读写存储器●只读存储器（ROM，Read-Only Memory）●按可保存性●易失性存储器●非易失性存储器●按功能和速度●寄存器存储器●高速缓冲存储器（高速缓存Cache）隐藏在寄存器和主存之间的高速小容量存储器，用于存放CPU常用或即将使用的指令和数据，一般由SRAM构成，用于缓冲CPU寄存器和主存之间的性能差异●主存储器（主存）CPU除寄存器外唯一能直接访问的存储器，用于存放指令和数据，通过地址直接、随机地读写主存主存一般是半导体存储器，但还包括BIOS和硬件端口等●外存储器（外存/辅助存储器）容量大，但速度块，如磁盘、磁带、光盘、网络存储阵列等2.存储器性能指标●存储容量●位表示法用存储器中存储单元总数与存储字长（每个单元的位数）的乘积表示，如1K*4位（K=1024）●字节表示法带B表示法，1B=8位●存取速度●存取时间（访问时间）启动一次存储器操作到操作完成的时间，注意读写时间可能不同（DRAM读慢写快，闪存读快写慢）●存取周期连续启动两次操作之间最短的间隔时间，略大于存取时间对于主存而言，周期除了包括存取时间还包括状态恢复时间●存储器带宽单位时间内存储器能传输的信息量，与存储时间的长短和一次传输的数据位多少有关一般来说，存取时间越短，数据位宽越大，存储带宽越高3.存储系统层次结构4.DRAM刷新●刷新的概念定期补充电荷以避免电荷泄露（泄露电流）引起的信息丢失●刷新周期●刷新周期是存储器实际完成两次完整刷新的时间间隔●最大刷新周期：信息存储到数据丢失之前的时间间隔●按行刷新动态存储器的刷新按行进行●减少存储矩阵的行数，增加列数，可以减少刷新周期●刷新地址由刷新地址计数器产生，而不是CPU发出，位数与存储芯片的行数有关●每个刷新周期内，刷新地址计数器从0到最大值循环遍历一次●刷新时DRAM不能响应CPU访问，称为死时间●刷新方式由于CPU和内存刷新控制器存在内存争用问题，由不同的解决方案决定了不同的刷新方式●集中刷新●最大刷新周期：2ms●在数据丢失之前集中刷新所有行，即一个最大刷新周期的时间的最后部分全部用于刷新，其余时间用于读写●存在死区（集中刷新的区段CPU长时间无法访问），用于实时要求不高的场合●分散刷新●最大刷新周期：2ms●一次读写操作后紧跟着一个刷新操作，一个读写+刷新操作被称作一个存储周期●刷新次数过多，浪费了时间，用于低速系统●异步刷新（最常用）●最大刷新周期：2ms●各刷新周期分散地安排在一个最大刷新周期中●假设存储矩阵有有128行，每隔2ms/128=15.5微秒刷新一行,将128次刷新分散●主存系统1.主存特征●基本结构●空间逻辑上可以看作一个一维数组，每个数组元素存储一个m位的数据单元，主存地址就是数组的下标索引●硬件结构由存储体（DRAM）和外围电路（包括译码器、数据寄存器和读写控制电路构成）●存储体有2^n个m位的存储单元●地址译码器接受来自CPU的n位地址信号，转换成2^n根地址译码信号，其中每根译码信号都连接一个存储单元，2^n个译码信号中有且只有一个信号有效●数据暂存器暂存CPU送来写入的数据或主存读出的数据●读写控制电路接受CPU的读写控制信号，决定存储器的读写模式●数据存放●存储字长主存中每个存储单元存储的位数●数据字长（字长）计算机一次能处理的二进制位数，存储字长和数据字长不一定相同●地址访问模式存储字长都是字节（8-bit）的整倍数，通常按字节编址●字节地址（8位）●半字地址（16位）●字地址（32位）●小端（Little-Endian）存储数字中低位先存（在地位内存），大端存储与之相反●边界对齐●跨n个字节地址的变量访问需要消耗n个存取周期●对齐后访问速度高，不对齐节约主存空间2.主存的组织与CPU连接●存储器扩展左侧是4片2K x 2位的字长扩展右侧是4片8K x 8位的字数扩展●位扩展（DBUS，字长扩展/数据总线扩展）适用于存储芯片的数据总线位宽小于CPU数据总线位宽●各芯片同时并行工作●字扩展（ABUS，字数扩展/容量扩展/地址总线扩展）适用于存储芯片的单元字长小于要求的存储单元字长●CPU给出地址后，经译码器片选后，同一时刻只有一个芯片在工作●综合扩展●考察重点●根据要求对存储器的组合●不同存储器之间的关系（串联OR并联/多合一OR一分多）3.并行主存系统●SDRAM（同步DRAM，Sync Dynamic Random Access Memory）●普通DRAM的访问过程是CPU给出地址和控制信号 -> 经过存取时间后完成操作，存取时间内CPU只能等待●同步DRAM与CPU的数据交换时钟信号同步，不需要等待●DDR（Double Data Rate）SDRAM●在时钟周期的上/下沿各进行两次数据传输●DDRn代表2^n路总线，提升总带宽●双端口存储器双端口存储器有两组相互独立的端口，分别可独立地进行读写操作●两个端口地址不同时，不会发生冲突，可以并行读写●两个端口地址相同时，发生冲突●每个端口有一个阻塞标志BUSY，置0时表示阻塞，置1表示复位●冲突发生时由逻辑判断哪个端口优先操作，并将另一个端口置0，优先端口操作完成后再复位另一个端口，继续操作●多通道内存技术组织方式与存储扩展中的字长扩展方式一致（并联）●单体多字存储器（联动模式）多个存储模块共享地址总线，因此读取一个地址时可以并行读取到多个模块中同一地址的单元，从而实现在一个周期内访问多个存储字，m个存储模块可以提升m倍带宽●所有存储模块同步并发，共用同一个地址寄存器●单存储周期访问多个存储字，数据线为合并结果●性能线性增长，总线位宽变换●要求内存的容量、频率、时许完全一致●多体多字存储器（非联动模式）两个模块之间通过独立的片选信号、地址总线和读写控制线，数据总线也彼此独立，因此两根内存不需要同步，但仍是并发工作●多体单字存储器（多体交叉存储器/编址方式）由多个容量、存取速度相同的存储模块构成，但彼此之间不是并发运行，根据其编址方式的不同进行分类（把地址中哪一部分交给选片器）●高位多体交叉（顺序编址）●多模块串行，相邻地址在同一存储体内先顺着编完一个模块，再编下一个模块●可以扩充容量，但由于程序具有局部性和连续性的特点，往往会导致一个存储体访问频繁而其他存储器空闲●方便故障隔离，无性能提升●低位多体交叉（交叉编址）●多模块流水并行，相邻地址在不同存储体中●可以扩充容量并提升性能（减少恢复时间的影响）●适合突发的顺序访问，是带cache的主存（SDRAM和多通道内存）编址模式●考察重点：不同编址方式下的带宽计算（时间）●存储周期公式：T=nt●T=存储模块的存储周期●n=交叉模块数（通常为2的幂次方）●t=总线的反应时间/存储体切换时间●顺序编址读写时间：t总=nT●T=存储周期●n=读写的存储字个数●交叉编址读写：t总=T+(n-1)t●T=存储周期●n=读写的存储字个数●t=最短反应时间●带宽：W=B*n/t总●B=总线位宽度●n=读写的存储字个数●t总=读写总时间4.高速缓冲存储器（cache）SRAM相比DRAM速度更快，但容量小、功耗大、价格高，可用于缓冲（cache），缓解主存与CPU之间的性能差异，推而广之，一切有性能差异的地方都可以有cache●cache 工作原理●根据SRAM中cache块的大小，将主存进行分块（块大小与cache块大小相同），并对主存块进行编号●使用cache的理论依据：程序局部性在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分，而执行程序所需的指令也仅限于某个存储区域●时间局部性（反复调用）当程序访问一个存储位置时，该程序在未来可能被多次访问（如循环体）●空间局部性（连续存放）一旦程序访问了某个存储单元，其临近的存储单元大概率也即将被访问（代码、数组等数据在主存中均按顺序存放）●cache 读操作流程●CPU接受要读取的地址，解码并在cache中查找地址●如果命中，则根据地址读出cache中数据并返回CPU●如果缺失，则为缺失的数据分配cache块（可能发生块替换），载入内容并更新cache，然后再读取数据返回CPU●cache 写操作流程●CPU接受地址，解码并在cache中寻找对应地址●若查找命中，则直接进行数据写入；若查找缺失，则根据是否采用写分配法进行下一步操作●写分配法（Write-Allocate）需要先将数据块载入cache，重新进行写命中流程●非写分配法则直接将数据写入主存●在写命中后，将数据写入到cache中●若采用写回（Write-Back, WB）策略，则将该cache行的修改位（脏位，Dirty Bit）置为1，并在该cache块被替换时才会将修改写入主存●若采用写穿（Write-Through, WT）策略（又称直写法），当写命中时，同时修改cache和主存中的同一数据块多CPU/多核系统下，各CPU都有自己的cache，因此这种情况下写穿法无法保证其他CPU中cache的同步更新●cache 相关术语●数据命中（Hit）CPU访问的数据在cache中找到●命中访问时间 tc命中时数据访问所需的时间，包括查找时间和cache访问时间●数据缺失（Miss）CPU访问的数据不能在cache中找到●缺失补偿（Miss Penalty）数据缺失时访问所需时间，包括查找时间、主存访问时间和cache访问时间，其中主存访问时间占大头，通常用tm表示●数据块（Block）cache和主存都被分为若干固定大小的数据块（cache和主存中块大小相同），每个块包含若干字（节），以块为单位交换数据，这也是一种预读策略●进行分块后，主存和cache地址都可以用块地址（序号）:块内偏移地址（偏移字节数）的二维地址空间进行描述●命中率（Hit Ratio）h=Nc/(Nc+Nm)某程序运行期间，命中cache的次数比上访问主存的总次数●缺失率（Miss Ratio）1-命中率●平均访问时间 ta = htc + (1-h)tm●访问效率 e = tc/ta●各种因素间的关系●cache 命中率与容量的关系●块容量与命中率的关系空间局部性越好，时间局部性越差●地址映射方式与命中率的关系●cache 行/槽（Line/Slot）将一个cache数据块和相关的标记标志信息合称一个cache行●cache 关键技术●数据查找（Data Identification）如何快速判断数据是否在cache中●全相联映射中使用相联存储器（Content Addressable Memory, CAM）实现快速查找●CAM是一种直接按内容进行访问（输入的不是地址而是要查询的key）的存储器，用于存放查找表，其基本存储数据单元是键值对●硬件成本高（比较器多），通常用于存放查找表/全相联cache●存储容量=查找表容量=表项数*表项大小cache中用于存放块表，虚拟存储器中用于存放段/页表●CPU片内缓存●查找表与缓存副本一体●存放cache行（有效位+主存块序号+数据块副本）●片外缓存/片内查找表●查找表与缓存副本分离●只存放查找信息（有效位+主存块序号+cache块地址）●读逻辑实现●Valid位用于判定当前键值对是否有效（若无效直接不输出）●所有存储单元中的Key要与输入的关键字进行并发比较，有n个存储单元就有n个比较器●所有比较器的输出结果取或，输出为Hit结果●将每个比较器的输出结果输入三态门控制端，若Hit成功则输出对应Value●地址映射（Address Mapping）如何将主存数据放入cache行中●全相联（Full Associative Mapping）映射全相联模式下，主存中每一个数据块都可以放入cache中的任意数据块（任意行）中●新的主存数据块可以载入cache中的任意一个空行，只有cache满时才会进行替换，因此利用率最高，但需要CAM提供的快速查找功能，查找成本较高●优点：映射灵活，cache利用率高，冲突率低，命中率高●缺点：淘汰算法复杂，查找成本高●主存地址分为主存块地址/序号（tag，长度为s）和块内偏移量（offset，长度为w）两部分●cache块（数据块副本）应与主存中数据块大小相同，即容纳偏移量最大值数量的字节数，因此cache块大小为2^w字节●主存容量对应为2^(s+w)字节●所有cache行的实际容量为 n*(1+s+8*2^w)位●n：cache行数●1：每行有效位●s：每行tag部分（主存块序号）●8*2^w：数据块容量从字节转换成位●逻辑硬件实现假设cache块大小为4W(=4*16Bit)，共8行主存按字访问，地址长度为9位，采用全相联映射●块大小为4W，且读取单位是字（W），则偏移地址为0~4，则w=2●tag部分由于地址总长度为9位，则s=9-2=7●其后过程与CAM类似，只是需要使用偏移地址选择最后的输出●查找表和数据块副本分开存放，用相联存储器连接●直接相联（Direct Mapping）直接相联模式下，每一个（类）主存块地址（序号）只能映射到cache中固定的行●映射规则：cache块号 i = 主存块号 j mod (cache行数 n)上述规则等价于将主存按cache总大小进行分区，每个分区中包含的数据块数量与cache行数相同，每个分区中的数据块只能填入对应序号的cache行中●主存地址可以细分为区地址（tag）、区内行索引（index）和偏移地址（offset）三部分●tag字段表示主存中分区的序号（查找标记）●index字段表示当前分区下cache行的序号●offset与全关联相同●cache的实际容量为n*(1+s-r+8*2^w)位●s是块地址总长度，r是行索引长度，s-r是区地址长度（直接相连cache只用存储区地址用于查询）●硬件逻辑实现●由于主存块只能放置在index对应的cache行中，因此不需要全相联查找，也不需要将查找表放在CAM中，直接通过index就可以访问对应数据●结构中没有相联存储器，所有cache行共用一个比较器●查找表和数据副本一起存放，无需相联存储器●优点是映射速度快，查找成本低，替换算法简单；缺点是命中率低，易冲突导致cache利用率低●组相联（Set Associative Mapping）组相联映射是将直接相联映射和全相联映射两种方式的折中，既能提高命中率，又能降低查找硬件的开销●k-路组相联将cache分成固定大小的组，每组有k行●主存数据块首先采用直接相联映射的方式定位到cache中固定的组，映射规则为cache组号 = 主存块号 mod (cache组数)等价于把k组cache块看成一个数据块进行映射，其中具体某一块的映射则由完全映射决定●然后采用全相联映射到组内任何一个cache行●主存地址可以分为标记字段（tag），组索引（index）和块内偏移（offset）三部分●tag字段与直接相联中分区序号类似●index字段是cache组的索引，即映射规则中得到的余数●cache的实际容量为 kn*(1+s-d+8*2^w)位●k为k路中的每组行数●n为cache组数●s-d是标记位长度●逻辑硬件实现●直接相联映射让数据查找的范围快速缩小到一个cache组，大大减少了查找范围，降低了硬件开销；组内采取全相联映射规则，避免了高冲突率，提高了cache的命中率●k路组相联只需要k个并发比较器●大容量cache可采用直接映射方式（cache够大可以提升命中率），小容量cache一般采用全相联映射或组相联映射●替换策略（Placement Policy）cache满后如何处理●先进先出法（FIFO）●最近不经常使用方法（LFU，Least Frequent Used）每行设置一个计数器，统计自处理器启动以来每个cache行的调用次数，当需要替换时替换掉调用次数最少的行。

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