[专业课]——计算机组成复习

概述(1.5小时)

计算机系统：

• 硬件的发展:
  • 电子管
  • 晶体管
  • 中小规模集成电路
  • 超大规模集成电路
• 硬件的组成:
  • 输入输出设备（I\O设备）
  • 存储器
    • 存储器的性能指标：
      • MAR的位数反映了存储单元的个数
      • MDR的位数反应了存储单元存储字的字长
      • 总存储大小：个数 * 字长（MAR32位，MDR8位，2^32 x 8 = 34,359,738,368 bit = 4,294,967,296 B = 4,194,304 KB = 4,096 MB = 4GB）
  • CPU
    • 运算器
    • 存储器
    • CPU的性能指标：
      • 主频（HZ），CPU内数字脉冲信号振荡的频率
      • 时钟周期（S），CPU内数字脉冲信号振荡一次需要的时间
      • CPI：执行一条指令需要的时钟周期数
        • CPU执行时间 = 指令数 x CPI / 主频
      • IPS：每秒执行多少条指令=主频 / CPI
      • FLOPS：每秒执行多少次浮点运算
• 性能：
  • 存储器的性能
  • CPU的性能
  • 系统整体的性能
    • 数据通路的带宽：数据总线一次能够并行传送信息的位数–>数据字长
    • 吞吐量： 单位时间能够处理请求的数量
    • 响应时间：用户发送请求到请求得到响应的等待时间
    • 机器字长：计算机内部一次可以处理的二进制的位数，也等于整数运算的数据通路的宽度，也就等于ALU、通用寄存器(X)的宽度
• 现代计算机结构：
  
  • 主存储器:
    • 存储体
      • 存储单元：存储体由存储单元构成
      • 存储字：一个存储单元中存储的二进制代码
      • 存储字长：二进制代码的位数（16、32、64…）
    • MAR（Memory address register：存储地址寄存器）：2^MAR的位数 = 存储单元的个数（4位->16个存储单元）
    • MDR（Memory data register：存储数据寄存器）：MDR的位数=存储单元的字的字长（16位->16的字长->1个字长度为16bit（2个字节(B)））
    • 读：我向MAR提供地址，存储器对应位置的数据先传输到MDR，我从MDR取数据
    • 写：我向MAR提供地址，向MDR提供数据，存储器把数据写入到对应地址
  • 运算器:
    • ACC：累加计数器
    • MQ：乘商寄存器
    • X：通用寄存器
    • ALU：算数逻辑单元
  • 控制器
    • CU：控制单元
    • IR：指令寄存器
    • PC ：程序计数器
  • 汇总:
    
• 三种级别的语言：
  • 高级语言-》高级语言机器
  • 汇编语言-》汇编语言机器
  • 中间有一个操作系统机器
  • 机器语言-》机器语言机器
  • 微指令-》微程序机器
  • 高级语言向机器语言转换的两种方式
    • 编译器：将源程序一次性翻译成可执行的机器语言，再执行
    • 解释器：翻译一次、执行一次

数据的表示和运算(3小时没学完)

进位计数制：

• 基数：每个数码位用到的符号个数
• 转换：

  • 任意进制-》十进制 √

  • 十进制-》任意进制：
    （整数部分：除基取余法）
    
    （小数部分：乘基取整法）
    

  • 二进制《-》八进制：
    

• 二进制《-》十六进制
  

字符和字符串：

• 英文
  • 0-31：控制字符
  • 32-126：可印刷字符
  • 127：delete
• 中文
  • 区位码：0-93 0-93
  • 国标码：+32个控制符，即区位码+2020H（20H=32）
  • 汉字内码：首位0-》1，即国标码+8080H（80H=128）

原、反、补、移：

• 补码的作用：用补码表示负数，进行计算，使减法变为加法
• 移码的作用：方便比较大小

定点数：

• 定点数的表示：
  • 无符号数(整数)： n位：0-2^n-1（2的n次方个数）
  • 有符号数：
    • 整数（小数点隐藏在末尾）：
      • 用原码表示：n+1位：-（2的n次方-1） - （2的n次方-1）（2的n+1次方-1个数，因为1000…和0000都表示0）
      • 用反码表示：正数的原码不变，负数的原码数值位取反
      • 用补码表示：原码的1000…和0000…都表示0，而1000…所对应的补码=0000…所对应的补码，所以把1000…这个补码表示大小-2^n，故其范围为：-（2的n次方） - （2的n次方-1）
    • 小数（小数点隐藏在符号位后）
      • 用原码表示：n+1位：-（1-2的-n次方）-（1-2的-n次方）（也有+0和-0两种表示）
      • 用反码表示：正数的原码不变，负数的原码数值位取反
      • 用补码表示：原码的1.000…和0.000…都表示0，而1.000…所表示的补码=0.000…所对应的补码，所以把1.000…这个补码表示大小-1，故其范围为-1 - （1 - 2的-那次放）
  • 原-》补，补-》原一摸一样，都是正不变、负数值位取反+1
  • 移码：补的符号位取反

定点数的运算：

• 移位运算：
  • 算数移位：
    • 正数：
      • 原、反、补，左右移都补0
    • 负数：
      • 原码：左右移动补0
      • 反码：左右移动补1
      • 补码：左移补低位补0，右移高位补1
  • 逻辑移位：无符号，补0
  • 循环移位：
• 加减运算：
  • 溢出：
    • 上溢：正+正 -》负
    • 下溢：负+负 -》正
  • 判断溢出：
    • 方法一：
      
    • 方法二：
      
    • 方法三：
      
• 类型转换（以补码形式）：
  • 有符号-》无符号，直接转
  • 长字长-》短字长，高位直接截断
  • 短字长-》长字长，高位补符号位（正时，补0；负时，补码高位与反码保持一致，补1）

数据的存储与排序：

• 小端：最高有效字节放在高地址，最低有效字节放在低地址
• 大端：最高有效字节放在低地址，最低有效字节放在高地址
• 边界对齐：空间换时间
• 边界不对齐：时间换空间

浮点数：

• 组成：阶符、阶码的数值部分、数符、尾数的数值部分
• 规格化：
  • 左规：尾数左移，阶码-1 （循环多次）
  • 右规：尾数右移，阶码+1（循环多次）
  • 原码的规格化：
    • 正数：0.1XX，最小为1/2，最大为1-2的-n次方
    • 负数：1.1XX，最小为2的-n次方-1，最大为-1/2
  • 补码的规格化：
    • 正数：和原码一致
    • 负数：1.0XX，最小为-1，最小为-1/2-2的-n次方
      
      

存储系统

存储器的层次化结构：

• 寄存器
• cache：为了解决CPU和主存的速度不匹配
• 主存
• 辅存：为了解决主存的容量不够
• 外存
• 从上往下，容量↑，访问速度↓，价格↓

存储器分类：

• 介质：
  • 半导体
  • 磁性材料
  • 光
• 存取方式：
  • 相联存储器：既可以按照内容又可以按照地址访问
  • 随机（RAM）：
    • DRAM：栅极电容，主存，破坏性读出，速度更慢。DRAM中的电荷一会儿就会消失，需要采取地址线复用，需要刷新：
      • 多久刷新一次？2ms
      • 每次刷新多少个存储单元？ 行存储单元（n位地址，译码器需要2的n次方跟地址线，可分为行、列译码器，减小地址线个数，不过片选线要分成行通选+列通选）
      • 刷新方法：
        • 分散刷新
        • 集中刷新
        • 异步刷新
    • SRAM：双稳态触发器，cache，非破坏性读出，速度更快，不需要采取地址线复用
  • 顺序：磁带
  • 直接： 磁盘、光盘
• 信息可更改性：
  • 读写
  • 只读（非易失）（ROM）：
    • 掩膜式只读存储器（MROM）：
    • 一次可编程只读存储器（PROM）：
    • 可擦除可编程（RPROM）：
    • 闪存（Flash：U盘）
    • 固态硬盘（SSD）
• 信息可保存性：
  • 易失
  • 非易失

存储器的性能指标：

• 存储容量：存储字数 x 存储字长
• 单位成本：每一个位的价格
• 数据传输率：数据带宽（字长）/ 存储周期（每存储一个字长需要的时间）
  • 存储周期 = 存取时间 + 恢复时间

存储芯片的组成：

• 译码器：把输入的地址进行移码
• 存储矩阵：nxm，n表示存储单元个数，m表示字长
• 控制电路
• 片选线
• 读写线
• 数据线
• 地址线

存储器和CPU的链接：

• 位拓展，充分利用CPU的数据宽度
  

• 字拓展，充分利用CPU的地址线(把地址线用于片选线)

  • 线选法（one-hot）：n个高位地址线-》片选n个存储元
  • 译码片选法：n个高位地址线-》片选2^n个存储元
    

• 字位同时拓展:
  

Cache：加快访问物理地址的速度

• cache的性能分析：
  • cache和主存同时被访问：Hxt1 + (1-H)(t2)
  • 先访问cache再访问主存：Hxt1 + (1-H)(t1+t2)
• cache和主存之间的映射：
  • 块： 考虑4MB的主存，按字节编址。假设一个块有1KB，则有2^12块。则将原来，4M–>22位的地址分成前12位的块号，和后10位的块内地址。
  • 映射关系：
    • 全相联映射（全）：cache块中可能存放任意的主存块
    • 直接映射（直接）：主存块号 % cache块号 --》放哪一块
    • 组相连映射（组间直接，组内全）：将cache进行分组，主存块号 % cache组号–》放哪一组
  • 如何知道cache中存的是主存中的哪一块？
    • 标记位+有效位。
    • 特别的，如果是直接映射，第i块的主存块需要对cache块号进行取余，假设cache块号为2^n，则主存地址=块号 | 块内地址，而块号的后n位就是其所对应的cache块号，前面的就是cache中需要保存的标记位。
    • 同样的，如果是组相联映射，假设cache组号为2^n，则主存地址=块号 | 块内地址，而块号的后n为就是其所对应的cache的组号。
• cache的替换算法（如果cache满了怎么办？直接映射不存在替换算法）
  • 随机算法
  • 先进先出算法：抖动现象：刚刚被换出的马上又被访问
  • 最近最少使用算法：
  • 最不经常使用算法：
• cache的写策略
  • 能够命中：
    • 写回法：需要设置脏位，表明某cache块是否被修改，被修改的cache块只有被替换出时，才会写回
    • 全写法：实时同步
    • 写缓冲
  • 不能命中：
    • 写分配法：先读入，再改cache。cache和主存。
    • 非写分配法：直接写主存。cache之间
  • 一般写分配法和写回法搭配；非写分配法和全写法搭配。

虚拟存储：

• 页式存储：把程序划分成和主存块大小一样大小的“页”，然后离散存储。此时对于一个程序而言，其逻辑地址的后n位表示表示页内地址，前几位表示页号。存在一个页表（主存），存放着页号到主存块号的映射，主存块号+页内地址=物理地址。
  • 快表：存放部分页表项，加快获得物理地址的速度
  • 页式虚拟存储器：辅存和主存之间的映射。通过页表来实现：
    • 通过程序的页号来访问页表项，一个页表项：
    • 有效位：当前页（块）是否在主存中
    • 脏位：当前页是否被修改过
    • 磁盘块号 or 主存块号
• 段式存储：