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计算机组成原理与系统结构 针对性复习

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简述控制器的功能、组成及各部分的功能

  • 控制器的功能
    • 从存储器中取指令、对指令译码、产生控制信号并控制计算机系统各部件有序的执行,从而实现这条指令的功能。
  • 组成及各部分功能
    • 程序计数器 ( PC )
        存放当前正在执行的指令地址或者下一条指令的地址。
    • 指令寄存器 ( IR )
        控制器重内存中取出指令,存放在指令存储器中,以便控制器对指令进行译码、执行。
    • 指令译码器
        对操作码进行译码以识别该指令所要求的操作。
    • 操作控制信号形成部件
    • 时序逻辑电路(硬布线设计的操作控制信号形成部件)
    • 微程序设计的操作控制信号形成部件
        根据指令操作码的译码信号以及时序信号,产生取出指令和执行这条指令所需的各种操作控制信号,以便正确的建立数据通路,完成取出指令和执行指令的控制。
    • 时序信号产生器
        负责提供时钟信号和机器周期信号,以规定每个操作的时间。
    • 地址寄存器 ( AR )
        收纳可能有多种来源的地址,然后统一在规定的节拍将地址送上总线。
    • 数据寄存器 ( DR )
        当 CPU 把数据发送到存储器或者 I/O 设备时,CPU 一般会将数据送入数据寄存器,然后再从数据寄存器将数据送上数据总线。

DRAM 和 SRAM 的区别

  • 相同点:都是半导体随机存取存储器,能够作主存,属于易失性存储器。
  • 不同点:
比较内容 SRAM DRAM
存储信息0和1的方式 双稳态触发器 极间电容
电源不掉电时 信息稳定 信息会丢失
刷新 不需要 需要
集成度
容量
价格
速度
功耗
试用场合 Cache 主存
  • SRAM 是用双稳态触发器来存储信息的 DRAM 是用极间电容来存储信息的。
  • SRAM (Static RAM,静态 MOS 存储器)
      只要不对 SRAM 断电,存放在里面的数据就一直保存着。SRAM 的速度很快,一般来说访问时间是几个纳秒,因此 SRAM 被广泛地应用在 Cache 中,它是一种具有静止存取功能的内存,不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。SRAM 集成度较低。
  • DRAM (Dynamic RAM,动态 MOS 存储器)
      DRAM 只能将数据保持很短的时间。为了保持数据,DRAM 使用电容存储,所以 必须隔一段时间刷新一次,如果存储单元没有被刷新,存储的信息就会丢失。DRAM 集成度高、功耗低、成本低。

    DRAM 的刷新方式

  • 刷新周期
    从上一次刷新结束到下一次对整个DRAM 全部刷新一遍为止,这一段时间间隔称为刷新周期
  • 刷新操作
    即是按行来执行内部的读操作。由刷新计数器产生行地址,选择当前要刷新的行,读即刷新,刷新一行所需时间即是一个存储周期。
  • 刷新行数
    单个芯片的单个矩阵的行数。
  • 单元刷新间隔时间
    DRAM 允许的最大信息保持时间;一般为2ms。
  • 刷新方式
    • 集中式刷新
    • 分散式刷新
    • 异步式刷新

SRAM 的扩展

建议主存储器与 CPU 连接的操作步骤是

  1. 求芯片数
  2. 确定芯片的AB、DB位数
  3. 分析芯片的地址范围
  4. 设计地址译码电路
  5. 画图

简述计算机硬件系统的组成及各部分的功能

  • 存储器
      存放指令和数据。
  • 运算器
      运算器(算数逻辑部件)在控制器的控制下,完成加减乘除运算、逻辑运算。
  • 控制器
      对当前指令所需要完成的操作进行译码分析,产生各部件所需要的控制信号,通过向计算机的各个部件发出控制信号,使整个计算机自动、协调地工作。
  • 输入设备
      向计算机输入信息的设备。外界信息通过输入设备转换为计算机可以识别的二进制代码。
  • 输出设备
      将计算机的处理结果转换成人们或其他设备所能接收的形式。

运算器主要有那些部件组成

  • 算数逻辑部件 ALU(核心)
      进行算数逻辑运算
  • 暂存器
      存放参与运算的数据及运算结果。
  • 通用寄存器堆
      存放程序中用到的数据
  • 标志寄存器
      记录运算器上次运算结果的状态
  • 内部总线
      用于链接各个部件的信息通道
  • 其他可选电路
      视运算器功能与结构的不同,可选电路包括多路选择器、移位器、三态缓冲门等辅助电路。

从计算机组成的角度,谈谈你对计算机工作过程的理解

  • 计算机工作过程即是执行程序的过程;也是控制器取指令、分析指令、执行指令的循环往复的过程。
  • 程序和数据事先由输入设备输入到存储器中,由控制器控制存储器取指令到 IR,然后经过指令译码器译码,分析指令的功能,然后发送微操作控制信号到运算器、存储器或者 I/O 设备,以完成指令的功能。

CPU中的寄存器

至少存在如下六类寄存器

  • 地址寄存器
  • 程序计数器
  • 指令寄存器
  • 通用寄存器
  • 状态条件寄存器
  • 缓冲寄存器

高速存储器

  • 双端口存储器: 左端口与右端口的地址码相同时会冲突。
      双端口存储器所以能高速进行读 / 写,是因为采用 两套相互独立的读写电路。
  • 相联存储器
      按内容访问的存储器,一般用于快速查询的场合。
  • 多体交叉存储器:
      交叉存贮器实质上是一种模块式_存贮器,它能并行执行多个 独立的读写操作。

Cache

  • Cache是高速小容量的SRAM
  • 设置Cache的目的是为了解决CPU和存储器之间的速度匹配问题,提高 CPU访问存储系统的速度
  • 理论基础是程序访问的局部性原理(时间局部性和空间局部性)

主存与Cache地址映射方式及优缺点

  • 直接映射
      直接映射是一种多对一的映射关系,主存的一块只能赋值到 Cache 的一个特定位置上去。
      缺点是机制不灵活,Cache 命中率低。
  • 全相联映射
      主存地址被划分为块内地址和高位标记两部分。将主存中一个块的地址(块号)与块的内容(字)一起存入 Cache 中。
      优点是机智灵活,命中率高。缺点是硬件开销大,要进行 $2^c$ 路比较,通常采用相联存储器实现,主要缺点是比较器电容难于设计和实现,因此只适合与小容量的 Cache。
  • 组相联映射
      两种方式的折中方案,兼顾了两者的优点又尽量避免了两者的缺点。
      优点是大大增加了映射的灵活性,主存中的一块可映射到 Cache 的 $2^r$ 块,提高了命中率。

存储器主要技术指标

  • 存储容量

    • 存储器的容量:存储器的地址线是n根,数据线m根,则该存储器的容量是2n×m位
  • 速度

    • 取数时间 $t_A$
        存储器接到读命令信号到其数据输出端有信号输出为止的时间
    • 存储周期 $t_C$
        存储器进行一次完整的读/写操作锁需要的全部时间,也就是连续两次访问存储器所需的最小时间间隔。
    • $t_C > t_A$
    • 存储器带宽
        是单位时间里存储器所存取的信息量,存储器带宽的计量单位通常是位/秒或字节/秒。
  • 价格
      用每位的价格(位价)来衡量 价格/容量
  • 存储器的可靠性、访问方式、信息存储的永久性

汉字编码

  • 对于汉字,计算机的处理技术必须解决三个问题:汉字输入、汉字储存与交换、汉字输出,它们分别对应着汉字输入码、内码、字形(模)码的概念。
  • 汉字输入码也称外码,是为了将汉字输入计算机而编制的代码,是代表某一汉字的一串键盘符号。
  • 汉字的机内码则用于汉字的存储、检索和处理
  • 汉字库中存放的是字模码,每个字模码为一个汉字点阵,每个内码一般占两个字节。

微程序控制器和硬布线控制器的区别

  • 根本区别:微操作控制信号的产生方法不同
    • 微程序控制器是实现将编好的伪代码放入控制存储器,执行过程中在需要时再从控存中读取并送出的。
    • 硬布线控制器是由组合逻辑电路产生微操作控制信号。
  • 从电路的规整性来说:
    • 微程序控制器相对规整(存储逻辑电路)
    • 硬布线控制器电路设计较为繁琐,不规整(时序及组合逻辑电路)
    • 电路设计微程序控制器更为复杂
  • 从指令系统的易扩充性来说:
    • 微程序控制器易修改和扩充
  • 微程序控制器执行指令的速度相对硬布线控制器慢
  • 微程序控制器早先多英语 CISC 系统,硬布线控制器多应用与 RISC 系统。

指令

指令格式

  • RR (寄存器-寄存器)型(执行时间最短)
  • RS(寄存器-存储器)型
  • SS(存储器-存储器)型(执行时间最长)

RISC 和 CISC 的区别

  • RISC
      RISC 指令系统的最大特点是:指令条数少;指令格式固定;指令格式、寻址方式种类少;只有取数/存数指令访问存储器。RISC 的主要目的是减少指令数。
  • RISC CPU是克服 CISC 机器缺点的基础上发展起来的,它具有的三个基本要素是:
    1. 一个有限的简单指令系统。
    2. CPU 配备大量的通用寄存器。
    3. 强调指令流水线的优化。
  • 堆栈寻址方式中,设 $A$ 为通用寄存器,$SP$ 为堆栈指示器,$M_{SP}$ 为 $SP$ 指示器的栈顶单元,如果入栈操作的动作是:  
    $(SP)- 1 →SP,(A)→M_{SP}$

   那么出栈的动作是:
   $(M_{SP})→A, (SP) + 1→SP$

冯 · 诺伊曼体系结构

  • 采用二进制表示信息。
  • 计算机的硬件系统由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五大部件构成。
  • 采用存储程序和程序控制的基本思想,将程序事先存放在存储器中,程序运行时,由控制器自动、高速地从存储器中取出并执行。

计算机硬件的主要技术指标

  • 机器字长
      CPU一次处理二进制数据的位数
  • 存储容量
      存储容量=存储单元个数*存储字长
      1字节=8位
  • 运算速度
      与许多因素有关,如机器的主频,访存的速度等
    • MIPS(Million Instructions Per Second):多少百万条每秒
    • CPI(Cycle Per Instruction):执行一条指令所需的周期数
    • FLOPS(Floating Point Operation Per Second):每秒浮点运算次数

机器零

  • 若浮点数的尾数为零,无论阶码为何值
  • 当阶码的值遇到比它能表示的最小值还要小时(阶码负溢出),无论其尾数为何值。