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计算机体系结构知识框架学习

2022-10-31 10:36:08   0  举报

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AI智能生成

计算机体系结构知识框架学习

计算机体系

计算机体系结构

模版推荐

作者其他创作

大纲/内容

Flynn分类法

分支主题

CISC和RISC

CISC是复杂指令系统计算机

RISC是精简指令系统计算机

主要区别

存储系统

主存储器

存取周期：连续两次访问同一个存储单元的最小间隔时间

主存容量：由指令寻址方式产出的操作数有效地址的位数决定。

分类

随机读写存储器（RAM）

动态随机存储器DRAM采用动态MOS电路，需要定时刷新保存当前信息。（单管MOS电路集成度高、功耗小，是当前RAM的主流型号）&lt;br&gt;&lt;br&gt;静态随机存储器SRAM不需要刷新，速度快，但线路复杂，集成度低，写入数据后只要不断电，即可长久保持数据不变

只读存储器（RPM）

掩模ROM出厂时厂家已经把ROM制好，用户不能改动&lt;br&gt;&lt;br&gt;可编程只读存储器PROM，用户只能编程一次写入所需的数据，以后不能再改动&lt;br&gt;&lt;br&gt;可擦除可编程EPROM，用紫外线照射15分钟擦除，再用高压电路写入新内容。（EEPROM带电可擦写可编程只读存储器，使用比EPROM方便）&lt;br&gt;&lt;br&gt;FM为FlashM，又叫闪存，为快速联机可改写只读存储器，但擦除时只能成块地擦去。

高速缓存Cache

地址映像方式

直接映像：主存按Cache的大小分成区，每个区的块数和Cache总块数相同，块号相同的映像到Cache中同一个块号那里(多个区中的同号块映像到Cache同号块上)

全相联映像：主存的块调入Cache不受限制（任意位置），块冲突最小

组相联映像：介于全相联和组相联之间

替换算法

随机替换算法 RAND：随机的

先进先出 FIFO : 总是把最先调用的Cache替换出去

最近最少使用 LRU：把当前近期Cache使用次数最少的那块替换出去（先看访问，再看修改状态）

优化替换算法：先执行一次程序统计Cache使用情况，第二次执行程序再选择最优的算法来替换

存储器

相联存储器：一种按存储内容来存储和访问的存储器，不属于按寻址方式划分的

寻址方式

立即寻址：直接指出操作数本身

直接寻址：操作数地址

间接寻址：操作数地址的主存单元的地址，简称操作数地址的地址。

寄存器寻址：通用寄存器的编号Ri，这个指定的寄存器中存放着操作数

磁盘

磁盘存储器

非格式化容量 = 面数（磁道数/面）内圆周长*最大位密度

格式化容量 = 面数（磁道数/面）（扇区数/道）*（字节数/扇区）

读记录

处理记录时间＝读记录的时间＋处理时间

总时间＝总记录数×（读记录＋处理记录）

读取磁盘数据

找磁道的时间。

找块（扇区）的时间，即旋转延迟时间

传输时间

读取磁盘数据＝总数据块×（找磁道的时间＋找扇区的时间＋传输时间）

可靠性

串联系统

并联系统

模冗余系统

混合系统

数据的表示

进制的转换

R进制转十进制使用按权展开法

十进制转R进制使用短除法

二进制转八进制与十六进制

数据表示

原码

二进制数（最高位是符号位，0为正，1为负）

反码

正数的反码与原码相同。负数的反码则是在原码的基础上，符号位不变，数值位取反

补码

正数的补码与原码相同。负数的补码则是在反码的基础上，末尾加1。最适合加减运算的数字编码（符号位参与运算）

移码

在补码的基础上，符号位取反，常用于表示浮点数的阶码部分（码值大者对应的真值就大）

数据的范围

定点整数

原码

-(2^(n-1)-1)~+(2^(n-1)-1)

反码

-(2^(n-1)-1)~+(2^(n-1)-1)

补码

-(2^(n-1))~+(2^(n-1)-1)

移码

-(2^(n-1))~+(2^(n-1)-1)

定点小数

原码

反码

补码

移码

数据类型

定点数

所有数据的小数点位置是固定的，小数点位置在数据最高位是定点小数，在最低位是定点整数，会有溢出的情况发生

浮点数

一个含小数点的R进制数N可以表示为N=M*R^e

M是尾数，决定数值的精度。e是指数（阶码），决定数值的范围。当尾数M≥0，M的范围在区间[0.5,1)。当尾数M&lt;0，M的范围在区间(−1,−0.5]

浮点数运算时，先对阶，小阶对大阶，尾数右移阶差位，然后尾数相加对结果规格化，既尾数范围

数值范围：最大正数（M最大正数，E最大正数）、最小负数（M最小负数，E最大正数）

计算机结构

运算器

算术逻辑单元ALU

累加寄存器AC

数据缓冲寄存器DR

状态条件寄存器PSW

控制器

程序计数器（PC）

指令寄存器（IR）

指令译码器（ID）

时序部件

寄存器组

专用寄存器，通用寄存器。上面的都是专用的，通用的可以给程序猿控制（提高速度，貌似没卵用）

流水线技术

基本概念&lt;br&gt;

周期及执行时间计算

流水线周期是执行时间最长的一段，即取指、分析、执行三个里面时间最长的

流水线计算公式

理论公式：（取值时间+分析时间+执行时间）+（所求指令条数-1）×流水线周期;(t1+t2+t3...+tk)+(n-1)*Δt

实际公式：（一条指令分多少部分×流水线周期）+（所求指令条数-1）×流水线周期；K*Δt+(n-1)*Δt

吞吐率计算

TP=指令条数/流水线执行时间

流水线最大吞吐率：1/Δt

加速比计算

加速比S=不使用流水线执行时间/使用流水线执行时间

效率

流水线效率E=n个任务占有时空区/K个流水段的总时空区&lt;br&gt;E=吞吐率×周期&lt;br&gt;

总线

内部总线

芯片内总线用在集成多芯片

元件级总线用于一块电路板内元器件的连接

系统总线

数据总线：传送数据信息，CPU一次传输的数据与数据总线带宽相等

地址总线：传送控制信号和时序信号，如读/写、片选、中断响应信号等

控制总线：传送地址，它决定了系统的寻址空间

PC总线、ISA总线、EISA总线、PCI总线等都属于系统总线

外部总线

又称通信总线，用于设备一级的互联，通过该总线与其他设备进行信息与

总线复用

顾名思义就是一条总线实现多种功能。采用这种方式的目的是减少总线数量，提高总线的利用率

校验码

奇偶校验码

通过在编码中增加一位校验位来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）

海明校验码

在n位被校验数据位中，插入K个校验码，通过扩大码距来实现检错和纠错。

循环冗余校验码（CRC）

用于发现和纠正信息传送过程中连续出现的多位错误。只不过实际应用的时候基本不纠错而是直接丢弃，因为纠错的代价太高

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