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文檔簡(jiǎn)介
1、中央處理器central processing unit CPU:是整個(gè)計(jì)算機(jī)的核心部件,主要用于指令的執(zhí)行。主要包括數(shù)據(jù)通路和控制器數(shù)據(jù)通路datapath:是指指令執(zhí)行過(guò)程中數(shù)據(jù)所流經(jīng)的部件,包括各類運(yùn)算部件。數(shù)據(jù)運(yùn)算部件也稱為執(zhí)行部件或功能部件??刂破鱟ontroller:用來(lái)對(duì)指令進(jìn)行譯碼,生成相應(yīng)控制信號(hào),以控制數(shù)據(jù)通路進(jìn)行特定操作。 算數(shù)邏輯部件arithmetic logic unit ALU:它用來(lái)進(jìn)行基本的算術(shù)和邏輯運(yùn)算,最基本的部件是加法器。輔助存儲(chǔ)器:簡(jiǎn)稱輔存,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)直接和主存交換信息的存儲(chǔ)器,主要有磁盤(pán)存儲(chǔ)器和固態(tài)硬盤(pán)??偩€bus:是信息傳輸?shù)耐罚糜谠诓考g傳
2、輸信息,cpu、主存和I/O模塊通過(guò)總線互聯(lián)。系統(tǒng)軟件system software:包括為有效、安全地使用和管理計(jì)算機(jī)以及為開(kāi)發(fā)和運(yùn)行應(yīng)用軟件而提供的各種軟件,介于計(jì)算機(jī)硬件與應(yīng)用程序之間,包括操作系統(tǒng)、語(yǔ)言處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和各類實(shí)用程序。操作系統(tǒng)operating system OS:主要用來(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源,包括對(duì)它進(jìn)行調(diào)度、管理、監(jiān)視和服務(wù),除此之外還提供計(jì)算機(jī)用戶和硬件之間的人機(jī)交互界面,并提供對(duì)應(yīng)用軟件的支持。語(yǔ)言處理系統(tǒng):主要用于提供一個(gè)高級(jí)語(yǔ)言編程的環(huán)境,包括源程序編輯、翻譯、調(diào)試、鏈接、裝入運(yùn)行等功能。應(yīng)用軟件application software:指專門為
3、數(shù)據(jù)處理、科學(xué)計(jì)算、事務(wù)管理、多媒體處理、工程設(shè)計(jì)以及過(guò)程控制等應(yīng)用所編寫(xiě)的各類程序。機(jī)器語(yǔ)言:就是用二進(jìn)制進(jìn)行編碼的機(jī)器指令。匯編語(yǔ)言:機(jī)器語(yǔ)言的符號(hào)表示語(yǔ)言,通過(guò)簡(jiǎn)短的英文符號(hào)和二進(jìn)制代碼建立對(duì)應(yīng)關(guān)系,以方便程序員編寫(xiě)和閱讀機(jī)器語(yǔ)言。匯編程序:也稱匯編器,用來(lái)將匯編語(yǔ)言源程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序。解釋程序:也稱解釋器,用來(lái)將源程序中的語(yǔ)句按其執(zhí)行順序逐條用子程序進(jìn)行解釋,并最終轉(zhuǎn)換成機(jī)器指令執(zhí)行。編譯程序:也稱編譯器,用來(lái)將高級(jí)語(yǔ)言程序翻譯成匯編語(yǔ)言或機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序。指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)instruction set architecture ISA:簡(jiǎn)稱體系結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)結(jié)構(gòu),是軟件和硬件之間
4、接口的一個(gè)完整定義,是對(duì)指令系統(tǒng)的一種規(guī)定或結(jié)構(gòu)規(guī)范,具體實(shí)現(xiàn)的組織稱為微體系結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)稱微架構(gòu),微體系結(jié)構(gòu)是由邏輯電路實(shí)現(xiàn)的。最終用戶:指使用應(yīng)用程序完成特定任務(wù)的計(jì)算機(jī)用戶系統(tǒng)管理員:指利用操作系統(tǒng)等軟件提供的功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置、管理和維護(hù),以建立高效合理的系統(tǒng)環(huán)境供計(jì)算機(jī)用戶使用的操作人員。應(yīng)用程序員:指使用高級(jí)編程語(yǔ)言編制應(yīng)用軟件的程序員。系統(tǒng)程序員:指設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件的程序員。指令instruction :就是用0和1表示的一串0/1序列,用來(lái)指示cpu完成特定的基本操作。指令周期:取一條指令并執(zhí)行的時(shí)間。程序計(jì)數(shù)器PC:用來(lái)存放將要執(zhí)行的下一條指令地址。指令寄存器IR:用于存放從主
5、存儲(chǔ)器讀出的指令。吞吐率:也稱帶寬,表示在單位時(shí)間內(nèi)完成的工作量。響應(yīng)時(shí)間:也稱執(zhí)行時(shí)間、等待時(shí)間,是指從作業(yè)提交到作業(yè)完成所用的時(shí)間。CPU時(shí)間:指cpu用于程序執(zhí)行的時(shí)間;用戶CPU時(shí)間:指真正用于運(yùn)行用戶程序代碼的時(shí)間;系統(tǒng)CPU時(shí)間:指為了執(zhí)行用戶程序而需要cpu運(yùn)行操作系統(tǒng)程序的時(shí)間。CPU的信號(hào):用于對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行定時(shí)的同步信號(hào),寬帶為一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)鐘頻率:CPU的主頻,是CPU的時(shí)鐘周期的倒數(shù)。CPI cycles per instruction:表示執(zhí)行一條指令所需周期數(shù)。MIPS million instructions per second 相對(duì)MIPS:根據(jù)公認(rèn)的參考機(jī)型
6、來(lái)定義,即相當(dāng)于參考機(jī)多少倍。MFLOPS million floating-point operations per second:表示浮點(diǎn)操作數(shù)的指標(biāo)數(shù)值數(shù)據(jù):可用來(lái)表示數(shù)量的多少,可比較大小,分為整數(shù)和實(shí)數(shù)。非數(shù)值數(shù)據(jù):沒(méi)有大小之分,不表示數(shù)量的多少,主要包括字符數(shù)據(jù)和邏輯數(shù)據(jù)。BCD Binary coded decimal number:二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制數(shù)。機(jī)器數(shù):指數(shù)值數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部編碼表示的數(shù)。真值:指機(jī)器數(shù)現(xiàn)實(shí)世界中真正的值。溢出overflow:假如兩個(gè)同號(hào)的數(shù)相加時(shí),當(dāng)相加得到的和超出可表示范圍時(shí)的現(xiàn)象。補(bǔ)碼:整數(shù)的補(bǔ)碼是其本身,負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼等于模與該負(fù)數(shù)絕對(duì)值之差。二進(jìn)
7、制負(fù)數(shù)補(bǔ)碼算法(符號(hào)為1,數(shù)值部分各位取反,末位加1)定點(diǎn)數(shù):整數(shù)的小數(shù)點(diǎn)隱藏在數(shù)的最右邊,故無(wú)需表示小數(shù)點(diǎn),也稱定點(diǎn)數(shù)無(wú)符號(hào)整數(shù):一個(gè)編碼的所有二進(jìn)制位都用來(lái)表示數(shù)值而沒(méi)有符號(hào)位,通常稱為無(wú)符號(hào)數(shù)。比特bit:簡(jiǎn)稱位,二進(jìn)制的每一位是組成二進(jìn)制的最小單位,是計(jì)算機(jī)中處理、傳輸和儲(chǔ)存信息的最小單位。字節(jié)byte:計(jì)算機(jī)內(nèi)部二進(jìn)制信息的計(jì)量單位,西文字符用一字節(jié)表示,漢字用兩字節(jié)表示。字長(zhǎng)word:指cpu內(nèi)部用于整數(shù)運(yùn)算的數(shù)據(jù)通路的寬度(如32位、64位)全加器:同時(shí)考慮兩個(gè)加數(shù)和低位進(jìn)位的一位加法器。布斯booth乘法:是一種補(bǔ)碼相乘算法,可以將符號(hào)位與數(shù)值位合在一起參與運(yùn)算,直接得出用補(bǔ)碼
8、表示的乘積,且正數(shù)和負(fù)數(shù)相同對(duì)待。指令給出操作數(shù)或操作數(shù)地址的方式立即尋址:指在指令中直接給出操作數(shù)本身直接尋址:指指令中給出的是操作數(shù)的有效地址間接尋址:指指令中給出的地址碼是存放操作數(shù)有效地址的存儲(chǔ)單元地址寄存器直接尋址:指指令中給出的是操作數(shù)所在寄存器編號(hào),操作數(shù)在寄存器中寄存器間接尋址:指指令中給出的地址碼是寄存器編號(hào),該寄存器中存放的是操作數(shù)有效地址變址尋址:指令中的地址碼給出一個(gè)基準(zhǔn)地址,而數(shù)組元素相對(duì)于基準(zhǔn)地址的偏移量在指令中明顯或隱含地由變址寄存器給出。前變址:先變址后間址。后變址:先間址后變址。相對(duì)尋址:指指令中地址碼字段給出一個(gè)偏移量,基準(zhǔn)地址隱含由PC給出?;穼ぶ罚褐噶?/p>
9、中的地址碼字段給出一個(gè)偏移量,基準(zhǔn)地址可以明顯或隱含地由基址寄存器給出偏移尋址:將某個(gè)寄存器的內(nèi)容與一個(gè)形式地址相加來(lái)生成操作數(shù)的有效地址,包括變址尋址、基址尋址、相對(duì)尋址。程序狀態(tài)字 PSW program status word 匯編:從匯編表示轉(zhuǎn)換為機(jī)器代碼的過(guò)程反匯編:從機(jī)器代碼轉(zhuǎn)換為匯編表示的過(guò)程異常控制:也稱中斷機(jī)制,程序正常執(zhí)行被打斷時(shí)的處理機(jī)制。硬故障中斷:是由硬連線路出現(xiàn)異常而引起的,如電源掉電、校驗(yàn)線路錯(cuò)等。程序性異常:是由CPU執(zhí)行某條指令而引起的,發(fā)生在CPU內(nèi)部的異常事件,如除數(shù)為零、溢出、斷點(diǎn)、單步跟蹤、尋址錯(cuò),訪問(wèn)超時(shí)、非法操作碼、桟溢出等。機(jī)器周期:是一個(gè)指令周
10、期可分為取指令讀、讀操作數(shù)、執(zhí)行并寫(xiě)結(jié)果等多個(gè)基本工作周期,這些基本工作周期就稱為機(jī)器周期。流水段寄存器:保存流水段中得到信息的寄存器。流水線冒險(xiǎn):指指令序列在流水線中執(zhí)行時(shí),遇到的一些情況,使流水線無(wú)法正確按時(shí)執(zhí)行后續(xù)指令,從而引起流水線阻塞或停頓。結(jié)構(gòu)冒險(xiǎn):也稱為硬件資源沖突,原因在于同一部件同時(shí)被不同指令所用,也就是說(shuō)它是由硬件資源競(jìng)爭(zhēng)造成的。數(shù)據(jù)冒險(xiǎn):也稱為數(shù)據(jù)相關(guān),原因在于,后面指令需要讀取前面指令的運(yùn)行結(jié)果時(shí),前面指令的結(jié)果還沒(méi)有寫(xiě)入寄存器中??刂泼半U(xiǎn):由于發(fā)生了指令執(zhí)行順序改變而引起的流水線阻塞。延遲損失時(shí)間片c:指流水線阻塞而帶來(lái)的延遲執(zhí)行周期數(shù)。分支冒險(xiǎn):由于分支指令而引起的
11、控制冒險(xiǎn)。內(nèi)部異常:CPU內(nèi)部執(zhí)行指令時(shí)發(fā)生的意外時(shí)間。外部中斷:是CPU外部的l/O設(shè)備向CPU發(fā)出的中斷請(qǐng)求。故障:是在引起故障的指令被啟動(dòng)后但未執(zhí)行結(jié)束時(shí)CPU檢測(cè)到的一類與指令執(zhí)行相關(guān)的意外事件。陷阱:也稱為自陷或陷入,與故障或其他異常事件不同,是預(yù)先安排的一種異常事件,就像預(yù)先設(shè)定的陷阱一樣,當(dāng)執(zhí)行到指令陷阱時(shí),CPU就調(diào)出特定的程序進(jìn)行相應(yīng)的處理,處理結(jié)束后,返回到陷阱指令的下一條指令執(zhí)行。終止:如果在執(zhí)行指令的過(guò)程中發(fā)生了嚴(yán)重錯(cuò)誤。只好調(diào)用adort例程,以中止發(fā)生問(wèn)題的進(jìn)程,在有些嚴(yán)重的情況下,甚至要重啟系統(tǒng)。異常和中斷的響應(yīng):CPU從檢測(cè)到異常事件或中斷請(qǐng)求信號(hào),到調(diào)出相應(yīng)的
12、異常或中斷處理程序開(kāi)始執(zhí)行的過(guò)程。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器:用半導(dǎo)體器件構(gòu)成的存儲(chǔ)器,磁表面存儲(chǔ)器:磁性材料存儲(chǔ)器。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM:特點(diǎn)是按地址訪問(wèn)存儲(chǔ)單元。順序存儲(chǔ)器SAM:信息按順序存放和讀出,其存取時(shí)間取決于信息存放位置,以記錄塊為單位編制。直接存取存儲(chǔ)器DAM:存取方式兼有隨機(jī)訪問(wèn)和順序訪問(wèn)的特點(diǎn),可直接選取所需信息所在區(qū)域,然后按順序方式存取磁盤(pán)存儲(chǔ)器就是如此。按內(nèi)容訪問(wèn)存儲(chǔ)器:只要知道訪問(wèn)信息的內(nèi)容特征,按內(nèi)容檢索到存儲(chǔ)位置,并進(jìn)行讀寫(xiě)。存儲(chǔ)容量:指它能存放二進(jìn)制位數(shù)或字?jǐn)?shù)。存取時(shí)間:一般用讀出時(shí)間以及寫(xiě)入時(shí)間來(lái)描述。存儲(chǔ)周期:是指存儲(chǔ)器進(jìn)行一次讀寫(xiě)操作所需要的全部時(shí)間,也就是存儲(chǔ)器進(jìn)行
13、連續(xù)讀寫(xiě)操作數(shù)允許的最短間隔時(shí)間。flash存儲(chǔ)器:也稱閃存,是高密度非易失性讀寫(xiě)存儲(chǔ)器,兼有RAM和ROM的優(yōu)點(diǎn),功耗低集成度高不需后備電源。時(shí)間局部性:是指被訪問(wèn)的某個(gè)儲(chǔ)存單元在較短的時(shí)間間隔內(nèi)很可能又被訪問(wèn)。空間局限性:是指被訪問(wèn)的某個(gè)儲(chǔ)存單元的鄰近單元在一個(gè)較短的時(shí)間間隔內(nèi)很可能也被訪問(wèn)。直接映射:每個(gè)主存塊映射到cache的固定行中。全相聯(lián)映射:每個(gè)主存塊映射到cache的任一行中。組相聯(lián)映射:每個(gè)主存塊映射到cache的固定組的任一行中。程序:是代碼和數(shù)據(jù)的集合,程序的代碼是一個(gè)機(jī)器指令序列,是一種靜態(tài)的概念。進(jìn)程:是程序一次運(yùn)行的過(guò)程,是一種動(dòng)態(tài)的概念。輸入輸出設(shè)備:又稱外圍設(shè)備
14、或外部設(shè)備簡(jiǎn)稱外設(shè),是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與人或其他機(jī)器之間進(jìn)行信息交換的裝置。鼠標(biāo)器:是一種相對(duì)定位設(shè)備,能方便的控制屏幕上的光標(biāo)移動(dòng)到指定的位置,并通過(guò)按鍵完成各種操作。行頻:水平掃描周期的倒數(shù)。幀頻:垂直掃描周期的倒數(shù)。磁道:是在磁層運(yùn)動(dòng)方向上被磁頭掃過(guò)的軌跡道密度:沿磁道分布方向上單位長(zhǎng)度內(nèi)的磁道數(shù)目位密度:?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度內(nèi)存放二進(jìn)制信息的數(shù)目未格式化容量:是指按照道密度和位密度計(jì)算出來(lái)的容量,它包括頭空、id域、CRC碼等信息分散連接:個(gè)個(gè)部件之間通過(guò)單獨(dú)的連線互聯(lián)總線連接:將多個(gè)部件連接到一組公共信息傳輸線上DMA:直接存儲(chǔ)器存取DMA控制:專門用來(lái)控制總線進(jìn)行DMA傳送的接口硬件易失性存儲(chǔ)器操作
15、碼第一章 概述儲(chǔ)存程序方式的基本思想:必須將事先編好的程序和原始數(shù)據(jù)送入主存后才能執(zhí)行程序,一旦程序被啟動(dòng)執(zhí)行,計(jì)算機(jī)能在不需要操作人員干預(yù)下自動(dòng)完成逐條指令取出和任務(wù)執(zhí)行。馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的基本思想:1、采用存儲(chǔ)程序工作方式2、計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出五個(gè)基本部件組成3、存儲(chǔ)器存放數(shù)據(jù)、指令,形式上沒(méi)有區(qū)別,但計(jì)算機(jī)應(yīng)該能區(qū)別;控制器能自動(dòng)執(zhí)行指令;運(yùn)算器能進(jìn)行加減乘除以及邏輯運(yùn)算;操作人員可以通過(guò)輸入輸出設(shè)備使用計(jì)算機(jī)。4、計(jì)算機(jī)內(nèi)部以二進(jìn)制形式表示指令和數(shù)據(jù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本組成:1、中央處理器:數(shù)據(jù)通路(含各類運(yùn)算部件( ALU) 控制器2、存儲(chǔ)器:內(nèi)存(主存儲(chǔ)器、高
16、速緩沖存儲(chǔ)器cache) 外存(輔助存儲(chǔ)器、海量后備存儲(chǔ)器)3、外部設(shè)備4、總線計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展的三個(gè)階段:1、1946-1956機(jī)器代碼程序出現(xiàn)到實(shí)用高級(jí)語(yǔ)言出現(xiàn),尚未出現(xiàn)軟件一詞2、1956-1968高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言到軟件工程概念出現(xiàn)3、軟件工程出現(xiàn)至今。按照在計(jì)算機(jī)上完成任務(wù)的不同分類用戶:最終用戶、系統(tǒng)管理員、應(yīng)用程序員、系統(tǒng)程序員源程序到可執(zhí)行文件轉(zhuǎn)換過(guò)程:1、預(yù)處理階段:cpp對(duì)源程序中以字符#開(kāi)頭的命令進(jìn)行處理,例如嵌入#include后面的.h文件2、編譯階段:cc1對(duì)預(yù)處理后的源程序進(jìn)行編譯,生成匯編語(yǔ)言源程序文件.s3、匯編階段:as對(duì)匯編源程序進(jìn)行匯編,生成一個(gè)可重定位目標(biāo)
17、文件.o4、鏈接階段:ld將多個(gè)可重定位目標(biāo)文件和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)目標(biāo)模塊合并成為一個(gè)可執(zhí)行目標(biāo)文件,簡(jiǎn)稱可執(zhí)行文件。計(jì)算機(jī)性能評(píng)估的方法:1、cpu執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行性能評(píng)估2、用執(zhí)行速度進(jìn)行性能評(píng)估3、用基準(zhǔn)程序進(jìn)行性能評(píng)估第二章 數(shù)據(jù)的表示與概述信息用二進(jìn)制數(shù)字表示的原因:1、二進(jìn)制只有兩個(gè)基本狀態(tài),而使用有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件可以容易地表示二進(jìn)制的每一位。2、二進(jìn)制的編碼、計(jì)算和運(yùn)算規(guī)則都很簡(jiǎn)單,可以用開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn),簡(jiǎn)單易行。3、兩個(gè)符號(hào)1、0正好對(duì)應(yīng)邏輯命題的真、假,為計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和程序中的邏輯判斷提供了便利條件。表示一個(gè)數(shù)值數(shù)據(jù)的三要素:進(jìn)位計(jì)數(shù)制、定/浮點(diǎn)表示和編碼規(guī)則。定點(diǎn)數(shù)編碼表
18、示方法:原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼。原碼表示法的優(yōu)缺點(diǎn):1、優(yōu)點(diǎn):與真值的對(duì)應(yīng)關(guān)系直觀、方便,與真值轉(zhuǎn)換方便。2、缺點(diǎn):零的表示不唯一,加減運(yùn)算規(guī)則復(fù)雜。補(bǔ)碼0唯一的好處:1、減少了+0 -0之間的轉(zhuǎn)換2、少占用一個(gè)編碼表示反碼表示法的不足:0表示不唯一,表數(shù)范圍比補(bǔ)碼少一位,運(yùn)算時(shí)必須考慮循環(huán)進(jìn)位(在計(jì)算機(jī)中很少使用,用作數(shù)碼變換中間的表現(xiàn)形式)補(bǔ)碼表示帶符號(hào)整數(shù)的優(yōu)點(diǎn):1、0表示唯一2、模運(yùn)算系統(tǒng),可用加法實(shí)現(xiàn)減法,符號(hào)位可以與數(shù)值為一起參加運(yùn)算。3、比原碼、反碼多表示一個(gè)最小負(fù)數(shù)。4、與反碼相比,不需要通過(guò)循環(huán)進(jìn)位來(lái)調(diào)整結(jié)果。IEEE數(shù)的分類:(注:階碼偏置,全0表示并不是實(shí)際階為0)1.全
19、0階全0尾,02.全0階非0尾,非規(guī)格化數(shù)3.全1階全0尾,4.全1階非0尾,沒(méi)有定義的數(shù)5.階非全0/1,規(guī)格化數(shù)整數(shù)的表示方法:二進(jìn)制表示(無(wú)符號(hào)整數(shù)、帶符號(hào)整數(shù))二進(jìn)制的十進(jìn)制編碼(BCD碼)數(shù)據(jù)在連續(xù)存儲(chǔ)單元的排列順序:大端方式將數(shù)據(jù)的最高有效字節(jié)MSB存放在最小地址單元中,數(shù)據(jù)地址是MSB地址;小端方式相反數(shù)碼校驗(yàn)措施:1、奇偶校驗(yàn)(當(dāng)數(shù)據(jù)有奇數(shù)個(gè)1,校驗(yàn)位取0,否則取1,傳輸核對(duì)校驗(yàn)位;只能發(fā)現(xiàn)奇數(shù)位出錯(cuò),不能確定出錯(cuò)位置,不具有糾錯(cuò)能力,開(kāi)銷較小,常用在儲(chǔ)存器讀寫(xiě)檢查或按字節(jié)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)校驗(yàn))2、海明校驗(yàn)(就是多重奇偶校驗(yàn),將數(shù)據(jù)分成若干組,對(duì)每組進(jìn)行相應(yīng)奇偶檢測(cè),以提供多位校
20、驗(yàn)信息,從而可對(duì)錯(cuò)誤信息進(jìn)行定位、糾正)3、循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC碼(將數(shù)據(jù)左移k位后,用k+1位數(shù)相除,相除后得到的k位余數(shù)就是校驗(yàn)位,發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)后要求重發(fā)即可)溢出的判斷:1、符號(hào)位產(chǎn)生的進(jìn)位與最高數(shù)值位向符號(hào)位的進(jìn)位不同,則產(chǎn)生溢出2、兩個(gè)加數(shù)(包括負(fù)數(shù))的符號(hào)位相同,但與和的符號(hào)位不同,則產(chǎn)生溢出計(jì)算機(jī)中無(wú)符號(hào)數(shù)相乘主要思想:1、每將乘數(shù)的一位乘以被乘數(shù)之后,將結(jié)果與前面所得結(jié)果累加,得到部分積。2、求得單次結(jié)果后,將部分積右移一位,再相加(區(qū)別于手算的左移)。3、對(duì)乘數(shù)中為1的執(zhí)行加法與右移運(yùn)算,對(duì)0只執(zhí)行右移相乘算法迭代實(shí)現(xiàn):進(jìn)位部分積P被乘數(shù)說(shuō)明*P初始0+0/乘數(shù)判斷y最低位=PP/
21、Y右移得P1/Y1P1Y1步驟循環(huán)1、判斷最低位2、最低位為1,部分積與被乘數(shù)相加,為0,什么不做3、右移一位,產(chǎn)生本次部分積。補(bǔ)碼計(jì)算,布斯Booth乘法規(guī)則:1、乘數(shù)最低位增加一位輔助位02、若最低兩位為00 11,直接右移,若為01加被乘數(shù)補(bǔ),10加-被乘數(shù)補(bǔ)定點(diǎn)除法的判斷操作:1.被除數(shù)0,除數(shù)不為0,則商為零,余數(shù)為被除數(shù),不再繼續(xù)執(zhí)行2.除數(shù)不為0,被除數(shù)為0,對(duì)整數(shù)發(fā)生除零異常,對(duì)浮點(diǎn)數(shù)結(jié)果無(wú)窮大。3.除數(shù)為0,被除數(shù)為0,對(duì)整數(shù)發(fā)生除零異常,對(duì)浮點(diǎn)數(shù)產(chǎn)生一個(gè)不發(fā)信號(hào)的NaN計(jì)算機(jī)中無(wú)符號(hào)除法運(yùn)算步驟與算法要點(diǎn):1、操作數(shù)預(yù)置;確認(rèn)不為零后置于存儲(chǔ)器中2、做減法試商;結(jié)果為正,上
22、商為1,結(jié)果為負(fù),上商為03、上商為0時(shí)恢復(fù)余數(shù)4、中間余數(shù)左移,以便繼續(xù)試商。定點(diǎn)除法運(yùn)算:1符號(hào)位/余數(shù) R擴(kuò)展余數(shù)/商 Q說(shuō)明* * *R0=X+ -y補(bǔ)R1=R0-Y,即+-y補(bǔ)=R1* QR10,Q為0,R10,為1R10:恢復(fù)余數(shù)即+y,后Q/R同時(shí)左移R11:Q/R同時(shí)左移浮點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算:1、對(duì)階;小階向大階看齊,階小的尾數(shù)右移。2、尾數(shù)加減;注意還原隱藏位,尾數(shù)右移保留的附加位也要參加運(yùn)算3、尾數(shù)規(guī)格化;IEEE標(biāo)準(zhǔn)1.bbb4、尾數(shù)的舍入處理;754規(guī)定至少兩位(保護(hù)位、舍入位),額外位(粘位)5、溢出判斷;第三章 指令系統(tǒng)指令必須包含的信息:(明顯或隱含)1、操作碼2、源
23、操作數(shù)或地址3、結(jié)果的地址4、下條指令地址(通常隱含在PC中)指令根據(jù)地址個(gè)數(shù)分類:1、三地址;雙目運(yùn)算和結(jié)果地址2、二地址;存放雙目運(yùn)算操作數(shù),一個(gè)地址作為結(jié)果地址3、單地址;取反、負(fù)指令,操作地址也是結(jié)果地址4、零地址指令;空操作指令、停機(jī)等指令設(shè)計(jì)原則:1、指令盡量短,考慮容量2、有足夠操作碼數(shù),考慮向后兼容3、操作碼解釋唯一4、指令長(zhǎng)度應(yīng)是字節(jié)的整倍數(shù),便于讀取、計(jì)算。5、合理選擇地址字段的個(gè)數(shù),空間與時(shí)間的權(quán)衡6、指令應(yīng)盡量規(guī)整,簡(jiǎn)化硬件實(shí)現(xiàn)指令涉及的操作數(shù)類型:指針或地址、數(shù)值數(shù)據(jù)、字符與字符串、邏輯數(shù)據(jù)指令的尋址方式:立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器直接尋址、寄存器間接尋址、
24、偏移尋址(變址尋址、相對(duì)尋址、基址尋址)指令操作類型:1、算術(shù)和邏輯運(yùn)算指令2、移位指令(算術(shù)移位、邏輯移位、循環(huán)移位、半字交換)3、傳送指令(MOV寄存器間、LOAD讀取到寄存器、STORE寫(xiě)到內(nèi)存單元)4、串指令(字符串進(jìn)行操作的指令)5、順序控制指令(有條件轉(zhuǎn)移BRANCH、無(wú)條件轉(zhuǎn)移JMP、跳步SKIP、調(diào)用CALL、返回RET)6、cpu控制指令;也稱特權(quán)指令、管態(tài)指令,有停機(jī)、開(kāi)中斷、關(guān)中斷、系統(tǒng)模式切換7、輸入輸出指令調(diào)用指令和轉(zhuǎn)移指令的區(qū)別:調(diào)用指令也稱轉(zhuǎn)子指令,執(zhí)行調(diào)用指令時(shí)必須保存下條指令的地址,調(diào)用過(guò)程解釋時(shí)根據(jù)返回地址返回調(diào)用過(guò)程。而轉(zhuǎn)移指令則不返回執(zhí)行。 指令系統(tǒng)分類
25、:1、按操作數(shù)位置指定風(fēng)格;累加器型指令系統(tǒng)(一個(gè)數(shù)隱含在累加器中,執(zhí)行結(jié)果也總是送到累加器中,在早期使用)桟型指令系統(tǒng)(零或一地址指令,不靈活,通用計(jì)算機(jī)少使用)通用寄存器型指令系統(tǒng)(使用通用寄存器而不是累加器存放運(yùn)算過(guò)程中所用的臨時(shí)數(shù)據(jù))load/store型指令系統(tǒng)(也是一種通用寄存器指令系統(tǒng),特點(diǎn)是只有取數(shù)和存數(shù)指令才可以訪存)通用寄存器指令系統(tǒng)占主導(dǎo)地位原因:通用寄存器與處理器集成在一起,可縮短延遲;寄存器位于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)頂端,速度快且容易使用。2、按指令復(fù)雜程度;CISC復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī) complex instruction set computerRISC精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) redu
26、ced instruction set computerCISC指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn):1、指令系統(tǒng)復(fù)雜;指令多、尋址方式多、指令格式多2、指令周期長(zhǎng);3、指令周期差距大4、采用微程序控制5、難以進(jìn)行編譯優(yōu)化RISC指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn):少、齊、短、硬1、指令數(shù)目少;只用高頻的簡(jiǎn)單指令2、指令格式規(guī)整;尋址方式少、指令格式少、指令長(zhǎng)度一致3、采用L/S型指令設(shè)計(jì)4、采用流水線方式執(zhí)行指令、指令周期短5、采用大量通用寄存器6、采用硬連線控制器7、采用優(yōu)化的編譯系統(tǒng)傳統(tǒng)CISC架構(gòu)Intel處于處理器市場(chǎng)領(lǐng)頭者原因:1、軟件的向后兼容性2、RISC日趨復(fù)雜,而CISC由于采用了部分RISC技術(shù),既保證了兼容
27、,又提升了效率,雖然沒(méi)有純RISC快注;隨著個(gè)人移動(dòng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,ARM處理器等應(yīng)用RISC技術(shù)產(chǎn)品有了新的機(jī)遇MIPS:無(wú)內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器Microprocessor without interlocked piped stagesMIPS指令類型:R-型指令;OP(6) rs(5) rt(5) rd(5) shamt(5) funct(6)。操作數(shù)和結(jié)果都放在寄存器中,操作碼為,所移位數(shù)由shamt決定,類型由funct決定,尋址方式只有寄存器直接尋址,rs是結(jié)果寄存器I-型指令;OP rs rt 立即數(shù)。是立即數(shù)指令,運(yùn)算類指令助記以i結(jié)尾J-型指令;OP 直接地址。主
28、要是無(wú)條件跳轉(zhuǎn)指令,尋址方式是變通的直接尋址。MIPS處理器:1、提供了32個(gè)32位通用寄存器,因此寄存器編號(hào)占5位2、提供32個(gè)32位單精度浮點(diǎn)寄存器,可配對(duì)成16個(gè)64位寄存器3、提供兩個(gè)乘商寄存器Hi和Lo4、用pc指出下條指令地址5、存儲(chǔ)器按字節(jié)編址,存儲(chǔ)器操作數(shù)可訪問(wèn)的地址空間數(shù)是232字節(jié)6、采用大端方式存放數(shù)據(jù)第四章 中央處理器CPU執(zhí)行指令的過(guò)程:1、取指令;PC-IR2、對(duì)指令譯碼;ID3、計(jì)算源操作數(shù)地址并取操作數(shù);4、數(shù)據(jù)操作5、目的操作數(shù)地址計(jì)算并存結(jié)果6、指令地址計(jì)算并將其送PC數(shù)據(jù)通路的基本結(jié)構(gòu):1、組合邏輯元件(多路選擇器、加法器、算術(shù)邏輯部件、移碼器)2、時(shí)序邏
29、輯元件早期計(jì)算機(jī)定時(shí)方式:1、機(jī)器周期;一給指令周期可分為取指令、讀操作數(shù)等多個(gè)機(jī)器周期(現(xiàn)代不再使用)2、節(jié)拍;每個(gè)動(dòng)作在節(jié)拍內(nèi)完成(現(xiàn)代時(shí)鐘周期就是一個(gè)節(jié)拍,cpu主頻就是時(shí)鐘信號(hào)頻率)3、脈沖;節(jié)拍內(nèi)設(shè)置一個(gè)或多個(gè)工作脈沖數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu):1、分散方式連接2、總線方式連接;單、雙、三總線,一個(gè)時(shí)鐘周期傳送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)3、單周期數(shù)據(jù)通路;所有指令的周期都為一個(gè)時(shí)鐘的數(shù)據(jù)通路;以最復(fù)雜指令周期為準(zhǔn),效率低4、流水線方式連接MIPS指令流水線:最復(fù)雜需要5個(gè)階段完成操作,因此常用5段流水線實(shí)現(xiàn)。取址譯碼、取數(shù)執(zhí)行訪存寫(xiě)回適合流水線的指令集特征:1、指令長(zhǎng)度應(yīng)盡量一致2、指令格式應(yīng)盡量規(guī)整,保證源寄存
30、器的位置相同3、采用load/store型指令風(fēng)格4、數(shù)據(jù)和指令在存儲(chǔ)器中要對(duì)齊存放控制器實(shí)現(xiàn)方式:1、硬連線控制器;將指令執(zhí)行過(guò)程中每個(gè)時(shí)鐘周期所包含的控制信號(hào)取值看成一個(gè)狀態(tài),每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘,控制信號(hào)會(huì)有一組新的取值。2、微程序控制器;仿造程序設(shè)計(jì)方法,將每條指令的執(zhí)行過(guò)程用一個(gè)微程序來(lái)表示流水線冒險(xiǎn)(阻塞)分類:1、結(jié)構(gòu)冒險(xiǎn),也稱硬件資源沖突;避免措施:特定條件下一個(gè)部件每條指令只能使用一次,設(shè)置多個(gè)獨(dú)立的部件(現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一級(jí)cache的數(shù)據(jù)cache與代碼cache分開(kāi)設(shè)置)2、數(shù)據(jù)冒險(xiǎn),也稱數(shù)據(jù)相關(guān),后面指令需用到前面運(yùn)算結(jié)果引發(fā);避免措施:數(shù)據(jù)相關(guān)的指令間增加空操作nop指令,采用數(shù)
31、據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)(旁路傳送,不經(jīng)寄存器),在load指令后增加nop或插入氣泡,對(duì)通用寄存器讀寫(xiě)操作進(jìn)行特殊處理(半寫(xiě)半讀)3、控制冒險(xiǎn),改變指令執(zhí)行順序引發(fā)增加指令并行的策略:1、超流水線技術(shù);增加流水線級(jí)數(shù)2、多發(fā)射流水線技術(shù);同時(shí)啟用多條指令獨(dú)立運(yùn)行Intel內(nèi)部異常分類:故障;陷阱;終止Intel外部中斷分類:可屏蔽中斷;不可屏蔽中斷CPU對(duì)異常、中斷的響應(yīng)步驟:1、保護(hù)斷點(diǎn)和程序狀態(tài);放在專用的程序狀態(tài)字寄存器PSWR2、關(guān)中斷;一種禁止在處理異?;蛑袛鄷r(shí)再響應(yīng)新異常的機(jī)制3、識(shí)別異常和中斷并轉(zhuǎn)相應(yīng)處理程序執(zhí)行第五章 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器分類:1、按存儲(chǔ)原件(半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器、光
32、盤(pán)存儲(chǔ)器)2、按存取方式(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、順序存取存儲(chǔ)器SAM、直接存取存儲(chǔ)器DAM、按內(nèi)容訪問(wèn)存儲(chǔ)器或相聯(lián)存儲(chǔ)器)3、按信息可更改性(讀寫(xiě)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器ROM)4、按斷點(diǎn)后信息的可保存性(非易失性存儲(chǔ)器、易失性存儲(chǔ)器)5、只讀存儲(chǔ)器工藝(掩膜只讀存儲(chǔ)器MROM、可編只讀存儲(chǔ)器PROM、可擦可編只讀存儲(chǔ)器EPROM、電擦電改只讀存儲(chǔ)器EEPROM)存儲(chǔ)器的性能指標(biāo):存儲(chǔ)器容量;用總價(jià)或每單位價(jià)表示存取時(shí)間;接到命令至信息傳輸時(shí)間存儲(chǔ)周期;存取時(shí)間加上下一次存取開(kāi)始前所要求時(shí)間存儲(chǔ)器帶寬B;穩(wěn)定傳輸時(shí)的速率半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲(chǔ)器分為:靜態(tài)static RAM;用MOS管多,占硅面大,功耗
33、大,集成度低;但無(wú)需刷新、讀后再生;讀寫(xiě)速度快,適合做高速小容量的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。動(dòng)態(tài)dynamic RAM;用MOS管少,占硅面小,功耗小,集成度高;必須定時(shí)刷新、讀后再生;讀寫(xiě)速度相對(duì)較慢半導(dǎo)體RAM芯片組成:1、存儲(chǔ)體2、地址譯碼器3、驅(qū)動(dòng)器4、I/O控制電路5、讀、寫(xiě)控制信號(hào)存儲(chǔ)器芯片擴(kuò)展:位擴(kuò)展、字?jǐn)U展、同時(shí)擴(kuò)展多模塊存儲(chǔ)器的編址方式:連續(xù)編址;模塊間不能并行訪問(wèn),不能提高存儲(chǔ)速度交叉編址;輪流啟動(dòng)、同時(shí)啟動(dòng)Cache行和主存塊之間的映射:1、直接映射2、全相聯(lián)映射3、組相聯(lián)映射Cache的替換算法:1、先進(jìn)先出算法FIFO;算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但不能反映程序訪問(wèn)的局部性2、最近最少用算法L
34、RU;算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,比較正確反應(yīng)訪問(wèn)局部性3、最不經(jīng)常用算法LFU;與LRU類似,不完全相同4、隨機(jī)替換算法解決cache與主存一致性的問(wèn)題:1、全寫(xiě)法;寫(xiě)命中,同時(shí)寫(xiě)cache跟主存,不命中則采用寫(xiě)分配法(更新主存,分配新cache,裝入)或非寫(xiě)分配法(僅更新主存)2、回寫(xiě)法;寫(xiě)命中,信息只寫(xiě)入cache。不命中,分配新cache,更新cache。當(dāng)行被替換時(shí)將內(nèi)容一次性寫(xiě)回主存。請(qǐng)求分頁(yè)思想:每次訪問(wèn)僅將當(dāng)前需要的頁(yè)面調(diào)入主存,將不活躍的頁(yè)面放在磁盤(pán)上,訪存缺頁(yè)時(shí),從磁盤(pán)調(diào)入。虛擬內(nèi)存的好處:1、每個(gè)進(jìn)程具有一致的虛擬地址空間,從而簡(jiǎn)化存儲(chǔ)管理2、把主存看成是磁盤(pán)存儲(chǔ)器的緩存,有效利用主存空間3、進(jìn)程的虛擬地址是私有的,保護(hù)各自進(jìn)程不被其他進(jìn)程破壞虛擬存儲(chǔ)器類型:1、分頁(yè)式;主存和虛擬地址空間
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