計算機組成與結構總結

第一章:

1.whatisthecomputerarchitecture

計算機體系結構是那些對程序員可見的系統(tǒng)屬性，換句話說，這些屬性直接影響到程

序的規(guī)律執(zhí)行。

2.whatisthecomputerorganization

計算機組成是實現(xiàn)結構法律規(guī)范的操作單元以及其相互連接。組成的屬性包括那些對

程序員可見的硬件細節(jié)，如掌握信號、計算機和外設的接口以及儲存器使用的技術。

3.whatisthestructureofacomputersystem

分層性質的系統(tǒng)。是由一系列相互關聯(lián)的子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)又在結構上分層，直到

分成我們所能達到的一些基本子系統(tǒng)的最低級。

4.whatarethefunctionsofacomputer

---處理數據(Dataprocessing)---數據的儲存(Datastorage)---數據傳送(Data

movement)---對之前的三種功能進行掌握(Control)。

5.describetheprincipalelementsofacomputer

一中心處理器(CPU)一主儲存器…I/O一系統(tǒng)互連：

6.describetheprincipalelementsofaCPU

--掌握單元---算術規(guī)律單元（ALU）---寄存器--CPU內部互連

其次章

1.DescribethestructureofvonNuemannmachine:

--主儲存器一算術規(guī)律運算單元（ALU）一掌握器…輸入/輸出設施（I/O1

2.DescribetheStoredProgramconcept

程序以某種形式與數據一同存在儲存器中，編程的過程就可以簡化。這樣，計算機就

可以通過在儲存器中讀取程序來獵取指令，而且通過設置一部分儲存器的值就可以編寫和

修改程序。

3.Describemoorefslaw

摩爾定律指的是單芯片上所能包含的晶體管數量每年翻一番，并且這種態(tài)勢在不遠的

將來還會始終走下去。

4.Describethewaystospeedupthemicroprocessor

--流水線技術--加入cache,Ll&L2cache--通過增加新的電路，減小電路間的距

離來提高速度，使得性能提高…Branchprediction（轉移猜測）—Dataflowanalysis

（數據流分析）---Speculativeexecution（推想執(zhí)行）：

第三章

1.DescribethreekeyofvonNeumannarchitecture

…數據和指令儲存在單一的"讀、寫儲存器"中…儲存器的內容通過位置尋址，而不

關懷儲存在其中的數據類型-一以挨次的形式從一條指令到下一條指令的（除非有明確的修

改）執(zhí)行

2.Programconcept:

--Asequenceofsteps--foreachsteps,anarithmeticorlogicaloperationis

done.—foreachoperation,adifferentsetofcontrolsignalsisneeded.（e.g.ADD,

MOVE）

3.ComputerComponents

一中心掌握單元（CPU）—I/O部件一主存（存放臨時的代碼和結果）

4.多重中斷的處理方法：禁止中斷和定義優(yōu)先級

5.三種系統(tǒng)總線結構：數據總線，地址總線，掌握總線。

第四章

儲存器，性能(memoryperformance):

存取時間，周期時間，傳輸率。

存儲器層次結構：

--主板內寄存器一主板如諸存器（RAM）內存一離線存儲器

每位價格下降；容量增大；存取時間變長；處理器訪問存儲器的頻率降低。

Localityofreference（儲存器引用、訪問的局部性）

Duringthecourseoftheexecutionofaprogram,memoryreferencestendto

cluster.

MappingFunction（映射功能）

-一直接映射：是最簡潔的映射技術，將主存中的每一塊映射到一個固定可用的cache

行中。命中率低

--全相聯(lián)映射：全相聯(lián)映射克服了直接映射的缺點，它允許每一個主存塊裝入cache

中的任意行。命中率最高，成本也高。

一-組相聯(lián)映射：中和了直接映射的和全相聯(lián)映射的優(yōu)點。

替換算法：

一最近最少使用的被替換一先進先出一最不常用一隨機

寫策略：

寫直達技術：--對全部操作都同時對主存和cache進行，以保證主存中的數據總是有

效的。缺點是產生了大量的儲存通信量，可能引起瓶頸問題。

寫回法：它削減了主存的寫入。只更新cache中的數據。缺點是部分主存數據無效，

I/O模塊的存取只允許通過cache進行。

第五章

DRAM:采用電容充電來儲存數據，位元中的電容有、無電荷分別代表二進制的1或

0.需要周期地充電刷新來維持數據的儲存。

SRAM:是一個數字設施，它使用與處理器相同的規(guī)律元件，只要電源不斷，將始終

保持它所存儲的數據。

兩者的區(qū)分：

—DRAM位元小且電路簡潔--DRAM密度高且價格低---DRAM要求有支持刷新

的電路

—SRAM速度快，用于cache,DRAM用于住儲存器

模塊組織：

第七章

I/。模塊

--主要功能或需求分為掌握和定時，處理器通信，設施通信,數據緩沖槍錯幾種.

--過程：1.處理器查詢I/O模塊，以檢查所連接設施的狀態(tài)。2.1/0模塊返回設施狀態(tài)。

3.假如設施運轉正常,并預備就緒，則處理器通過向I/O模塊發(fā)出一條命令，懇求數據傳

送。4.1/0模塊獲得來自外設的一個數據單元。5.數據從I/O模塊傳送處處理器。

編址方式

一儲存器映射式I/O:儲存單元和I/O設施有單一的地址空間。處理器將I/O模塊的

狀態(tài)和數據寄存器看成儲存單元一樣對待，使用相同的機器指令來訪問儲存器和I/O設施。

--分別式I/。：讓總線即有儲存器的讀線和寫線，同時也有輸入和輸出的命令線。

第九章

整數表示(9.2)

符號-幅值表示法(921)

2的補碼表示法(922)

不同位長之間的轉換(923)

整數算數加減法的上溢規(guī)章：兩個數相加，若他們同為正數或同為負數，則當且僅當

結果的符號位變?yōu)橄喾磿r才消失上溢。

無符號位的整數乘法

圖94無符號二進制桀法的便件實現(xiàn)

浮點數表示

第十章

機器指令要素：一操作碼一源操作數引用一結果操作數引用一下一指令引用一

主存或虛存-一處理器寄存器--馬上數---I/O設施

指令表示：

ADD加SUB減MUL乘DIV除LOAD由儲存器裝入STOR保存到儲存器

指令類型：

數據處理:算數和規(guī)律指令;

數據儲存儲存器指令；

數據傳送I/O指令；

掌握：測試和分支（branch）指令。

地址數目：

有單地址指令，兩地址指令，三地址指令三種方式。

單地址指令這在早先機器中是很普遍的，其隱含地址是被稱為累加器的CPU寄存器。

累加器供應一個操作數，且結果被保存回累加器。

第十一章

尋址方式：

--馬上尋址：殉職的最簡潔的形式是馬上尋址。優(yōu)點：除了取指指令外，獲得操作數

不要求此外的儲存器訪問，于是節(jié)約了一個儲存器或高速緩存周期。其缺點是數的大小受

限于地址字段的長度，而在大多數指令集中此字段長度與子長度相比是比較短的。

--直接尋址：只要求一次儲存器訪問，而且不需要為生成地址的特地計算。不足是只

能供應有限的地址空間。

--間接尋址：讓地址字段指示一個儲存器字地址，而此地址處保存有操作數的全長度

地址。優(yōu)點是對于N位字長來說能有2的N次方個地址可用。缺點是為了取一個操作數，

指令執(zhí)行需要兩次訪問儲存器，第一次為了得到地址，其次次才是得到它的值。

--寄存器尋址：類似于直接尋址。唯一的不同是地址字段指的是寄存器而不是一個主

存地址

優(yōu)點：一是指令中需要一個較小的地址字段，二是不需要儲存器訪問。缺點是地址空

間特別有限。

--寄存器間接尋址：類似于間接尋址。兩種狀況唯一的不同是，地址字段指的是儲存

器位置還是寄存器。

--偏移尋址：三種偏移尋址--相對尋址--基址寄存器尋址--變址

第十二章

指令周期:--取址斗各下一條指令由儲存器讀入CPU--執(zhí)行:解釋操作碼并完成指定

的操作一中斷若中斷是允許的并且有中斷發(fā)生,則保存當前進程的狀態(tài)并為此中斷

間接周期:

噪篇求蕊它圖瑞常湍賦/溫需

一個類似的過程將箏果存入主存。

間接間接

多個操

住故

流水線策略:

對處理進行如下分解-一取指令(FI)--譯碼指令(DI)---計算操作數(C。)---取操作

數(F0)一執(zhí)行指令(ED-一寫操作數(W0)

寫后讀相關性也是真相關

讀后寫也是反相關

寫后寫是輸出相關

處理分支指令

方法:--多個指令流--預取分支目標-一循環(huán)緩沖器--分支猜測--延遲分支

多個指令流:復制流水線的開頭部分，并允許流水線同時取這兩條指令，使用兩個指令流.

帶來的問題有1.使用多個流水線，會對有寄存器和儲存器訪問的競爭延遲2在原先的分支

推斷還沒有解決之前，可能又有此外的分支指令進入流水線.

預取分支目標：識別出一個條件分支指令時，除了取此分支指令之后的指令外，分支目

標出的指令也被取來.這個目標被保存直到分支指令被執(zhí)行.若是分支發(fā)生，則目標已經被預

取來了.

緩沖儲存器:取址階段維護的一個小的但極高速的儲存器，含有n條最近挨次取來的指

令.若一個轉移將要發(fā)生,硬件首先檢查轉移目標是否在此緩沖器中.若是，則下一條指令由此

緩沖器取得.特別適合循環(huán)或迭代.

分支猜測：猜測絕不發(fā)生，猜測總是發(fā)生，依操作碼猜測,發(fā)生/不發(fā)生切換,轉移歷史表.

延遲分支:改進流水性能的另一可能方法是自動重升轎呈序中的指令，這樣可以把一條分

支指令移到實際所期望的位置之后.

第十三章

計算機誕生以來主要的進步有：-一系列概念(familyconcept)--微程序式掌握器

(microprogrammedcontrolunit)---高速緩存存儲器(cachememory)---流水

(pipelining)一多個處理器(multipleprocessors)一精簡指令集計算機(RISC)結構

RISCCharacteristics

?Oneinstructionpercycle

?Registertoregisteroperations

?Few,simpleaddressingmodes

?Few,simpleinstructionformats

?Hardwireddesign(nomicrocode)

?Fixedinstructionformat

?Morecompiletime/effort

RISCvCISC

?Notclearcut

?Manydesignsborrowfromboth

philosophies

?e.g.PowerPCandPentiumII

RISC與CISC特征對比

CISC（簡單指令集計算機）和RISC（精簡指令集計算機）是當前CPU的兩種架構。它們的

區(qū)分在于不同的CPU設計理念和方法。早期的CPU全部是CISC架構，它的設計目的是

要用最少的機器語言指令來完成所需的計算任務。RISC和CISC是設計制造微處理器的兩

種典型技術，雖然它們都是試圖在體系結構、操作運行、軟件硬件、編譯時間和運行時間

等諸多因素中做出某種平衡，以求達到高效的目的，但采納的方法不同，因此，在許多方

面差異很大，它們主要有：

(1)指令系統(tǒng)：RISC設計者把主要精力放在那些常常使用的指令上，盡量使它們具

有簡潔高效的特色。對不常用的功能，常通過組合指令來完成。因此，在RISC機器上實

現(xiàn)特別功能時，效率可能較低。但可以采用流水技術和超標量技術加以改進和彌補。而CISC

計算機的指令系統(tǒng)比較豐富，有專用指令來完成特定的功能。因此，處理特別任務效率較

后1。

(2)存儲器操作：RISC對存儲器操作有限制，使掌握簡潔化；而CISC機器的存儲

器操作指令多，操作直接。

(3)程序：RISC匯鰻宣程序一般需要較大的內存空間，實現(xiàn)特別功能時程序簡單，

不易設計；而CISC匯編語言程序編程相對簡潔，科學計算及簡單操作的程序社設計相對

簡潔，效率較高。

98年Cyrix生產的"CPU"

(4)生斷：RISC機器在一條指令執(zhí)行的適當地方可以響應中斷；而CISC機器是在

一條指令執(zhí)行結束后響應中斷。

(5)CPU:RISCCPU包含有較少的單元電路，因而面積小、功耗低；而CISCCPU

包含有豐富的電路單元，因而功能強、面積大、功耗大。(6)設計周期：RISC微處理器

結構簡潔，布局緊湊，設計周期短，且易于采納最新技術；CISC微處理器結構簡單，設計

周期長。

(7)用戶使用:RISC微處理器結構簡潔,指令規(guī)整，性能簡潔把握，易學易用；CISC

微處理器結構簡單，功能強大，實現(xiàn)特別功能簡潔。

(8)應用范圍：由于RISC指令系統(tǒng)的確定與特定的應用領域有關，故RISC機器更

適合于專用機；而CISC機器則更適合于通用機。

RISC流水線技術

指令周期有兩個階段：--1：取指令--E:執(zhí)行

對于裝載和愛護操作需要三個階段：—I：取指令--E:執(zhí)行(計算存儲器地址)-一

儲存(寄存器到儲存器或儲存器到寄存器操作)

E通常涉及一個ALU操作，所以分為兩個子階段：

—E1:寄存器組讀--E2:ALU操作和寄存器寫

流水線的優(yōu)化：

1.延遲分支：它采用了分支指令直到下面一條指令之后才產生影響的這一天特點，在

分支指令之后支配一條有用指令來替代僅為延遲的空操作。

2彳盾環(huán)綻開：通過以下方法來提高性能的--降低循環(huán)開銷---通過提升流水線性能來提

高指令并行性--提高寄存器、數據高速緩存或頁表快速緩存。

第十四章

什么是超標量--在不同流水線中獨立執(zhí)行指令的力量-一對RISC和CISC同樣適用

--多數應用于RISC

限制：指令級并行性：指的是程序指令能并行執(zhí)行的程度。

--真實數據相關性：寫后讀相關性

--反相關性：讀后寫相關性

--輸出相關性：寫后寫相關性

--過程相關性：分支（發(fā)生或不發(fā)生轉移）之后的指令有對分支指令的過程相關性,

而且直到分支指令被執(zhí)行之前它們不能去執(zhí)行。

--資源沖突：資源沖突是兩個或多個指令同時競爭同一資源。資源的例子包括儲存器、

cache、總線、寄存器組端口和功能單元（如ALU加法器）

指令放射策略：

按序放射按序完成：嚴格的根據挨次執(zhí)行的那個挨次放射指令，并以同樣的挨次寫結

果。

按序放射亂序完成:

亂序放射亂序完成:

限制：口執(zhí)行要求兩個執(zhí)行周期

13和14為使用同一功能單元而發(fā)生沖突

15依靠于14產生的值

15和16為使用同一功能單元而發(fā)生沖突。

只要（】）指令所需的共作功能單元

黑花露荔第盛;而誦獻叱:干寄存器的使;

是可用的,以及＜2）沒有沖突或反相關拄和,

相定性阻塞這條指令,那任何指令

?，產生了妨碣，

都可戰(zhàn)破發(fā)的“術力圖最貝

這尊好蚊方式的結果是?處理

對付這種類

器有先行愛找的能力?允許它漢別

那樣靠放入執(zhí)行我的獨立指令指的語境中，此技

1

令由指令窗口發(fā)射出去的次序很少~和依序完成.口配，并且它們、

道感它們晚來的程序?序。同前面休操作數的指令

一樣,唯一的限制是程序執(zhí)行的結指令必須通過

果是正確的二的引用，于是?

圖l4Vc說明了這熱策略。每

周期兩條指令取入中碼段由于“

讓我們考E

沖器大小限制,每周期兩條指令由

b）接呼發(fā)射國亂廳完喊n：R3?—R3

許碼段進入指令窗口.在這個例子12訊小尸仁

中，指令16先于H被發(fā)射是可能I3xB3^*-R'

14:R7?-R

的（回也一下,15依陵于14.但⑹to

不這樣）干是.執(zhí)行和寫回兩段不帶下標I

五妁r一?。齣t一與mub直用來保存新值

比酸.端到端了一個周期。

—用1414c漏薪的指令窗口

caur發(fā)射和氤件完成)o

加強并行性的兩種方法是：

一硬用支術一編譯器優(yōu)化技術

機器并行^性：

提高性能的三種硬件技術：資源復制、亂序放射和重命名。

沒有寄存器重命名而添加功能單元可能不會很有價值。

需要足夠大的指令窗口。

寄存器重命名（資源復制）

本質上，寄存器由處理器硬件動態(tài)安排，并且它們與各時間點指令所需值相關。當一

個新寄存器值產生時（即當一條以寄存器為目標操作數的指令執(zhí)行時）,一個新寄存器安排

給那個值。

延遲分支：

RISC-DelayedBranch

?Calculateresultofbranchbeforeunusable

instructionspre-fetched

?Alwaysexecutesingleinstructionimmediately

followingbranch

?Keepspipelinefullwhilefetchingnewinstruction

stream

?Notasgoodforsuperscalar

Multipleinstructionsneedtoexecuteindelayslot

Instructiondependenceproblems

?Reverttobranchprediction

超標量執(zhí)行：

SuperscalarImplementation

?Simultaneouslyfetchmultipleinstructions

?Logictodeterminetruedependencies

involvingregistervalues

?Mechanismstocommunicatethesevalues

?Mechanismstoinitiatemultiple

instructionsinparallel

?Resourcesforparallelexecutionof

multipleinstructions

?Mechanismsforcommittingprocessstate

incorrectorder

第十五章

CPU所需要處理的事項如下：

1.操作（操作碼）2.尋址方式3.寄存器組4.1/0模塊接口5.內存模塊接口6.中斷

微操作:一個程序的執(zhí)行是由指令的挨次執(zhí)行組成。每條指令的執(zhí)行是一個指令周期，

每個指令周期由更短的子周期（如取址、間接、執(zhí)行、中斷）組成。每個子周期的完成又

涉及一個或多個更短的操作。

取址周期：

涉及到4個寄存器

--儲存器地址寄存器（MAR）:連接到系統(tǒng)總線的地址線。它指定了讀、寫操作的內

存地址。

--儲存器緩沖寄存器（MBR）:連接到系統(tǒng)總線的數據線。它存放將被存入內存的值

或最近從內存讀取出的值。

--程序計數器（PC）:保存待取的下一條指令的地址。

--指令寄存器（IR）：保存最近取來的指令。

取址操作大事的挨次：

第一個時間單位PC內容傳送到MAR。

其次個時間單位被MAR指定的內存中的內容存放到MBR中，PC遞增1.

第三個時間單位傳送MBR的內容到IR

事物流淌遵守的原則：1.大事的流淌挨次必需是恰當的。于是，（MAR<-（PC））必需

先于（MBR<-內存）,由于內存讀取操作要使用MAR中的地址。2.必需避開沖突。不要試

圖在一個時間單位里去讀、寫同一個寄存器,茍澤結果是不行預料的。

間接周期：

包括了下列微操作：

11:MAR<-（IR（地址））

t2:MBR<-內存

t3:IR(地址)<-(MBR(地址))

中斷周期微操作步驟：

11:MBR<-(PC)

t2:MAR?保存地址

PC<-子程序地址

t3：內存<-(MBR)

執(zhí)行周期

e.g.ADDR1,X-addthecontentsoflocationXto

Register1,resultinRI

?tl:MAR<-(IRaddress)

?t2:MBR<-(memory)

?t3:RI<-RI+(MBR)

ISZX（遞增，若為0則跳步）

tl:MAR—(IRaddress)

t2:MBR—(memory)

t3:MBR-(MBR)+1

t4:memory—(MBR)

if(MBR)==0thenPC—(PC)+1

BSAX(轉移并保存地址)

tl:MAR<-(IRaddress)

MBR<-(PC)

t2:PC<-(IRaddress)

memory<-(MBR)

t3:PC<-(PC)+1

指令周期分為：取指間接執(zhí)行中斷。

第十六章

使用微程序實現(xiàn)掌握器的優(yōu)點在于，簡化了掌握器的設計任務，實現(xiàn)起來即成本較低，

也能削減出錯機會。硬布線掌握器需要一個簡單的規(guī)律，用來使指令周期的眾多微操作按

序執(zhí)行。而微程序掌握器的譯碼器和定序規(guī)律單元式很簡潔的規(guī)律電路。

微程序掌握器的主要缺點是：要比采納相同或相近半導體工藝的硬布線掌握器慢一些。

盡管如此，由于它的易實現(xiàn)性，使微程序設計成為當今CISC掌握器的主導技術。而對于

RISC處理器，由于它們的簡潔指令格式，一般使用硬布線掌握器。

硬布線掌握器與微程序掌握器的對比

CISC更適于采納微程序掌握，而RISC更適于采納硬布線掌握規(guī)律。

硬布線掌握器與微程序掌握器相比較，在操作掌握信號的形成上有較大的區(qū)分外，其

它沒有本質的區(qū)分。對于實現(xiàn)相同的一條指令，不管是采納硬布線掌握還是采納微程序掌

握技術，都可以采納多種規(guī)律設計方案，導致了各種不同的掌握器在詳細實現(xiàn)方法和手段

上的區(qū)分，性能差異。

硬布線掌握與微程序掌握的主要區(qū)分歸納為如下方面：

實現(xiàn)方式

微程序掌握器的掌握功能是在存放微程序存儲器和存放當前正在執(zhí)行的微指令的寄存

器直接掌握下實現(xiàn)的，而硬布線掌握的功能則由規(guī)律門組合實現(xiàn)。微程序掌握器的電路比

較規(guī)整，各條指令信號的差別集中在掌握存儲器內容上，因此，無論是增加或修改指令都

只要增加或修改掌握存儲器內容即可，若掌握存儲器是ROM,則要更換芯片，在設計階

段可以先用RAM或EPROM來實現(xiàn)，驗證正確后或成批生產時，再用ROM代替。硬布

線掌握器的掌握信號先用規(guī)律式列出，經化簡后用電路來實現(xiàn)，因此，顯得零亂簡單，當

需要修改指令或增加指令時就必需重新設計電路，特別麻煩而且有時甚至無法轉變。因此，

微操作掌握取代了硬布線掌握并得到了廣泛應用，尤其是指令簡單的計算機，一般都采納

微程序來實現(xiàn)掌握功能。

性能方面

在同樣的半導體工藝條件下，微程序掌握的速度比硬布線掌握的速度低，由于執(zhí)行每

條微程序指令都要從掌握存儲器中讀取，影響了速度；而硬布線掌握規(guī)律主要取決于電路

延時，因而在超高速機器中，對影響速度的關鍵部分如核心部件CPU，往往采納硬布線規(guī)

律實現(xiàn)。近年來，在一些新型計算機系統(tǒng)中，例如，RISC(精簡指令系統(tǒng)計算機)中，一般

都選用硬布線規(guī)律電路

掌握儲存器的作用：Thecontrolunitofaprocessorperformstwotasks:(1)It

causestheprocessortoexecutemicro-operationsinthepropersequence,

determinedbytheprogrambeingexecuted,and(2)itgeneratesthecontrol

signalsthatcauseeachmicro-operationtobeexecuted.

雙地址字段得到下一地址的來源有：兩個地址字段和指令寄存器。

單地址得到下一地址的來源是：一地址字段…指令寄存器代碼一下一挨次地址

第十七章

計算機系統(tǒng)類型：-一單指令單數據流（SISD）-一單指令多數據流（SIMD）一多

指令單數據流（MISD）--多指令多數據流（MIMD）

對稱多處理器（SMP）優(yōu)點：--性能:假如可以對一臺計算機完成的工作進行組織，

使得某些工作部分能夠并行完成，則具有多個處理器的系統(tǒng)與具有相同類型的單個處理器

的系統(tǒng)相比，將產生更高的性能。--可