衡量一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能的優(yōu)劣是根據(jù)多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)綜合確定的，既包括硬件的各種性能指標(biāo)，又包括軟件的各種功能。

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第一章、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成及性能：

• 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由“硬件”和“軟件”組成。
• 衡量一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能的優(yōu)劣是根據(jù)多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)綜合確定的，既包括硬件的各種性能指標(biāo)，又包括軟件的各種功能。
• 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。
• 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能由硬件和軟件共同決定。

2、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)5層層次結(jié)構(gòu)：

• 為程序機(jī)器、傳統(tǒng)機(jī)器、操作系統(tǒng)機(jī)器、匯編語(yǔ)言機(jī)器、高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器
• 微程序機(jī)器和傳統(tǒng)機(jī)器是物理機(jī)，其他是虛擬機(jī)。

3、馮諾依曼機(jī)器的主要特點(diǎn)：

• 計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成；
• 指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)再存儲(chǔ)器中，并可以按地址訪問；
• 指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制表示；
• 指令由操作碼和地址碼構(gòu)成，操作碼指明操作的性質(zhì)，地址碼表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置；
• 指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放，通常按自動(dòng)的順序取出執(zhí)行；
• 機(jī)器以運(yùn)算器為中心，I/O設(shè)備與存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)也要通過運(yùn)算器。(后來有以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu))

4、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成圖：

5、計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存單元：

• 存儲(chǔ)單元：存儲(chǔ)一個(gè)存儲(chǔ)字并具有特定存儲(chǔ)地址的存儲(chǔ)單位；
• 存儲(chǔ)字：一個(gè)存儲(chǔ)單元中存放的所有的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，按照某個(gè)地址訪問某個(gè)存儲(chǔ)單元獲取的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
• 存儲(chǔ)字長(zhǎng)：存儲(chǔ)字中二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，即按照某個(gè)地址訪問某個(gè)存儲(chǔ)單元獲取的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)；
• 存儲(chǔ)體：由多個(gè)存儲(chǔ)單元構(gòu)成的存儲(chǔ)器件。

6、主存儲(chǔ)器中的MAR和MDR：

• MAR：存儲(chǔ)地址寄存器，保存需要訪問的存儲(chǔ)單元地址。反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)。
• MDR：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)寄存器，緩存讀出/寫入存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)。反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)。
• 存儲(chǔ)器的最大容量由MAR寄存器的位數(shù)和MDR寄存器的位數(shù)決定。

7、機(jī)器字長(zhǎng)和存儲(chǔ)字長(zhǎng)：

• 機(jī)器字長(zhǎng)：CPU一次能夠處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。
• 存儲(chǔ)字長(zhǎng)：按照某個(gè)地址訪問某個(gè)存儲(chǔ)單元獲取的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。

第二章、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

• 硬件結(jié)構(gòu)主機(jī)CPUALU運(yùn)算器CU控制器存儲(chǔ)器主存(計(jì)算機(jī)的內(nèi)存條)輔存(如磁盤等虛擬存儲(chǔ))I/O輸入設(shè)備輸出設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)機(jī)器字長(zhǎng)CPU一次能處理的數(shù)據(jù)位數(shù)存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量＝存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)×存儲(chǔ)字長(zhǎng)運(yùn)算速度單位時(shí)間執(zhí)行指令的平均條數(shù)，MIPS(每秒百萬(wàn)指令條數(shù))
• 軟件系統(tǒng)軟件用來管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)語(yǔ)言處理程序(編譯器,模擬器等)操作系統(tǒng)(windows/linux)服務(wù)性程序(網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)，磁盤驅(qū)動(dòng)等)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(mysql,oracle,pgsql等)網(wǎng)絡(luò)軟件(tcp/ip協(xié)議棧等)應(yīng)用軟件自己下載的普通軟件

第三章、運(yùn)算方法和運(yùn)算部件

1、數(shù)據(jù)的表示方法和轉(zhuǎn)換

• 機(jī)器數(shù)正0負(fù)1真值:符號(hào)位加絕對(duì)值符號(hào)數(shù)值化的帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)，稱為機(jī)器數(shù)。
• 余三碼:在8421碼的基礎(chǔ)上，把每個(gè)編碼都加上0011格雷碼:任何兩個(gè)相鄰編碼只有1個(gè)二進(jìn)制位不同，而其余3個(gè)二進(jìn)制位相同當(dāng)兩個(gè)余三碼相加不產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，應(yīng)從結(jié)果中減去0011;產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，應(yīng)將進(jìn)位信號(hào)送入高位，本位加0011
• 8421碼權(quán)值從高到低為8、4、2、1算術(shù)運(yùn)算時(shí)，需對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行修正。 方法：如果小于、等于(1001)2，不需要修正；否則加6修正

2、帶符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示方法及運(yùn)算

(1)源碼表示：

• X為正數(shù)時(shí)，符號(hào)位為0；X為負(fù)數(shù)時(shí)，符號(hào)位為1。
• 其他位置上與真值一樣
• 0存在兩種表示形式
• 特點(diǎn)：值+0，-0的原碼分別為00000、10000，形式不唯一；正數(shù)的原碼碼值隨著真值增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，負(fù)數(shù)的原碼碼值隨著真值增長(zhǎng)而減少n+1位原碼表示定點(diǎn)整數(shù)范圍－(2n－1)——-(2n－1)n+1位原碼表示定點(diǎn)小數(shù)范圍 －(1－2－n)———(1－2－n)
• 運(yùn)算：絕對(duì)值相加減，由數(shù)值大小決定運(yùn)算結(jié)果符號(hào)

(2)反碼表示：

• 正數(shù)的反碼、補(bǔ)碼與原碼相同
• 負(fù)數(shù)的反碼，按位取反，符號(hào)位取反
• 特點(diǎn)：數(shù)值零的反碼表示不唯一正數(shù)反碼碼值隨著真值增大而增大，負(fù)數(shù)反碼碼值隨著真值增大而增大n+1位反碼所表示定點(diǎn)整數(shù)范圍－ (2n－1)——-2n－1，n+1位反碼所表示定點(diǎn)小數(shù)范圍－(1－2－n)——-1－2－n
• 運(yùn)算：滿足[X+Y]反=[X]反+[Y]反，[X－Y]反=[X]反+[－Y]反

(3)補(bǔ)碼表示：

• 從X求[X]補(bǔ)：X為正數(shù)時(shí)，[X]補(bǔ)=XX為負(fù)數(shù)時(shí)，①按位求反(符號(hào)位不變)，②末尾加1
• 從[X]補(bǔ)求X：[X]補(bǔ)的符號(hào)位為0(正數(shù))，[X]補(bǔ)=X[X]補(bǔ)的符號(hào)位為1(負(fù)數(shù))，①按位求反(包括符號(hào)位)，②末尾加1，再在數(shù)值前面加上符號(hào)-
• 從[X]補(bǔ)求補(bǔ)：按位求反(包括符號(hào)位)末尾加1
• 特點(diǎn)：數(shù)值零的補(bǔ)碼表示唯一正數(shù)補(bǔ)碼碼值隨著真值增大而增大，負(fù)數(shù)補(bǔ)碼碼值隨著真值增大而增大n+1位補(bǔ)碼所表示定點(diǎn)整數(shù)范圍－ 2n——2n－1，n+1位補(bǔ)碼所表示定點(diǎn)小數(shù)范圍－1—-1－2－n
• 結(jié)論：負(fù)數(shù)的補(bǔ)數(shù)＝模＋負(fù)數(shù)互為補(bǔ)數(shù)的絕對(duì)值相加＝模在補(bǔ)數(shù)中，減法運(yùn)算即加法運(yùn)算
• 運(yùn)算： [X+Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[Y]補(bǔ)，[X–Y]補(bǔ)=[X+(–Y)]補(bǔ)=[X]補(bǔ)+[–Y]補(bǔ)

(4)移碼表示：

• left [ X ight ][X]補(bǔ)的符號(hào)位取反，即得$ left [ X ight ] $$移
• 為了從碼值直接判斷對(duì)應(yīng)真值的大小，所以引進(jìn)移碼
• 特點(diǎn)：最高位是符號(hào)位，1表示正，0表示負(fù)數(shù)據(jù)0有唯一的編碼移碼碼值隨著真值增大而增大n+1位移碼所表示定點(diǎn)整數(shù)范圍-2^{n} - left { 2^{n}-1 ight } ， n+1位移碼所表示定點(diǎn)小數(shù)范圍－1——1－2－n計(jì)算機(jī)中，移碼常用于表示階碼，故只執(zhí)行加、減運(yùn)算計(jì)算機(jī)中，移碼運(yùn)算公式需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正
• 運(yùn)算：移碼定義:[X]移=2的n次方+X補(bǔ)碼定義:[X]補(bǔ)=2的n+1次方+Y
• 階碼求和公式[X]移+[Y]補(bǔ)=[X+Y]移 mod2的n+1次方[X]移+[-Y]補(bǔ)=[X-Y]移

(5)補(bǔ)、反、原、移碼的相互轉(zhuǎn)換

• 反碼——->原碼方法：符號(hào)位不變，正數(shù)不變，負(fù)數(shù)數(shù)值部分取反。
• 補(bǔ)碼——->原碼方法1：正數(shù)不變，負(fù)數(shù)數(shù)值部分求反加1。方法2：串行轉(zhuǎn)換從最后開始數(shù)，遇到第一個(gè)“1”，除第一個(gè)“1”不變，前面數(shù)字分別取反
• 移碼——->原碼方法：移碼轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼，再轉(zhuǎn)換為原碼

(6)定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)

• 定點(diǎn)數(shù)：小數(shù)點(diǎn)固定在某個(gè)位置上的數(shù)據(jù)32位定點(diǎn)小數(shù)、定點(diǎn)整數(shù)補(bǔ)碼的范圍32位定點(diǎn)小數(shù)-1～1-2-3132位定點(diǎn)整數(shù)-231～231-1
• 浮點(diǎn)數(shù)：根據(jù)IEEE754國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，常用的浮點(diǎn)數(shù)有兩種格式Nmax=Mmax2的EmaxNmin=Mmin2的Emax單精度(32位)=8位階碼+24位尾數(shù)單精度浮點(diǎn)數(shù)(32位)，階碼8位(含一位符號(hào)位)，尾數(shù)24(含一位符號(hào)位)，取值范圍:-2的127次方～(1-2的-23次方)*2的127次方雙精度(64位)=11位階碼+53位尾數(shù)雙精度浮點(diǎn)數(shù)(64位)，階碼11位(含一位符號(hào)位)，尾數(shù)53位(含一位符號(hào)位)，取值范圍:-2的1023次方～(1-2的-52次方)*2的1023次方為了保證數(shù)據(jù)精度，尾數(shù)通常用規(guī)格化形式表示:當(dāng)R=2，且尾數(shù)值不為0時(shí)，其絕對(duì)值應(yīng)大于或等于(0.5)10小數(shù)點(diǎn)位置可以浮動(dòng)的數(shù)據(jù)。左規(guī)右規(guī)表示形式：N = M · RE計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)形式Ms+Es+E(n位)+M(m位)階碼E，一般為整數(shù)，用補(bǔ)碼或者移碼表示；尾數(shù)M，一般為規(guī)格化的定點(diǎn)小數(shù)，用補(bǔ)碼表示；

3、二進(jìn)制乘法運(yùn)算

• 定點(diǎn)原碼一位乘法
• 兩個(gè)原碼數(shù)相乘，其乘積的符號(hào)為相乘兩數(shù)符號(hào)的異或值，數(shù)值則為兩數(shù)絕對(duì)值之積[X·Y]原=[X]原·[Y]原=(X0⊕Y0)|(X1X2…Xn) · (Y1Y2…Yn)
• 定點(diǎn)補(bǔ)碼一位乘法
• 表達(dá)式：[X·Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)·(－Y0+Y1·2-1+….Yn·2-n)
• 注意：此處為雙符號(hào)位，當(dāng)最后乘積高位為負(fù)數(shù)時(shí)，需要補(bǔ)充加上[-|x|]補(bǔ)的操作

4、二進(jìn)制除法運(yùn)算

• 加減交替法：當(dāng)余數(shù)為正時(shí)，商上1，求下一位商的辦法是，余數(shù)左移一位，再減去除數(shù);當(dāng)余數(shù)為負(fù)時(shí)，商上0，求下一位商的辦法是，余數(shù)左移一位，再加上除數(shù)。此方法不用恢復(fù)余數(shù)，所以又叫不恢復(fù)余數(shù)法。但若最后一次上商為0而又需得到正確余數(shù)，則在這最后仍需恢復(fù)余數(shù)

5、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算

(1)浮點(diǎn)數(shù)的加減法運(yùn)算

對(duì)階操作求出△E，再對(duì)小的進(jìn)行移位

尾數(shù)的加減運(yùn)算

規(guī)格化操作規(guī)則簡(jiǎn)化是符號(hào)位和數(shù)值最高位不同，即00.1xxxx或11.0xxxx

舍入超出表示范圍的高位為1舍入

檢查節(jié)碼是否溢出

(2)浮點(diǎn)數(shù)的乘除法運(yùn)算

浮點(diǎn)數(shù)階碼運(yùn)算(移碼)

• [X+Y]移=[X]移+[Y]補(bǔ)
• [X–Y]移=[X]移+[–Y]補(bǔ)

按照一位乘或加減交替除運(yùn)算

• 先確定符號(hào)，在列式子計(jì)算

6、運(yùn)算部件

• ABC寄存器作業(yè)
• 定點(diǎn)運(yùn)算部件
• 浮點(diǎn)運(yùn)算部件由階碼運(yùn)算部件和尾數(shù)運(yùn)算部件組成

7、校驗(yàn)碼

碼距：

• 任意兩個(gè)合法碼之間不相同的二進(jìn)制位數(shù)的最小值要具有差錯(cuò)能力，則碼距>1合理增大碼距，就能提高發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的能力

鑒定方法：

• 有無差錯(cuò)能力
• 是否能合理增大碼距

(1)奇偶校驗(yàn)碼

• 能發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)代碼中一位或奇數(shù)個(gè)位出錯(cuò)情況的編碼
• 實(shí)現(xiàn)原理是使碼距由1增加到2步驟1：在字節(jié)高位補(bǔ)充一位，即校驗(yàn)位步驟2：依據(jù)圖3.10電路形成原始數(shù)據(jù)D8…D1的校驗(yàn)位置步驟3：將9位數(shù)據(jù)寫入主存步驟4：讀出該數(shù)據(jù)時(shí)，讀取數(shù)據(jù)D8…D1通過圖3.10判定合法性
• 結(jié)論：(1)奇偶校驗(yàn)碼只能發(fā)現(xiàn)一位或奇位錯(cuò)，且不能確定出錯(cuò)位置(2)奇偶校驗(yàn)碼的碼距=2

(2)海明校驗(yàn)碼

• 海明碼位號(hào)和校驗(yàn)位位號(hào)的關(guān)系Pi的位置在2的i-1次方，但是除了最高位
• 海明碼碼距為4
• 糾一位錯(cuò)，查一位錯(cuò)2∧r≥k+r+1
• 糾一位錯(cuò)，查兩位錯(cuò)2∧(r–1)≥k+r

(3)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)

• CRC碼可以發(fā)現(xiàn)并糾正信息存儲(chǔ)或傳送過程中連續(xù)出現(xiàn)的多位錯(cuò)誤
• CRC碼一般是指k位信息碼之后拼接r位校驗(yàn)碼
• 模2運(yùn)算模2加減模2乘除異或邏輯
• CRC的譯碼與糾錯(cuò)更換不同的待測(cè)碼字可以證明:余數(shù)與出錯(cuò)位的對(duì)應(yīng)關(guān)系是不變，只與碼制和生成多項(xiàng)式有關(guān)

第四章、存儲(chǔ)器

1、概念

• 用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令等的記憶部件，叫做存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器是由一些編號(hào)的單元所組成。單元的編號(hào)叫做地址。

計(jì)算機(jī)對(duì)存儲(chǔ)器的要求是：一要存取速度快，二要存儲(chǔ)容量大。

存儲(chǔ)器按構(gòu)造分為磁心存儲(chǔ)器、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁盤、磁帶等多種，按與中央處理器的關(guān)系可分為內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器兩類。

2、存儲(chǔ)器分類

• 1)可以分為隨機(jī)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、順序存儲(chǔ)器和直接存儲(chǔ)器；
• 2)隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器屬于隨機(jī)存儲(chǔ)器，即存取時(shí)間與物理地址無關(guān)；
• 3)順序存儲(chǔ)器(典型的如磁帶)和直接存儲(chǔ)器(典型的如磁盤)屬于串行存儲(chǔ)器，即存取時(shí)間與物理地址有關(guān)。

3、衡量存儲(chǔ)器使用指標(biāo)

• 1)速度、容量、位價(jià)格。
• 2)寄存器速度最快，主存最便宜

4、常見的存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

• 1)緩存-主存層次：用來緩解CPU和主存速度不匹配的問題，由硬件來完成，對(duì)所有的程序員完全透明。
• 2)主存-輔存層次：用來解決主存容量不夠的問題，由操作系統(tǒng)和硬件共同完成，對(duì)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)者透明，對(duì)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)者不透明。

5、主存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)

• 主存容量64×8等等計(jì)算機(jī)可尋址的最小信息單元是一個(gè)存儲(chǔ)字主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的總數(shù)
• 存取速度：由存儲(chǔ)器存取時(shí)間和存儲(chǔ)周期表示
• 存儲(chǔ)器存取時(shí)間：啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作(讀/寫)到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間
• 存儲(chǔ)周期：連續(xù)啟動(dòng)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作所間隔的最小時(shí)間

6、主存儲(chǔ)器的基本操作

• CPU通過使用AR(地址寄存器)和DR(數(shù)據(jù)寄存器)和主存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送
• 若AR為K位字長(zhǎng)，DR為n位字長(zhǎng)，則允許主存包含2∧k個(gè)可尋址單元
• CPU與主存采取異步工作方式，以ready信號(hào)表示一次訪存操作的結(jié)束

7、讀/寫存儲(chǔ)器

• 隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)按存儲(chǔ)元件在運(yùn)行中能否長(zhǎng)時(shí)間保存信息分為靜態(tài)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器
• 靜態(tài)存儲(chǔ)器，利用觸發(fā)器保存信息，只要不斷電，信息就不會(huì)丟失電路簡(jiǎn)圖MOS靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)圖
• 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，利用MOS電容存儲(chǔ)電荷來保存信息，需要不斷給電容充電才能使信息來保存信息電路簡(jiǎn)圖16K×1位動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器框圖
• 再生集中式分散式時(shí)間小于或等于2ms行讀出再生

8、非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

• RAM(random access memory)即隨機(jī)存儲(chǔ)內(nèi)存，可讀可寫，斷電時(shí)將丟失其存儲(chǔ)內(nèi)容，故主要用于存儲(chǔ)短時(shí)間使用的程序。
• ROM(Read-Only Memory)即只讀內(nèi)存，只能讀不能寫，在掉電的情況下，依然保存原有的數(shù)據(jù)。

9、存儲(chǔ)器的組成與控制

• 存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展位擴(kuò)展:用多個(gè)存儲(chǔ)器芯片對(duì)字長(zhǎng)進(jìn)行擴(kuò)充字?jǐn)U展:增加存儲(chǔ)器中字的數(shù)量，提高存儲(chǔ)器的尋址范圍字位擴(kuò)展，假設(shè)一個(gè)存儲(chǔ)器的容量為M×N位，若使用L×K位存儲(chǔ)器芯片，那么，這個(gè)存儲(chǔ)器共需要(M/L)×(N/K)個(gè)存儲(chǔ)器芯片

10、多體交叉存儲(chǔ)器

• 提高訪存速度的方式采用高速器件采用層次結(jié)構(gòu)調(diào)整主存結(jié)構(gòu)
• 計(jì)算機(jī)中大容量的主存可由多個(gè)存儲(chǔ)體組成，每個(gè)存儲(chǔ)體都具有自己的讀寫線路，地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，稱為”存儲(chǔ)模塊”。這種多模塊存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)重疊與交叉存取
• 第i個(gè)模塊M的地址編號(hào)應(yīng)按下式給出:M×j+i
• 連續(xù)地址分布在相鄰的不同模塊內(nèi)，而同一模塊內(nèi)的地址都是不連續(xù)的

11、提高訪存速度的三種方式

• 1)采用高速元器件；
• 2)采用存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)：cache-主存結(jié)構(gòu)；
• 3)調(diào)整主體結(jié)構(gòu)：包括單體多字，多體并行兩種方式。

第五章、指令系統(tǒng)

1、指令系統(tǒng)的發(fā)展

　　20世紀(jì)70年代末人們提出了便于VLSI實(shí)現(xiàn)的精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱RISC，同時(shí)將指令系統(tǒng)越來越復(fù)雜的計(jì)算機(jī)稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱CISC。

2、指令格式

(1)結(jié)構(gòu)(操作碼+地址碼)

• 操作碼
• 操作數(shù)的地址
• 操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址
• 下一條指令的地址

(2)地址碼

• 零地址指令
• 一地址指令尋址范圍 224 = 16 M2次訪存
• 二地址指令尋址范圍 212 = 4 K4 次訪存
• 三地址指令尋址范圍 28 = 2564 次訪存
• 多地址指令-尋址范圍 26 = 644 次訪存

(3)指令字長(zhǎng)

• 取決因素操作碼的長(zhǎng)度操作數(shù)地址的長(zhǎng)度操作數(shù)地址的個(gè)數(shù)
• 指令字長(zhǎng) 固定指令字長(zhǎng) = 存儲(chǔ)字長(zhǎng)
• 指令字長(zhǎng) 可變按字節(jié)的倍數(shù)變化
• 對(duì)準(zhǔn)邊界存放不連續(xù)存放數(shù)據(jù)按字節(jié)編址a.半字地址最低位恒為0b.字地址最低兩位恒為0c.雙字地址的最低三位恒為0減少訪存次數(shù)，浪費(fèi)存儲(chǔ)空間
• 不對(duì)準(zhǔn)邊界存放連續(xù)存放數(shù)據(jù)節(jié)約存儲(chǔ)器空間，但增加訪存次數(shù)，對(duì)多字節(jié)數(shù)據(jù)存在調(diào)整高 低字節(jié)位置的問題

(4)尋址方式

①分類：

立即尋址：執(zhí)行速度快，不能被修改，立即數(shù)大小受長(zhǎng)度限制，靈活性較差。

寄存器間接尋址：又快又靈活，被廣泛使用。

直接尋址：不需要做尋址運(yùn)算，簡(jiǎn)單直觀，受地址碼字長(zhǎng)限制。

間接尋址：靈活，能擴(kuò)大尋址范圍，速度慢。

變址尋址：修改地址方便，無需修改指令，只需修改地址即可。

基址尋址：大型計(jì)算機(jī)采用的一種技術(shù)，將用戶的邏輯地址轉(zhuǎn)換為主存的物理地址。

②指令系統(tǒng)類型：

CISC(復(fù)雜)：數(shù)量多，使用頻率差別大，可變長(zhǎng)格式；適用于小型機(jī)。

RISC(簡(jiǎn)單)：數(shù)量少，使用頻率接近，定長(zhǎng)格式；適用于大型機(jī)。

(5)指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)

• 指令操作碼的長(zhǎng)度決定了指令系統(tǒng)中完成不同操作的指令數(shù)
• 若某機(jī)器的操作碼長(zhǎng)度固定為K位，則它最多只能有2^K條不同指令
• 指令操作碼兩種格式
• 固定格式優(yōu)點(diǎn):對(duì)于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，減少指令譯碼時(shí)間非常有利缺點(diǎn):指令少，浪費(fèi)地址
• 可變格式(分散地放在字的不同字段)優(yōu)點(diǎn):指令多，縮短指令平均長(zhǎng)度，減少程序總位數(shù)，增加指令字所能表示的操作信息缺點(diǎn):譯碼復(fù)雜，控制器的設(shè)計(jì)難度增大
• 拓展方法的一個(gè)重要原則使用頻度(即指令在程序中出現(xiàn)概率)高的指令應(yīng)分配短的操作碼，使用頻度低的指令相應(yīng)地分配較長(zhǎng)的操作碼
• 指令系統(tǒng)的兼容性保持系統(tǒng)向上兼容

第六章、中央處理器

1、計(jì)算機(jī)工作過程

• 加電——->產(chǎn)生reset信號(hào)——->執(zhí)行程序——->停機(jī)——->停電
• 產(chǎn)生reset信號(hào)的任務(wù)任務(wù)一：使計(jì)算機(jī)處于初始狀態(tài)任務(wù)二：從PC中取出指令地址
• 控制器作用是協(xié)調(diào)并控制計(jì)算機(jī)各部件執(zhí)行程序的指令序列

2、控制器的組成

(1)控制器的功能

• 取指令發(fā)出指令地址，取出指令的內(nèi)容
• 分析指令(1)對(duì)操作碼譯碼產(chǎn)生操作相應(yīng)部件的控制信號(hào)(2)根據(jù)尋址方式形成操作數(shù)地址
• 執(zhí)行指令(1)根據(jù)分析指令后產(chǎn)生控制信號(hào)、操作數(shù)地址信號(hào)序列，通過CPU及輸入輸出設(shè)備的執(zhí)行實(shí)現(xiàn)每條指令的功能(2)結(jié)果回送存儲(chǔ)器(3)形成下條指令的地址
• 控制程序和數(shù)據(jù)的輸入和結(jié)果輸出
• 對(duì)異常情況和某些請(qǐng)求的處理異常情況的處理：例如算術(shù)運(yùn)算的溢出、數(shù)據(jù)傳送奇偶錯(cuò)某些請(qǐng)求的處理“中斷請(qǐng)求”信號(hào)DMA請(qǐng)求信號(hào)

(2)控制器的組成

• 程序計(jì)數(shù)器(PC)：即地址寄存器，用來存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址或即將要執(zhí)行的下一條指令地址
• 指令寄存器(IR)：用以存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令，以便在指令執(zhí)行過程中控制完成一條指令的全部功能
• 指令譯碼器或操作碼譯碼器：對(duì)指令寄存器中的操作碼進(jìn)行分析解釋，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)
• 脈沖源及啟停線路：脈沖源參數(shù)一定頻率的脈沖作為整個(gè)機(jī)器的時(shí)鐘脈沖，是機(jī)器周期和工作脈沖的基準(zhǔn)信號(hào)，在機(jī)器剛加電時(shí)，還應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)總清信號(hào)(reset)
• 時(shí)序控制信號(hào)形成部件當(dāng)程序啟動(dòng)后，在CLK時(shí)鐘作用下，根據(jù)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的需要，產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序控制信號(hào)，并根據(jù)被控制功能部件的反饋信號(hào)調(diào)整時(shí)序控制信號(hào)控制存儲(chǔ)器微指令寄存器控制字段+下址
• 周期概念指令周期：完成一條指令所需的時(shí)間，包括取指令、分析指令、執(zhí)行指令機(jī)器周期：也稱為CPU周期，是CPU從內(nèi)存中讀取一個(gè)指令的時(shí)間，通常等于取指周期時(shí)鐘周期：稱為節(jié)拍脈沖或T周期，是基準(zhǔn)脈沖信號(hào)
• 三條假設(shè)程序是存放在主存中的，當(dāng)執(zhí)行完一條指令后才從主存中取下一條指令(非流水線)指令的長(zhǎng)度是固定的，并限制了尋址方式的多樣化在程序運(yùn)行前，程序和數(shù)據(jù)都已存在主存中

(3)指令執(zhí)行過程(運(yùn)算器和控制器配合)

• 組成控制器的基本電路具有記憶功能的觸發(fā)器以及由它組成的寄存器，計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)單元沒有記憶功能的門電路及由它組成的加法器，算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU)和各種邏輯電路
• 舉例加法：取指令——>計(jì)算操作數(shù)地址——>取操作數(shù)——>執(zhí)行結(jié)果并運(yùn)算送結(jié)果
• 條件轉(zhuǎn)移指令:取指令——>計(jì)算地址
• 控制器的功能就是按每一條指令的要求產(chǎn)生所需的控制信號(hào)
• 產(chǎn)生控制信號(hào)的方法微程序控制硬布線控制

3、微程序控制計(jì)算機(jī)的基本工作原理

(1)基本概念

• 微指令在微程序控制的計(jì)算機(jī)中，將由同時(shí)發(fā)出的控制信號(hào)所執(zhí)行的一組微操作
• 微命令將指令分為若干條微指令，按次序執(zhí)行這些微指令。組成微指令的操作即微命令
• 微程序計(jì)算機(jī)的程序由指令序列構(gòu)成，而計(jì)算機(jī)每條指令的功能均由微指令序列解釋完成，這些微指令序列的集合就叫做微程序
• 控制存儲(chǔ)器微程序一般是存放在專門的存儲(chǔ)器中的，由于該存儲(chǔ)器主要存放控制命令(信號(hào))與下一條執(zhí)行的微指令地址(簡(jiǎn)稱下址)存儲(chǔ)單元內(nèi)容(1)微指令的控制信號(hào)——控制位(2)下條微指令的地址——下址字段存儲(chǔ)芯片：ROM執(zhí)行一條指令實(shí)際上就是執(zhí)行一段存放在控制存儲(chǔ)器中的微程序

(2)實(shí)現(xiàn)微程序控制的基本原理

• 控制信號(hào)(23條)
• 書上加法的過程
• 微指令格式：控制字段+下載字段
• 23個(gè)控制位，12個(gè)下址位——>容量為4K
• 取址微指令的操作對(duì)所有指令都是相同的，所以是一條公用的微指令，其下址由操作碼譯碼產(chǎn)生

(3)微程序控制器

• 時(shí)序信號(hào)及工作脈沖的形成
• 停機(jī)和停電的區(qū)別停機(jī)電壓：穩(wěn)定存放內(nèi)容：保持重啟PC內(nèi)容：斷點(diǎn)指令地址停電電壓：消失存放內(nèi)容：RAM的內(nèi)容消失重啟PC內(nèi)容：第一條指令地址

4、微程序設(shè)計(jì)技術(shù)

(1)如何縮短微指令字長(zhǎng)

• ①直接控制法(容量太小)編譯方法：每一位代表一個(gè)控制信號(hào)，直接送往相應(yīng)的控制點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：微指令字長(zhǎng)過大
• ②字段直接編譯法選出互斥的微指令每個(gè)字段都要留出一個(gè)代碼，表示本段不發(fā)出任何指令(000)優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省微指令的字長(zhǎng)缺點(diǎn)：增加了額外的硬件開銷
• ③字段間接編譯法指令之間相互聯(lián)系的情況舉例：A為0-7，B為0-3，如果是直接編譯——3+2=5，如果是間接編譯——3+1=4編碼方法：在字段直接編譯法中，譯碼輸出端要兼由另一字段中的某些微命令配合解釋優(yōu)點(diǎn)：減少了微指令長(zhǎng)度缺點(diǎn)：可能削弱微指令的并行控制能力，同時(shí)增加硬件開銷
• ④常熟源字段E(了解)

(2)如何減少微指令長(zhǎng)度

• ①現(xiàn)行微指令/微地址現(xiàn)行微指令：當(dāng)前正在執(zhí)行的指令現(xiàn)行微地址：存放現(xiàn)行微指令的控制器存儲(chǔ)單元
• ②后繼微指令/微地址后繼微指令：下一條要執(zhí)行的微指令后繼微地址：存放后繼微指令的控制器存儲(chǔ)單元
• ③增量與下址字段結(jié)合產(chǎn)生后繼微指令的方法下址字段分成：轉(zhuǎn)移控制字段BCF和轉(zhuǎn)移地址字段BAFBCF：控制微程序的轉(zhuǎn)移情況BAF：轉(zhuǎn)移后的微指令所在地址BAF有兩種情況與uPC的位數(shù)相等——轉(zhuǎn)移靈活，但增加微指令長(zhǎng)度比uPC短——轉(zhuǎn)移地址受到限制，但可縮短微指令長(zhǎng)度優(yōu)點(diǎn)微指令的下址字段很短，僅用于選擇輸入uPC計(jì)數(shù)器的某條線路有效缺點(diǎn)微程序轉(zhuǎn)移不靈活，使得微程序在控存中的物理空間分配有困難
• ④多路轉(zhuǎn)移方式一條微指令存在多個(gè)轉(zhuǎn)移分支的情況稱為多路轉(zhuǎn)移
• ⑤微中斷1.微中斷請(qǐng)求信號(hào)是由程序中斷請(qǐng)求信號(hào)引起的2.在完成現(xiàn)行指令的微程序后響應(yīng)該微中斷請(qǐng)求3.由硬件產(chǎn)生對(duì)應(yīng)微中斷處理程序在控存中的入口地址

(3)如何提高微程序的執(zhí)行速度

• ①微指令格式水平型微指令：直接控制，字段編譯(直接、間接)特點(diǎn)：在一條微指令中定義并并行執(zhí)行多個(gè)微命令垂直型微指令：采用微操作碼編譯法，由操作碼規(guī)定微指令的功能特點(diǎn)：不強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)微指令的并行控制功能
• ②微程序控制存儲(chǔ)器一般采用ROM存儲(chǔ)器也可采用RAM，為防止斷電后內(nèi)容消失，則必須開機(jī)后將外存中存放的微程序調(diào)入內(nèi)存RAM，然后才能執(zhí)行程序。當(dāng)前為了能不斷擴(kuò)展指令系統(tǒng)，通常采用ROM+RAM
• ③動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)定義：能根據(jù)用戶要求改變微程序優(yōu)點(diǎn)：使計(jì)算機(jī)能更靈活、有效的適應(yīng)于各種不同的應(yīng)用目標(biāo)
• ④控制存儲(chǔ)器的操作(P136)串行方式并行方式——比串行多了微指令寄存器微周期=max(取微指令時(shí)間,執(zhí)行微指令時(shí)間)由于取微指令、執(zhí)行微指令同時(shí)進(jìn)行，故對(duì)于某些后繼微地址的產(chǎn)生根據(jù)處理結(jié)果而定的微指令，則延遲一個(gè)微周期再取微指令

5、流水線工作原理

(1)結(jié)論

• 每條指令的執(zhí)行時(shí)間不變
• 每條指令處理結(jié)果的時(shí)間縮短
• 流水線處理速率最高時(shí)=流水線處于滿載的穩(wěn)定狀態(tài)
• 流水線處理速率最低時(shí)=流水線未滿載狀態(tài)
• 為了滿足在重疊時(shí)間段不同指令的機(jī)器周期能夠完成指定的操作，將時(shí)間段=操作完成的最長(zhǎng)時(shí)間
• 為了保證一個(gè)周期內(nèi)流水線的輸入信號(hào)不變，相鄰時(shí)間段之間必須設(shè)置鎖存器或寄存器
• 除了指令執(zhí)行流水線，還有運(yùn)算操作流水線

(2)相關(guān)問題

• 流水線阻塞數(shù)據(jù)相關(guān)產(chǎn)生假設(shè)第二條指令需要的操作數(shù)是第一條指令運(yùn)算的結(jié)果，那么出現(xiàn)了數(shù)據(jù)相關(guān)指令執(zhí)行時(shí)間不同產(chǎn)生程序轉(zhuǎn)移的影響異常情況響應(yīng)中斷

(3)流水線計(jì)算公式

• 公式：Nt+(K-1)t (N表示段，K表示多少指令，t表示時(shí)間)
• 流水線周期為執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的一段

第七章、存儲(chǔ)系統(tǒng)

1、存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

• cache->主存->輔存
• cache：提高CPU數(shù)據(jù)輸入輸出的速度

2、高速緩沖存儲(chǔ)器

• ①cache的工作原理局部性原理主存地址和cache地址塊長(zhǎng)：塊長(zhǎng)一般取一個(gè)主存周期所能調(diào)出的信息長(zhǎng)度(一般為16個(gè)字)cache的容量和塊的大小是影響cache的效率的重要因素命中率：CPU所要訪問的信息是否在cache中的比率，而將所要訪問的信息不在cache中的比率稱為失敗率一致性策略標(biāo)志交換方式(寫回法)通過式寫入(寫通法)寫操作直接對(duì)主存進(jìn)行，而不寫入cachecache的存取時(shí)間：平均存取時(shí)間=h*tc+(1-h)(tc+tm)最好替換策略：按照被替換的字塊是下一段時(shí)間最少使用的，由替換部件實(shí)現(xiàn)
• ②cache組織地址映像直接映像cache中許多空的位置被浪費(fèi)主存地址：主存字塊標(biāo)記+cache字塊地址+字塊內(nèi)地址全相聯(lián)映像成本太高而不能采用主存地址：主存字塊標(biāo)記+字塊內(nèi)地址優(yōu)點(diǎn)：方式靈活，縮小了塊發(fā)生沖突的概率缺點(diǎn)：增加了標(biāo)識(shí)位位數(shù)增加了尋找主存塊在cache中對(duì)應(yīng)塊的時(shí)間組相聯(lián)映像直接映像和全相聯(lián)映像的折衷主存地址：主存字塊標(biāo)記+組地址+塊內(nèi)地址

3、虛擬存儲(chǔ)器

• 存儲(chǔ)管理部件(MMU)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一般都有輔助存儲(chǔ)器，但具有輔存的存儲(chǔ)系統(tǒng)不一定是虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)允許用戶程序用比主存大的多的空間來訪問主存每次訪存都要進(jìn)行虛實(shí)地址的轉(zhuǎn)換

第八章、輔助存儲(chǔ)器

1、概述

　　半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可隨機(jī)訪問任一單元，而輔助存儲(chǔ)器一般為串行訪問存儲(chǔ)器。

2、輔助存儲(chǔ)器的種類

• 磁表面存儲(chǔ)器數(shù)字式磁記錄硬盤、軟盤和磁帶模擬式磁記錄錄音、錄像設(shè)備
• 光存儲(chǔ)器光盤

3、串行存儲(chǔ)器

• 順序存取存儲(chǔ)器
• 直接存取存儲(chǔ)器

4、輔助存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)

• 存儲(chǔ)密度定義：單位長(zhǎng)度或單位面積磁層表面磁層所存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量道密度：沿磁盤半徑方向單位長(zhǎng)度的磁道數(shù)稱為道密度，單位為道/英寸tpi或道/毫米tpmm位密度或線密度：單位長(zhǎng)度磁道所能記錄二進(jìn)制信息的位數(shù)叫位密度或線密度，單位為位/英寸bpi或位/毫米bpmm每個(gè)磁道所存儲(chǔ)的信息量是一樣的
• 存儲(chǔ)容量：C = n × k × s
• 尋址時(shí)間：平均尋址時(shí)間Ta=平均找到時(shí)間Ts+平均等待時(shí)間Tw
• 輔存的速度尋址時(shí)間磁頭讀寫時(shí)間
• 數(shù)據(jù)傳輸率：Dr = D × V
• 誤碼率
• 價(jià)格

5、硬磁盤存儲(chǔ)器的類型

• 固定磁頭和移動(dòng)磁頭
• 可換盤和固定盤

6、磁盤存儲(chǔ)器

• 溫徹斯特磁盤簡(jiǎn)稱溫盤
• 磁盤存儲(chǔ)器由驅(qū)動(dòng)器(HDD)，控制器(HDC)和盤片組成
• 最外面的同心圓叫0磁道，最里面的同心圓假設(shè)稱為n磁道
• 驅(qū)動(dòng)器的定位驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的磁頭定位
• 主軸系統(tǒng)的作用是帶動(dòng)盤片按額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)
• 數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的作用是控制數(shù)據(jù)的寫入和讀出，包括尋址，磁頭旋轉(zhuǎn)，寫電流控制，讀出放大，數(shù)據(jù)分離
• 磁盤控制器有兩個(gè)方向的接口與主機(jī)的接口與驅(qū)動(dòng)器(設(shè)備)的接口

7、光盤

• 采用光存儲(chǔ)技術(shù)利用激光寫入和讀出第一代光存儲(chǔ)技術(shù)采用非磁性介質(zhì)不可擦寫第二代光存儲(chǔ)技術(shù)采用磁性介質(zhì)可擦寫
• 光盤的存儲(chǔ)原理只讀型和只寫一次型熱作用(物理或化學(xué)變化)可擦寫光盤熱磁效應(yīng)

第九/十章、輸入輸出(I/O)設(shè)備/系統(tǒng)

1、設(shè)備控制器(I/O)的基本功能

• 實(shí)現(xiàn)主機(jī)和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送
• 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖，以達(dá)到主機(jī)同外部設(shè)備之間的速度匹配
• 接受主機(jī)的命令，提供設(shè)備接口的設(shè)備，并按照主機(jī)的命令控制設(shè)備

2、I/O 編址方式

• 統(tǒng)一編址：用取數(shù)、存數(shù)指令
• 不統(tǒng)一編址：有專門的 I/O 指令

3、I/O 與主機(jī)的連接方式

• ①輻射式連接每臺(tái)設(shè)備都配有一套控制線路和一組信號(hào)線不便于增刪設(shè)備
• ②總線連接便于增刪設(shè)備

4、I/O設(shè)備

• 人機(jī)交互設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)等
• 計(jì)算機(jī)信息的主流設(shè)備：硬盤、光盤等
• 機(jī)—機(jī)通信設(shè)備：MODEN等5、中斷服務(wù)程序的流程
• (1) 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)程序斷點(diǎn)的保護(hù)寄存器內(nèi)容的保護(hù)
• (2) 終端服務(wù)對(duì)不同的 I/O 設(shè)備具有不同內(nèi)容的設(shè)備服務(wù)
• (3) 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)出棧指令
• (4) 中斷返回中斷返回指令

6、單重中斷和多重中斷

• 單重 中斷不允許中斷 現(xiàn)行的 中斷服務(wù)程序
• 多重 中斷允許級(jí)別更高 的中斷源中斷 現(xiàn)行的 中斷服務(wù)程序

7、DMA 方式

• 主存和 I/O 之間有一條直接數(shù)據(jù)通道
• CPU 和 I/O 并行工作
• DMA 第三種工作方式(1) CPU暫停方式(2) CPU周期竊取方式(3)直接訪問存儲(chǔ)器
• DMA 接口功能(1) 向 CPU 申請(qǐng) DMA 傳送(2) 處理總線 控制權(quán)的轉(zhuǎn)交(3) 管理 系統(tǒng)總線、控制 數(shù)據(jù)傳送(4) 確定 數(shù)據(jù)傳送的 首地址和長(zhǎng)度，修正 傳送過程中的數(shù)據(jù)地址和長(zhǎng)度(5) DMA 傳送結(jié)束時(shí)，給出操作完成信號(hào)
• DMA 傳送過程預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳送、后處理

8、外設(shè)接口

• 設(shè)備與主機(jī)相連時(shí)，必須按照規(guī)定的物理互連特性、電氣特性等進(jìn)行連接，這些特性的技術(shù)規(guī)范稱為接口標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)

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