重庆大学计算机组成与结构考纲整理 Chapter 1 What is the computer architecture? 计算机体系结构是那些对程序员可见的系统属性 What is the computer organization? 计算机组成是实现结构规范的操作单元及其相互连接. What is the structure of a computer system? 部件互相关联的方法 What are the functions of a computer? 作为结构组成部分的单个独立部件的操作 Describe the principal elements of a computer ●中央处理单元: 它控制计算机的操作并且执行数据处理功能; ●主存储器: 存储数据 ●I/O: 在计算机及其外部环境之间传输数据 ●系统互连: 为CPU、主存储器和I/O之间提供一些通讯机制 Describe the principal elements of a CPU ●控制单元: 控制CPU以至于整个计算机的操作; ●算术逻辑单元(ALU): 执行计算机的数据处理功能; ●寄存器: 提供CPU的内部存储; ●CPU内部互连: 提供控制器, ALU和寄存器之间的某种通信机制. Chapter 2 Von Neumann/Turing machine and its Structure ●主存储器,用于存储数据和指令 ●能够处理二进制数的算术逻辑运算单元 ●控制器, 负责解释内存中指令并执行之 ●用控制器操纵的I/O设备 Stored Program Concept 如果程序能够以某种形式与数据一同存在存储器中,编译的过程就可以简化. 这样,计算机就可以通过在存储器中读取程序来获取指令,而且通过设臵一部分存储器的值就可以编写和修改程序. Moore’s Law 单芯片上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍. Speeding it up – for microprocessor 流水线; On board cache; On board L1 & L2 cache; 转移预测, 数据流分析, 推测执行. Solutions ●Increase number of bits retrieved at one time ●Change DRAM interface ●Reduce frequency of memory access ●Increase interconnection bandwidth Chapter 3 Three key concepts of von Neumann architecture 1.数据和指令存储在单一的“读/写存储器”中 2.存储器的内容通过位臵寻址, 而不关心存储在其中的数据类型 3.以顺序的形式从一条指令到下一条指令的执行.(除非有明确的修改) Program Concept ●硬件编程 Hardwired(硬连线) systems are inflexible ●软件编程 General purposehardware can dodifferent tasks, givencorrect control signals; Instead of re-wiring,supply a new set ofcontrol signals. Computer Components ●Central Processing Unit The Control Unit and the Arithmetic andLogic Unit constitute CPU ●Input/output Data and instructions need to get into thesystem and results out ●Main memory Temporary storage of code and results isneeded 取指令/执行指令 PC: 保存下一条将要读取指令的地址, 将指令装入IR后, 一般PC+1 IR: 保存读取到的指令 多重中断 1. 禁止中断(中断使能): 在中断处理过程中禁止其他中断, 禁止中断仅仅意味着处理器可以并且将忽略中断请求信号. 缺点: 没有考虑到相对的优先级和时间紧迫的需要 2. 优先权: 定义中断的优先级, 且允许优先级高的中断引起低级中断处理程序本身被中断. 总线 数据总线:提供系统模块间传送数据的路径. 数据总线宽度是决定系统总体性能的关键因素地址总线:用来指定数据总线上数据的来源或去向.地址总线的宽度决定了系统能够使用的最大的存储器容量. 控制总线: 控制对数据线和地址线的存取和使用. Chapter 4 Memory Performance ●Access time 访问时间 Time between presenting the address andgetting the valid data ●Memory Cycle time 存储周期 Time may be required for the memory to“recover” before next access Cycle time is access + recovery 恢复 ●Transfer Rate 传输率 Rate at which data can be moved Memory Hierarchy存储器层次结构 ●Registers 寄存器 In CPU (L1 cache, L2 cache) ●Internal or Main memory May include one or more levels of cache “RAM” 高速缓冲存储器 (Disk cache) ●External memory Backing store 存储备份 (Optical, Tape) 随着层次下降,价格下降,容量增大,存取时间变长,处理器访问存储器频率降低. Locality of Reference局部性原理 在程序执行的过程中, 处理器倾向于成簇(块)地访问存储器中的指令和数据. Mapping Function 映射功能 ●Direct Mapping 直接映射 ●Associative Mapping全相联映射 ●Set Associative Mapping 组相联映射 替换算法 ●最近最少使用的算法(LRU): 替换掉那些在cache中最长时间未被访问过的块 ●先进先出(FIFO): 替换掉那些在cache中停留时间过长的块 ●最不经常使用(LFU): 替换掉cache中被访问次数最少的块 ●随机Random 写策略 ●写直达write through:所有的写操作都同时对主存和cache进行,以保证主存中的数据总 是有效的 缺点: 产生了大量的存储通信量, 可能引起瓶颈问题 ●写回法write back: 只更新cache中的数据. 当更新操作发生时, 需要设臵与该行相关 的脏位或使用位. 然后, 当一个块被替换掉时, 当且仅仅当脏位被臵位时才将它写回主 存. 缺点: 部分主存数据是无效的 Chapter 5 随机存取存储器是最常用的半导体存储器. (这是术语误用, 因为几乎所有类型的半导体存储器类型都是随机存取的) 动态RAM (DRAM)利用电容充电来存储数据,需要周期性地充电刷新来维持数据的存储. 动态一词就是指这种存储电荷丢失的趋势, 即使电源一直在供电. 静态RAM(SRAM)是一个数字设备, 它使用与处理器相同的逻辑元件. 只要电源不断, 它将一直保持它所存储的数据. SRAM verse DRAM ●静态和动态RAM都是易失的, 即二者都要求电源持续供电才能保存位值. ●SRAM 一般用于Cache存储器, 而DRAM则用于主存储器. Module Organization 1Mb*8bit 20条数据总线, 8条通道 Chapter 6 Types of External Memory ●Magnetic Disk RAID (冗余阵列磁盘机) ●Optical CD-ROM, CD-Writable (WORM), CD-R/W, DVD ●Magnetic Tape Winchester Hard Disk ●封装在几乎无污染的密封装臵中 ●One or more platters (disks) ●Heads fly on boundary layer of air as disk spins ●Very small head to disk gap ●Getting more robust, Universal, Cheap ,Fastest external storage ●Getting larger all the time ●Fixed (rare) or movable head, Removable or fixed ●Single or double (usually) sided, Single or multiple platter 等待相应扇区的起始处到达磁头的这段时间称为旋转延迟. 寻道时间和旋转延迟的总和称为存取时间. 传送所需的时间称为传送时间. Chapter 7 I/O 模块功能 ●Control & Timing控制和定时 ●CPU Communication 处理器通信(面向CPU) 命令译码, 数据, 状态报告, 地址识别 ●Device Communication 设备通信(面向外设) Command, Data, Status ●Data Buffering 数据缓冲 ●Error Detection检错 I/O步骤 INPUT 1.CPU checks status of I/O module device 2.I/O module returns status 3.If rea。