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1、电子科技大学 计组各章复习要点第 1 章复习要点一、计算机发展历史1. 从第一代到第四代计算机各自的主要特点1) 第一代采用电子管元件2) 第二代采用晶体管元件，磁芯作内存，磁鼓、磁带作外存等。3) 第三代采用中小规模集成电路，半导体存储器作内存，出现了微程序控制，Cache，虚拟存储器，流水线等技术。举例：l IBM 公司提出了“兼容机”的概念l (兼容机的好处：可以向后兼容；关键：相同或相似的指令集或操作系统)l DEC 公司提出了总线结构。4) 第四代采用大规模/超大规模集成电路（LSI/VLSI/ULSI），出现了微处理器，出现了共享存储器，分布式存储器及大规模并行处理系统等技术。2.
2、 冯诺依曼结构要点；存储程序思想a) 存储程序思想：将事先编好的程序和原始数据送入主存中；启动执行后，在不需要操作人员干预下，自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。b) （指令和数据放在同一个存储空间中，统一编制，同一总线访问）（嵌入内容）c) “存储程序”计算机，被称为 IAS 计算机（Institute for Advance Study）(普林斯顿高级研究院)d) IAS 计算机由运算器（ALU）、控制器、存储器、输入设备和输出设备 5 个基本部件组成e) 各部件功能：l 存储器：不仅能存放数据，而且也能存放指令l 控制器：能自动执行指令，对指令译码生成控制信号l 运算器（ALU）：能进
3、行四种基本算术运算，逻辑运算和附加运算l 输入设备和输出设备：操作人员可以通过此与主机进行通信f) 内部以二进制表示指令和数据（每条指令由操作码和地址码组成）g) 冯诺依曼结构最重要的思想：“存储程序”工作方式3. 计算机发展过程中，非常重要的三个机器l 通用计算机模型机：冯诺依曼结构l IBM360 系列：引入兼容机（系列机）概念l DEC PDP-8：引入总线结构二、计算机系统的基本组成1. 现代计算机的原型IAS 计算机l “存储程序”计算机，被称为 IAS 计算机（Institute for Advance Study）(普林斯顿高级研究院)l 1951 年 IAS 计算机才完成，它并
4、不是第一台存储程序计算机，1949 年由英国剑桥大学完成的EDSAC 是第一台l 在 EDVAC 报告中提出的计算机结构被称为冯诺依曼结构l 冯诺依曼结构最重要的思想是什么？“存储程序”工作方式l 冯诺依曼结构计算机也称为冯诺依曼机器（Von Neumann Machine）l 几乎现代所有的通用计算机都采用冯诺依曼结构，因此，IAS 计算机是现代计算机的原型机。2. 指令与数据1) 程序由指令组成 程序在执行前：数据和指令事先放在存储器中（都是 0/1 序列），每条指令和每个数据都有地址，指令按序存放，指令由OP、ADDR 字段组成，程序起始地址送入 PC 开始执行程序. 根据 PC 取指令
5、. 指令译码. 取操作数：从 GPRs 或（主）存储器取【操作码是加减乘除等】. 执行指令指定的具体的操作. 回写结果到 GPRs 或存储器. 修改 PC 的值，使其指向下一条指令重复上面的步骤直到程序结束2) 采用“存储程序”工作方式3) 指令执行过程中：指令和数据从存储器取到 CPU，存放在 CPU 内的寄存器：指令在 IR 中，数据在 GPR 中4) 指令需给出的信息 操作码：指示该指令要完成什么操作，如加法等 一个或多个源操作数（立即数、寄存器编号、存储地址） 目的操作数地址（寄存器编号、存储地址） 存储地址的描述与操作数的数据结构有关3. 软件与硬件的接口界面-ISA 指令集体系结构
6、1) ISA（Instruction Set Architecture）指令集体系结构2) 只有符合 ISA 规范的机器语言指令代码才能被硬件直接执行3)软件ISA硬件4. 系统软件与应用软件的概念1) System software（系统软件）简化编程，并使硬件资源被有效利用a) 操作系统（Operation System）：硬件资源管理，用户接口b) 语言处理系统：翻译程序+ Linker, Debug, etc 翻译程序(Translator)有三类：l 汇编程序(Assembler)：汇编语言源程序机器目标程序l 编译程序(Complier)：高级语言源程序汇编/机器目标程序l 解释程
7、序(Interpreter )：将高级语言语句逐条翻译成机器指令并立即执行,不生成目标文件。c) 其他实用程序: 如：磁盘碎片整理程序、备份程序等2) Application software（应用软件）解决具体应用问题/完成具体应用a) 各类媒体处理程序：Word/ Image/ Graphics/b) 管理信息系统 (MIS)c) Game, 三、计算机系统的层次结构1. 现代计算机系统中从硬件、ISA，到操作系统、语言处理系统和应用程序的层次结构关系。2. 最终用户、应用程序员、系统管理员、系统程序员他们分别工作的层面。3. ISA 会涉及哪些内容？ISA 是一种规约（Specifica
8、tion），它规定了如何使用硬件l 可执行的指令的集合，包括指令格式、操作种类以及每种操作对应的操作数相应的规定l 指令可接受的操作数类型；l 操作数所能存放的寄存器组的结构，包括每个寄存器的名称、编号、长度和用途l 操作数所能存放的存储空间的大小和编址方式l 操作数在存储空间存放按大端还是小端方式存放l 指令获取操作数的方式，即寻址方式l 指令执行过程的控制方式，包括程序计数器、条件码定义等四、计算机系统性能评价1. 响应时间，吞吐率，CPU 时间，MIPS，MFLOPS，基准程序（Benchmarks）l 相应时间（response time）（执行时间或等待时间）：指从作业提交开始到作业
9、完成所用的时间l 吞吐量（throughput）（带宽）：指单位时间内所完成的工作量l CPU 时间：指 CPU 真正花在执行该程序的时间1. 用户 CPU 时间：用来运行用户代码的时间2. 系统 CPU 时间：为了执行用户程序而需要运行操作系统程序的时间l MIPS：指每秒执行多少百万条指令（定点数指令）l MFLOPS：每秒执行的浮点运算有多少百万次，反映机器对浮点数处理的速度l 基准程序：专门用来进行性能评价的一组程序2. CPI 的计算n CPI：Cycles Per Instruction, 每条指令执行所花的时钟周期数n 对于某一条特定的指令，其 CPI 是一个确定的值。n 对于某
10、一个程序或一台机器，其 CPI 是一个平均值，表示该程序或该机器指令集中一条指令执行时平均需要多少个时钟周期。n 所以 CPI = CPU 时钟周期数 指令条数n CPI 一般用来衡量指令集体系结构（ ISA）及其 ISA 的具体实现（ Organization & Technology）的综合性能n CPU 执行时间= CPU 时钟周期数 时钟周期= CPU 时钟周期数 时钟频率= CPI 总指令条数 时钟周期名词解释：系列机（兼容机）：相同或相似的指令集，相同或相似的操作系统的计算机中央处理器 CPU：整个计算机的核心部件，主要用于指令的执行数据通路：由操作元件和存储元件通过总线方式或分散
11、方式连接而成的进行数据传送、处理和存储的路径。3. 性能评价程序基准程序（Benchmarks）n 基准测试程序是专门用来进行性能评价的一组程序n 不同用户使用的计算机用不同的基准程序n 基准程序通过运行实际负载来反映计算机的性能 n 最好的基准程序是用户实际使用的程序或典型的简单程序n 一个公用的基准程序：SPEC第 2 章数据的机器级表示 复习要点一、 数值数据的表示1. 定点数的表示（1） 二进制原码、补码的表示必须搞清楚；移码表示：标准移码的偏置常数 2n-1，它与补码的关系：最高位相反，其余位相同。（2） 无符号数表示和带符号数表示进行数据长度扩展时的差异。2. 浮点数表示 IEEE
12、754 标准（1） 单精度 32 位和双精度 64 位的格式；偏置常数的取值。阶码 / 指数 E移码表示 偏置常数（偏移值）为 27-1=127 (单精度), (双精度为 210-1=1023 ) 阶码（减去偏置常数之后）取值范围：-127128,移码（减去偏置常数之前）为:0000 00001111 1111 规格化数的阶码取值范围： 0000 0001 (-126) 1111 1110 (127)阶码-偏置常数=指数移码-偏置常数=阶码（此时为指数）（2） 规格化数的阶码取值范围；规格化尾数的表示（隐含位 1）；IEEE754浮点数几个特殊数据的表示形式：0、NaN(非数)、非规格化数。
13、规格化数的阶码取值范围： 0000 0001 (-126) 1111 1110 (127)尾数: 规格化尾数最高位总是 1，被隐含表示，省了 1 位。 实际尾数位数:1+23=24 bits(单精)，1+52=53bits （双精）因为 IEEE754 是规格化，所以是-127（3） 用 ASCII 码表示十进制数：前分隔数字串和后嵌入数字串两种格式表示正负号；0-9 分别对应 30H-39H，一位十进制数对应 8 位二进制数用 BCD 码表示十进制数：正负数的表示方法，位数不等于 8Bit 的整数倍时需补 0。二、 非数值数据的表示汉字的编码：输入码、内码、字模点阵码，它们分别有哪些常用编码
14、。 输入码：对汉字用键盘上的一个或多个按键进行编码表示，用于输入汉字内码：用于在系统中进行存储、查找、传送等处理字模点阵码：描述汉字字模点阵或轮廓，用于显示/打印西文字符编码，就是 ASCII 码，内码中文字符编码，有汉字内码、输入码，字模点阵码。输入码有很多种，但是内码就一种内码需要 2 字节才能表示，因为汉字的总数决定汉字内码：Unicode，UCS-2、UCS-4三、 数据的宽度，存储和排列顺序1. 概念：字、字长、最低有效字节 LSB、最高有效字节 MSB字：表示被处理信息的单位，用来度量数据类型的宽度。字长：某特定机器定点运算时数据通路的宽度（CPU 总线宽度等）最低有效字节 LSB、最高有效字节 MSBIA-32 中的“字”有多少位（16）？字长多少位呢（32）？intel x86 （16 位）2. 数据按字节存储时，多字节数据的地址涉及到数据是大端方式还是小端方式。大端方式（Big Endian）:MSB 所在的地址是数的地址,即高字节放低地址。常见机器： IBM 360/370, Moto
