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1、Chapter 1What 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
2、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 2Von 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
3、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,而且通过设置一部分存储器的值就可以编写 和修改程序.Moores 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 In crease
4、 nu mber of bits retrieved at one time Cha nge DRAM in terface Reduce frequency of memory access Increase interconnection bandwidthChapter 3Three key concepts of von Neumann architecture1. 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置寻址, 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Hard
5、wired（硬连线）systems are in flexible 软件编程General purpose hardware can do different tasks, given correct control signals; Instead of re-wiring, supply a new set of control signals.Computer Components Central Processing UnitThe Control Unit and the Arithmetic and Logic Unit constitute CPU Input/outputDat
6、a and instructions need to get into the system and results out Main memoryTemporary storage of code and results is needed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,般PC+1IR: 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
7、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 4Memory Performance Access time访问时间Time between presenting the address and getting the valid data Memory Cycle time 存储周期Time may be required for the memory to“recover” be
8、fore next accessCycle time is access + recovery 恢复 Transfer Rate 传输率Rate at which data can be movedMemory Hierarchy 存储器层次结构 Registers 寄存器In CPU (L1 cache, L2 cache) Internal or Main memoryMay include one or more levels of cache“RAM” 高速缓冲存储器(Disk cache) External memoryBacking store 存储备份(Optical, Tape
9、) 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
10、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，需要设置与该行相关 的脏位或使用位. 然后, 当一个块被替换掉时, 当且仅仅当脏位被置位时才将它写回主存.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
11、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 般用于Cache存储器，而DRAM则用于主存储器.Module Organization1Mb*8bit 20条数据总线, 8条通道Chapter 6Types of External Memory Magnetic DiskRAID (冗余阵列磁盘机) OpticalCD-ROM, CD-Writable (WORM), CD-R/W,
12、DVD Magnetic TapeWinchester Hard Disk 封装在几乎无污染的密封装置中 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
13、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 7I/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 Detect
14、ion 检错I/O步骤INPUT1. CPU checks status of I/O module device2. I/O module returns status3. If ready, CPU requests data transfer4. I/O module gets data from device5. I/O module transfers data to CPU6. Variations for output, DMA, etc.I/O Mapping 存储映射式 存储单元和I/O设备有共同的地址空间 处理器将I/O模块的状态和数据寄存器看成存储单元一样对待 使用相同的
15、机器指令来访问存储器和I/O设备 分离式 I/O的地址空间与存储器的地址空间是分离的 总线既有存储器的读线和写线, 同时也有输入和输出命令线 有专门的命令Chapter 9整数表示 符号 - 幅值表示法 正负数只有最高符号位有区别, 0为正, 1为负 扩充位的方式: +18 = 00010010 +18 = 0000000000010010-18 = 10010010 -18 = 1000000000010010 2 的补码表示法 也是最高位为符号位, 0正1负,求补是取反加1.扩充位的方式: +18 = 00010010 +18 = 0000000000010010 -18 = 11101110 -18 = 1000000000010010 优点: One represe ntati on of zero Arithmetic works easily （see later） Negati ng is fa
