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1、第一章 计算机系统概论1、基本概念硬件：是指可以看得见、摸得着的物理设备（部件）实体，一般讲硬件还应包括将各种硬件设备有机组织起来的体系结构。软件：程序（代码）+ 数据 + 文档。由两部分组成，一是使计算机硬件能完成运算和限制功能的有关计算机指令和数据定义的组合，即机器可执行的程序及有关数据；二是机器不行执行的，及软件开发、过程管理、运行、维护、运用和培训等有关的文档资料。固件：将软件写入只读存储器ROM中，称为固化。只读存储器及其写入的软件称为固件。固件是介于硬件和软件之间的一种形态，从物理形态上看是硬件，而从运行机制上看是软件。响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单
2、位来度量。处理机字长：常称机器字长，指处理机运算中一次能够完成二进制运算的位数，如32位机、64位机。CPI：执行一条指令所须要的平均时钟周期数，可用下式计算 CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数/该程序包含的指令条数。MIPS：平均每秒执行多少百万条定点指令数，用下式计算 MIPS=指令条数 /（程序执行时间 106）FLOPS：平均每秒执行浮点操作的次数，用来衡量机器浮点操作的性能，FLOPS=程序中的浮点操作次数/程序执行时间（秒）指令流：在取指周期中从内存中读出的信息流称为指令流，它通过总线、CPU内部数据通路流向限制器。数据流：在执行周期中从内存中读出的信息流称为数据流，它通过
3、总线、CPU内部数据通路流向运算器。2、冯诺依曼计算机（1）主要设计思想由运算器、限制器、存储器、输入设备、输出设备五大部分构成计算机硬件系统概念结构；采纳二进制代码表示数据和指令；采纳存储程序限制方式（指令驱动）。（2）主要组成部分及结构要求：能简要描述清晰其工作过程。3、计算机如何区分指令和数据？从时间上来说，取指令事务发生在取指周期（取指令阶段），取数据事务发生在执行周期（执行指令阶段）；从空间（处理部件）上来说，指令确定送给限制器，数据确定送给运算器。其次章运算方法和运算器1、原码、补码、反码、移码的求法及表示范围。（1）首先应明确机器字长；（2）原码、补码、反码、移码的求法；（3）表
4、示范围；机器字长=8机器字长=16定点小数定点整数定点小数定点整数原码-（1-2-7）至+（1-2-7）-127至+127-（1-2-15）至+（1-2-15）-32767至+32767补码-1至+（1-2-7）-128至+127-1至+（1-2-15）-32768至+32767反码-（1-2-7）至+（1-2-7）-127至+127-（1-2-15）至+（1-2-15）-32767至+32767移码-1至+（1-2-7）-128至+127-1至+（1-2-15）-32768至+327672、补码加减法运算，加法运算溢出检测（1）补码加法运算规则（2）补码减法运算规则（3）变形补码表示法00
5、表示正数11 表示负数（4）变形补码运算：规则同补码加减法运算规则，双符号位数值化、参与运算。（5）加法运算溢出检测1）单符号位法2）双符号位法参见例题、习题3、并行加法器的进位方法及逻辑表达式（1）干脆从全加器的进位公式推导FA3FA2FA1FA0A0 B0 A1 B1 C1A2 B2 C2C4A3 B3 C3F3 F2 F1 F0C0（2）串行进位：某位的运算必需等到下一位的进位传递来以后，才能起先。也就是进位从最低位向最高位逐级传递，速度慢。C1=G0+P0C0C2=G1+P1C1C3=G2+P2C2C4=G3+P3C3（3）并行进位：全部进位可以同时产生，事实上只依靠于数位本身、来自最
6、低位的进位C0。C1=G0+P0C0C2=G1+P1G0+P1P0C0C3=G2+P1G1+P2P1G0+P2P1P0C0C4=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1G0+P3P2P1P0C0其中：G0=A0B0P0=A0+B0G1=A1B1P1=A1+B1G2=A2B2P2=A2+B2G3=A3B3P3=A3+B3Gi：进位产生函数，表示两个数位都为1Pi：进位传递函数，表示某位上的两个数位有一个为1，假如来自低位的进位为1，则确定会产生进位。4、浮点加减法运算方法l 比较阶码大小、对阶l 尾数加减法运算l 规格化处理l 尾数舍入处理l 溢出推断参见例题、习题5、流水线原理、时钟周期确定
7、、时间公式、加速比、时空图（1）把一个任务分割为一系列的子任务，使各子任务在流水线中时间重叠、并行执行。过程段Si之间重叠执行。L是缓冲寄存器。（2）时钟周期的确定全部Si中执行时间最大者 + L的延时，参见例2.32。（3）时间公式（志向）(K+(n-1)T（4）加速比l Ck = TL / Tk = （nk）/（k(n1)）l 当任务数很大时，采纳一个任务的完成时间相比，参见例2.32。（5）流水线时空图第三章存储系统1、基本概念存储容量：指一个存储器中可以容纳的存储单元总数。存储单元通常存放一个字节，因此存储容量通常用字节数来表示，如GB。存取时间：读操作时间指一次读操作吩咐发出到该操作
8、完成、数据读出到数据总线上所经验的时间。通常写操作时间等于读操作时间，故称为存取时间。存取周期：也称读写周期，指连续启动两次读/写操作所需间隔的最小时间。通常存储周期略大于存取时间，因为数据读出到总线上，还须要经过数据总线、CPU内部数据通路传递给限制器/运算器。存储器带宽：单位时间里存储器所能存取的信息量，通常以位/秒或字节/秒做度量单位。虚拟存储器：是通过硬件/操作系统，实现主存-外存之间的信息部分调入调出，为用户供应一个比实际物理内存容量大得多的存储器逻辑空间，使之为更大或更多的程序所运用。主存-外存之间的信息部分调入调出过程对用户透亮。2、存储器的分级结构对存储器的要求是容量大、速度快
9、、成本低，但是在一个存储器中要求同时兼顾这三个方面的要求是困难的。为了解决这方面的冲突，目前计算机系统中通常采纳三级存储体系结构，即高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。CPU能干脆访问高速缓冲存储器cache和内存；外存信息必需调入内存后才能为CPU进行处理。（1）高速缓冲存储器：高速小容量半导体存储器，强调快速存取指令和数据；（2）主存储器：介于cache及外存储器之间，用来存放计算机运行期间的大量程序和数据。要求选取适当的存储容量和存取周期，使它能容纳系统的核心软件和较多的用户程序；（3）外存储器：大容量协助存储器，强调大的存储容量，以满意计算机的大容量存储要求，用来存放系统程序、应用程序
10、、数据文件、数据库等。3、主存储器的逻辑设计第一步：依据设计容量、供应的芯片容量构建地址空间分布图（类似搭积木），可能须要字、位扩展；其次步：用二进制写出连续的地址空间范围；第三步：写出各片组的片选逻辑表达式。第四步：按三总线分析CPU和选用存储器芯片的数据线、地址线、限制线，以便设计CPU及存储器的连接。第五步：设计CPU及存储器连接的逻辑结构图。参见例题、习题4、依次存储器和交叉存储器的定量分析依次存储器：mT交叉存储器：可以运用流水线存取，T+(m-1)参见例题、习题5、高速缓冲存储器cache的基本原理，cache命中率相关计算Cache的基本原理：cache是一种高速缓冲存储器，为了
11、解决CPU和主存之间速度不匹配而采纳的一项重要技术。主存和cache均依据约定长度划分为若干块；主存中一个数据块调入到cache中，则将数据块地址（块编号）存放到相联存储器CAM中，将数据块内容存放在cache中；当CPU访问主存时，同时输出物理地址给主存、相联存储器CAM，限制逻辑推断所访问的块是否在cache中：若在，则命中，CPU干脆访问cache。若不在，则未命中，CPU干脆访问主存，并将该单元所在数据块交换到cache中。基于程序和数据的局部性访问原理，通过cache和主存之间的动态数据块交换，尽量争取CPU访存操作在cache命中，从而总体提高访存速度。cache命中率相关计算：命
12、中率主存/cache系统平均访问时间访问效率参与例题、习题。第四章指令系统1、基本概念指令系统：一台计算机中全部机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，其格式及功能干脆影响机器的硬件结构、软件、适用范围等。寻址方式：告知计算机如何获得指令和运算所须要的操作数。即如何供应将要执行的指令所在存储单元的物理地址；如何供应运算所须要的操作数所在存储单元的物理地址、或者操作数所在内部寄存器的编号。CISC（困难指令系统计算机）：指令条数多、结构形式困难多样、寻址方式种类繁多、功能困难多样、翻译执行效率低、许多指令难得用到。CISC使计算机的研制周期长，难以保证正
13、确性，不易调试、维护，大量运用频率很低的困难指令奢侈了系统硬件资源。RISC（精简指令系统计算机）：选取运用频率最高的一些简洁指令，指令条数少，困难功能通过宏指令实现；指令长度、格式、结构形式、寻址方式种类少，翻译执行效率高；只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作均在CPU内部寄存器之间进行。RISC可缩短计算机的研制周期、易于保证正确性、调试、维护，系统硬件资源运用效率高。2、指令格式及寻址方式辨析操作码地址码指令字长度操作数寻址方式参见例题、习题第五章中心处理器1、基本概念微吩咐：限制器通过限制线向部件发送的各种限制信号/操作吩咐。微操作：部件接收微吩咐以后所完成的操作，微操作是执行
14、部件中最基本的、不行再分解的操作。微指令：一组实现确定操作功能的微吩咐的组合形式，称为微指令。由操作限制和依次限制两大部分组成。微程序：一条机器指令的功能是由多条微指令组成的序列来实现的，这个微指令序列称为微程序。指令流水线：指指令执行步骤的并行。将指令流的处理过程划分为取指令、指令译码、执行、写结果等几个并行处理的过程段。算术流水线：是指运算操作步骤的并行，例如流水乘法器、流水除法器、流水浮点运算器等。处理机流水线：又称为宏流水线，是指程序步骤的并行。由一串级联的处理机构成流水线的各个过程段，每台处理机负责某一特定的任务。2、CPU的功能（1）指令限制限制程序的执行依次；由于程序是一个指令序列，这些指令的相互依次不能随意颠倒，必需严格依据程序规定的依次进行。（2）操作限制 限制器产生取指令、执行指令的所须要的全部操作限制信号，并依序送往相应的部件，从而限制这些部件按指令的要求完成规定的动作。 （3）时间限制 对各种操作实施时间上的定时；在计算机中，各种指令的操作信号和整个执行过程均受到时间的严格定时和事务先后依次限制（应在规定的时间点起先，在规定的时间内结束） ，以保证计算机有条不紊地自动工作。（4）数据加工 完成指令规定的运算操
