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1、精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -一、系统概述（一）运算机进展历程（二）运算机系统层次结构1.运算机硬件的基本组成2.运算机软件的分类3.运算机的工作过程（三）性能指标1. 吞吐量对网络、设备、端口、虚电路或其他设施,单位时间内胜利的传送数据的数量以比特、字节、分组等测量.2. 响应时间3. CPU 时钟周期（ Clock Cycle）：又称节拍没冲或T 周期,是处理操作的最基本单位,是运算机中最基本的、 最小的时间单位.主频的倒数4. 主频 :即CPU内核工作的时钟频率（CPUClockSpeed）.CPU 的主频表示在 CPU 内数字
2、脉冲信号震荡的速度,与 CPU 实际的运算才能并没有直接关系.5. CPI（Clock cycle Per Instruction）表示每条运算机指令执行所需的时钟周期.6. CPU 执行时间可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 1 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_7. MIPSMillionInstruction per seco
3、nd 每秒执行百万条可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_指令某机器每秒执行300 万条指令,就记作3 MIPS8. MFLOPSMillionFloationg-pointOperationsperSecond,每秒百万个浮点操作衡量运算机系统的主要技术指标之一.对于一给定的程序, MFLOPS的定义为： MFLOPS= 操作浮点数 /（执行时间 *10E6 ）（10E6位 10 的 6 次方）.1. 指令周期： 执行一条指令所需要的时间,一般由如干个机器周期组成, 是从取指令、 分析指令到执行完所需的全部时间.2. 机器周期：（又称 cpu 周期）在运算机中,为了便于治理,常把一
4、条指令的执行过程划分为如干个阶段,每一阶段完成一项工作.例如,取指令、储备器读、储备器 写等,这每一项工作称为一个基本操作.完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期. 通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定因而又称总线周期3. 在电子技术中, 脉冲信号是一个按肯定电压幅度,肯定时间间隔连续发出的脉冲信号. 脉冲信号之间的时间间隔称为周期. 而将在单位时间 （如 1 秒）内所产生的脉冲个数称为频率. 频率是描述周期性循环信号 （包括脉冲信号）在单位时间内所显现的脉冲数量多少的计量名可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 2
5、 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -称.频率的标准计量单位是Hz（赫）.二、数据的表示和运算（一）数制与编码1.进位计数制及其相互转换2.真值和机器数可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_运算机中数的表示无符号数（的址）可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_有符号数0正 1负真值:带”+”-”符号的数机器数 :符号数字化的数编码方式正数表示负数表示原码同原同补码同原逐位求反加一反码同逐位求反移码根 补 码 差 一 个符号位补码比原码
6、反码多表示一个负数3. BCD 码4.字符与字符串5.校验码（二）定点数的表示和运算可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 3 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -1.表示(1) 定点数的表示可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1) 定点小数 表示范畴 :0x12 n可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_定点小数运算的过程中存在着上溢和下溢.可编辑资料 - - -
7、 欢迎下载精品_精品资料_2) 定点整数表示范畴 0x 2n1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_定点整数运算的过程中存在着上溢而不存在下溢.(2) 无符号数的表示(3) 有符号数的表示2.运算(1) 定点数的位移运算1) 无符号数的移位 规律移位左移:高位移出 ,低位填零右移:低位移出高位填零2) 有符号数的移位 算术移位码制填补代码正数原码、补码、反0码原码0负数补码左移添 0可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 4 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精
8、品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -右移填 1反码都填 1(2) 加减乘除运算1) 原码定点数的加 /减运算2) 补码定点数的加 /减运算3) 定点数的乘 /除运算a) 原码定点数的乘法运算b) 补码定点数的乘法运算每次依据乘数最终两位的差值来判定如何运算可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Yn 1/2Yn x补可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_乘数末尾补零可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_当YnYn1 =11时部分积右移一位可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_c) 原码定点数的除法运算商符
9、另运算1) 复原余数法可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 5 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -第一次进行减除数操作假如余数小于0,就商上0,加除数 复原余数 进行左移一位 .假如余数大于0,就商上1,并尾数直接进行左移 .下次减除数 .最终依据运算中的左移位数,判定出余数的右移位数 .2) 不复原余数法 加减交替法 *余数0, 商上“1” ,做2Riy 的运算*余数0 时补码规
10、格化形式为 s补 =00.1 .*/*s0 为补码且 s=-0.5 时规定 -0.5 不是规格化数 */补码的规格化数是首位非符号位与符号位相异 就为规格化数.由于补码负数, 0 为有效位, 1 为无效位,而原码负数,1为有效位, 0为无效位,故补码负数跟原码负数规格化形式不同.注：有效位即为代表数值的位.左右规/* 左规：当尾数显现00.0 或 11.1 时,需要左规,左规一位,阶码减一*/可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 7 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精
11、品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -/* 右规：当尾数显现01.或 10. 时,表示尾数溢出,可通过右规处理,右移一位,阶码加一*/定点运算中溢出不答应但浮点运算中溢出答应.可通过右规处理,只是影响精度左右规移位与算数移位不一样浮点数阶码真值加127 不加 128 的缘由由于当阶码 e 为全 0 且尾数 M 也为全 0 时,表示的真值 x 为零,结合符号位S 为 0 或 1,有正零和负零之分.当阶码e 为全 1 且尾数 M 为全 0 时,表示的真值x 为无穷大,结合符号位 S 为 0 或 1,也有正无穷和负无穷之分.这样的32 位浮点数表示中
12、,要除去e 用全 0 和全 1（255）表示零和无穷大的特殊情形,指数的偏移值不选128（10000000）,而选127（01111111）.对于规格化浮点数,e 的范畴变为 1 到 254,真正的指数值 E 就为-126 到+127.（四）算术规律单元ALU硬件结构 :一位全加器 :xiyi 为相加数第 i 位.Ci-1 表示低位进位信号Si 第 i 位的和. Ci 为 i 位产生的进位.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Sixiyi ci 1xi yi ci 1xi yi ci 1xi yici 1xiyici 1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Cixi yi
13、 ci 1xi yi ci 1xi yi ci 1xi yi ci 1xi yi xiyi ci 1可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 8 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -1.串行加法器和并行加法器(1) 串行加法器只用一位全加器来实现两个数的相加运算.从低位到高位逐位运算优点：成本低缺点：速度慢(2) 并行加法器1) 串行进位、并行加法原理:可编辑资料 - - - 欢迎下载精
14、品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 9 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -2) 并行进位、并行加法（组内并行、组间串行）3) 双重分组快速进位链：（组内与组间并行, 大组间串行）2.算术规律单元 ALU 的功能和机构三、储备器层次机构（一）储备器的分类(1) 按储备介质分1) 半导体储备器双极型 :耗电量大 ,低集成 Mos优点:体积小、功能低、存取时间短缺点:电源消逝时所储备信息也丢失2) 磁表面储备器 优点:
15、非易失性3) 磁芯储备器优点:非易失性缺点:体积大、工艺复杂、功耗大4) 光盘储备器优点:记录密度高 ,耐用、牢靠性高、可互换性强(2) 按存取方式分1) 随机储备器 RAM 可读写 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 10 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -任何一个储备单元可随机存取,存取时间与储备单 元物理位置无关 .SRAM 、DRAM2) 只读储备器ROM 可读写 存固定
16、不变的程序3) 串行拜访储备器(3) 按在运算机中的作用分1) 主储备器 与 cpu 直接交换信息 i. RAM: SRAM触发器DRAM电容ii. ROM: MROM不行编程PROM一次编程多次编成 :EPROM紫外线擦洗EEPROM电擦洗2) 快擦型储备器 Flash Memory3) 帮助储备器 :磁盘、磁带、光盘4) 缓冲储备器缓冲储备器（二）储备器的层次化结构可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 11 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料wo
17、rd 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -CPU缓存主存辅存这种层次化结构设计的依据为程序拜访的局部性缓存 - 主存层次的速度接近于缓存,高于主存 ,容量和位价接近于主存 .主存- 辅存层次的速度接近于主存,容量接近于辅存（三）半导体随机存取储备器1. SRAM 储备器的工作原理2. DRAM储备器的工作原理（四）只读储备器（五）主储备器与CPU 的连接步骤:1. 第一分析系统区和用户区范畴2. 假如对系统程序区或用户程序区进行分解时寻址范畴小的靠前 .这样,设计片选规律时便利3. 设计片选规律(1) 没给出译码器的1) 第一找出各片中最小容量的,以它为标准找出片选位2
18、可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 12 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -/*ROM的 RW 线接的 */*CPU的的址线不能空 */(2) 给出译码器1) .特殊留意 CPU 的址线高位值与 译可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_码器配对 .MREQ 为低电平 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_题,唐 p47/例 4.2,4.3（六）双口 RAM和
19、多模块储备器可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 13 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -（七）高速缓冲储备器（Cache）1.程序拜访的局部2. Cache 的基本工作原理可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 14 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_
20、精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -一些性能指标：Cache 命中率：hN cNcN mCache 主存系统的平均拜访时间tahtc1htm拜访效率etcta3. Cache 和主存之间的映射方式1) 全相连映射方式主要特点可使主存的一个块拷贝到 cache中的任意一行上 .的址形式 :主存字块标记m=t+c 位主存块内的址b 位m 为主存字块标记 m=主存位数 -b将主存中一个 块的的址 块号 与块的内容 字一起存于 cache的行中 ,其中块的址 存于 cache行的标记部分中 .硬件实现 :全部标记用一个相连储备器来实现,全部数据用一般 R
21、AM来实现 .可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 15 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -缺点是比较器电路多 ,难于实现 .检索过程 :CPU 访存指令指定一个内存的址指令中的块号与cache中全部行的标记同时在比 较器中进行比较 .如 果 块 号 命 中 : 就 按 主 存 块 内 的 址 从cache中读取一个字 .假如块号未命中 :就按内存的址从主存中读取这个字 .2) 直
22、接映射方式主要特点 :一个主存块只能拷贝到cache 的一个特定行位置上去.的址形式 :Cache 的行号 i 和主存的块号 j 有如下函数关系 . i=jmodmm 为 cache中的总行数可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_主存字块标记t位Cache 字块的址（行号） c 位字块 行 内的址b 位可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_t 为字块标记 ,t=m-cb 为块内的址位数由块大小得知m 为主存的址 ,m=主存的址位数 bm=t+cc 为 catch 字块的址 ,由 cache块数打算可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - -
23、 - - - - - - -第 16 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -检索过程 :CPU 访存指令指定一个内存的址用 c 位行号找到 cache中的此一行 .内存的址中的t 位标记与 此行的标记 在比较器中比较假如相符即命中 ,用主存的址中最终b 位块内的址 读取所需求的字 .假如不符 ,就未命中 ,由主存读取所的要求字 .缺点:每个主存块只有一个固定的行位置可存放产生冲突频繁换入换出效率下降优点:硬件简洁3) 组相连映射方式主要特点 :主存块存放到
24、哪个组是固定的,至于存到该组哪一行是敏捷的 .的 址 形 式 : Cache 分成 u 组,每组 v 行.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 17 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -m=u*vm 为 cache中的总行数组号 q=jmod uj 为主存块号S 位块号分成两部分：低序的d 位用于表示cache组号.高序的s-d 位作为标记.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品
25、资料_主 存 字 块 标 记tag s-d 位组号 d 位字号 由块大小打算 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_注:唐朔飞老师书里的组内块号位并入tag 里了可由块大小（行大小）和编址方法（字仍是字节）找出字号位数由 cache 容量和块大小确定cache 共有几行及行号位数.依据组内块数或几路相连来确定组内块号位数.组号位数 =行号位数组内块号位数组内块号位数并入tag 里 Tag=主存的址位数 cache的址位数 +组内块号位数.检索过程 :CPU 访存指令指定一个内存的址用内存的址中块号位的低d 位即组号 找到相应组内存的址中块号域的高s-d 位即 tag与该组全部行的标记
26、同可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 18 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -时进行比较 .假如某一行命中 相符,就用 w 位字号 块内的址找到详细字 .假如未命中 ,此时按内存的址拜访主存.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 19 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - -
27、 - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -4. Cache 中主存块的替换算法5. Cache 写策略（八）虚拟储备器1.虚拟储备器的基本概念2.页式虚拟储备器3.段式虚拟储备器4.段页式虚拟储备器5.TLB （快表） 四、指令系统（一）指令格式1.指令的基本格式2.定长操作码指令格式3.扩展操作码指令格式（二）指令的寻址方式1.有效的址的概念2.数据寻址和指令寻址3.常见寻址方式（三） CISC 和 RISC 的基本概念五、中心处理器（ CPU）（一） CPU 的功能和基本结构1. cpu 的功能可编辑资料 - - - 欢迎下载精
28、品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 20 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -1. 取指令2. 分析指令(1) 分析指令完成什么操作,即掌握器需要发出什么 命令(2) 分析参与这次操作的操作数的址有效的址 3. 执行指令(1) 依据分析指令产生的”操作命令 ”和”操作数的的址”的要求 ,发出各种微操作命令序列(2) 掌握程序输入和运算结果输出(3) 总线治理(4) 中断处理即:1指令掌握 2操作掌握 3时间掌握数据
29、加工4数 据加工 5中断处理2. cpu 结构ALU: 1 存放操作数 2实现算数、规律运算CU:发出各种操作命令序列中断系统 :处理反常情形寄存器 :3. cpu 的 寄 存 器1.用户可见寄存器通用寄存器可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 21 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -功能:1) 存放操作数2) 寻址方式所用寄存器基址、变址 ,也可用专用寄存器代替3) 存的址 间接
30、寻址 数据寄存器 : 存操作数的址寄存器 : 存放的址条件代码寄存器 :2.掌握和状态寄存器用户对它不编程 .可被 os使用MAR 、MDR 、PC、IR（二）指令执行过程指令周期取值周期执行周期取值令、分析指令执行指令各种指令操作功能不同,从而指令周期也不同如:无条件转移 :指令周期取值周期可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - - - - -第 22 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -加法指令指令
31、周期取值周期执行周期包括两个存取周期 四个指令周期都有cpu 访存操作访存目的 :取值:为取值间值:取有效的址执行:取操作数中断:储存程序断点 /不是在寄存器里存吗.每一个程序的程序断点储备位置在哪里.取值周期可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_有间值 .取值周期可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_执行周期可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_有中断 .中断周期可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_为了区分各个指令周期,在 cpu内设置四个标志触发器.（三）数据通路的功能和基本结构可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 -
32、 - - - - - - - - -第 23 页,共 45 页 - - - - - - - - - -可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_资料word 精心总结归纳 - - - - - - - - - - - -（四）掌握器的功能和工作原理1.硬布线掌握器2.微程序掌握器微程序、微指令和微命令. 微指令的编码方式. 微的址的形式方式.（五）指令流水线可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_为了提高访存速度提高储备芯片性能改进体系结构可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_为了提高整机处理才能提高器件性能改进系统结构,提高系统并行性可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_流水线技术指令流水运算流水可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_1.指令流水线的基本概念2.超标量和动态流水线的基本概念这一部分大书讲的好从数学概念讲 ,标量是指单个量 ,而向量是指一组标量.一般 的流水运算机因只有一条指令流水线,所以称为标量流水运算机.所谓超标量流水 ,是指它有两条以上的指令流水线.六、总线（一）总线概述1.总线的基本概念可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_学习资料 名师精选 - - - - - - -