计算机组织结构

系统概述

1.5 单选

  • 指令和数据在关机时储存在外存中，开机后存储在内存
  • 冯·诺依曼计算机工作方式的基本特点是按地址访问指令并自动按序执行程序
  • 指令由操作码和地址码组成
  • 控制器通过执行指令来控制整个机器运行
  • 注意对存储器来讲,例如 \(32K\times16位\)的存储器意为,该存储器为 16 位可寻址, 共有 32K 个存储单元, 若对于芯片来讲,不能得到什么信息

结构 ( Architecture ) ：对程序员可见

  • 对于程序的逻辑执行有着直接影响
  • 例如: 该计main算机有无乘法器

组织 ( Organization ) : 对程序员不可见

  • 操作单元及其相互联系
  • 该计算机中的乘法器是如何实现的

Stored Program: 意为将指令、数据以二进制的方式存储到主存中.
摩尔定律： 每 18 个月，晶体管的数量增加一倍，价格下降一半，性能提高一倍

冯·诺依曼体系结构：

  • 输入输出设备
  • 存储（内存）
  • 控制器: 指挥信息的处理.
  • 处理器: 实际处理信息

只有在涉及到存储器相关时,用到的是 \(2^n\), 其他任何时候都是 \(10^n\), 比如时钟频率.

衡量 CPU 性能的依据

\[CPI =\frac{ \sum_{i=1}^n(CPI_i\times I_i)}{I_C},I_C = \sum_{i=1}^n I_i,
\]

\[I_i 为某种指令的条数, CPI_i为某种指令的时钟周期数, I_C 为总的指令数,
\]

\[ 则 CPI 为每条指令的平均时钟周期数,
\]

\[T = I_C \times CPI \times t, t 为时钟周期,
\]

\[每秒钟总指令数 = \frac{f}{CPI} = \frac{I_C}{T}.
\]

9.22 星期二：

存储

  • cache：主存速度较慢，如果所有指令都从 memory 中取，速度很慢。从 cache 中读取会很快。
  • memory hierarchy：
  1. 三要素：容量、存取时间和价格，关系如下：
    • 存取时间越短，平均每位的花费就越大
    • 存储容量越大，平均每位的花费就越小
    • 存储容量越大，存取时间就越长
  2. 为了满足容量要求、性能要求，也使每位的价格低，采用了 memory hierarchy 的结构。随着层次的下降：
    • 每位价格下降
    • 容量增大
    • 存取时间变长
    • 处理器访问存储器的频率变少

buffer：

  • i/o输入效率比处理慢，提高效率
  • 减小丢失和等待

中断：

有了中断，处理器可以在进行 I/O 操作时执行其他指令。提供中断主要是为了提高效率，因为大部分外设的速度都比处理器慢得多，假如没有中断，每次 I/O 操作后处理器都会进入空闲状态直到外设跟上进度。

  • 默认开

  • 程序可以在执行指令的时候执行另一条指令

多个中断处理的方式：

  • 顺序处理
  • 根据优先级决定优先处理的指令

总线

总线：各部分信息共享，包含地址线、数据线和控制线，前两者可以复用。

数的二进制表示

二进制补码整数：

补数：负数加模得补数，负数的补数和负数的绝对值相加等于模

浮点数：

小密 大稀疏

定点运算

1. 移位运算

1.算数移位：

  • 符号位不变, 左移相当于乘以 2, 右移相当于除以 2(左侧全补符号位).

2. 逻辑移位:

  • 无符号数的移位, 右移时永远在高位填 0.

2. 加法运算

1. 全加器

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