计算机体系结构

第一章 硬件软件等效性原理： 任何可以利用软件实现的事情可以利用硬件来实现。反之，任何可以利用硬件来实现的事件也同样可以利用软件来实现 基本概念和术语复习： 计算机组成原理和计算机体系结构之间有什么区别？ 计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统属性，即概念性的结构与功能特性； 计算机组成原理是指如何实现计算机系统结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。 什么是ISA？ 指令集体系结构(instruction set architecture ,ISA) 计算机的硬件和软件等效原理有什么重要性？ 可以使用不同的原理来实现相同的计算机功能 4.列举计算机的3种基本部件。 用来解释和执行程序的处理器 用来存储数据和程序的存储器 与外界进行数据传输的机制 5.前缀giga-表示10的多少次幂？它近似等于2的多少次幂？ 9;30 6.前缀micro-表示10的多少次幂？它近似等于2的多少次幂？ -6;-20 7.通常用来测量计算机时钟频率的单位是什么？ MHz 8.列举两种类型的计算机存储器。 SDRAM（同步动态随机存储器） RDRAM SLDRAM 9.IEEE组织的基本任务是什么？ IEEE是电子与电气工程师协会，是致力于电子工程和计算机工程专业进步的组织。 （IEEE积极推动全球范围内工程领域的合作，出版了大量的技术文献。IEEE也为各种计算机部件，信号传送协议和数据表示方法制定标准，并对组织所涉及的几个领域进行各种技术命名。） 10.最初使用ISO缩写的组织的全名是什么？ISO是取英文首写字母的缩写吗? 国际标准化组织(international organization for standardization ,ISO) 不是其组织名称中各词语的首字母的缩写，而是源于希腊词 11.ANSI是哪个组织的英文名称的首写字母的缩写？ 美国国家标准协会（American National Standard Institute） 12.专门负责有关电话，电信和数据通信事务的瑞士组织的名称是什么？ 国际电信联合会（International Telecommunication Union ,ITU）. 13.谁被称为计算机之父？为什么？ 冯洛依曼创造了新型的计算机存储结构，以后的计算机结构皆是冯洛依曼体系结构的演变。 巴贝奇，在新型的计算机中他设计了差分机。 14.穿孔卡片在计算机发展史上有什么重要意义？ 穿孔卡片可以用来进行数据输入和编程，解决了如何把数据输入计算机器中的难题，穿孔卡片是应用时间最长的计算机输入方法。 18.解释SSI,MSI,LSI和VLSI之间的区别？ 小规模集成电路（SSI）：每块芯片上只有10-100个元件；中规模集成电路（MSI）：每块芯片上集成100-1000个元件；大规模集成电路（LSI）：每块芯片上集成的元件多达1000-10000个；最后是超大规模集成电路（VLSI），每块芯片上集成的元件超过10000.超大规模集成电路标志着第四代计算机的开始。 24.冯·诺伊曼体系结构与它以前的计算机体系结构有什么不同？ 早期的计算机体系结构中，编程就是利用各种导线进行接插连线，没有计算机的分层结构。冯洛依曼体系结构使用一种利用汞延迟线形式的存储设备，可以提供一种存储程序指令的方法，即分层的计算机体系结构。 26.取指-译码-执行周期的工作原理是怎样的？ 处理器的工作是执行指令的过程： 取指——从主存储器读取指令 译码——翻译指令代码的功能 执行——完成指令所规定的操作 处理器就是在重复进行着“取指－译码－执行周期（Fetch-Decode-Execute Cycle）”过程中完成了一条条指令的执行，实现了程序规定的任务。 练习题： 2. 1s=1000ms，1 ms=1000μs，1μs=1000ns 1 MB=1024 KB=1048576 B 1 GB=1024 MB 第四章 •The major components of a computer system are its control unit, registers, memory, ALU, and data path 计算机的主要组成：控制单元，寄存器，内存，ALU，数据通道 •A built-in clock keeps everything synchronized 内置时钟保持所有事情同时发生 •Control units can be microprogrammedor hardwired 控制单元是微程序或者硬件 •Hardwired control units give better performance, while microprogrammedunits are more adaptable to changes. 硬连线控制提供更好的性能，微编程更灵活的适应变化 •Computers run programs through iterative fetch-decode-execute cycles. 计算机运行程序时遵循一个基本循环过程：取指-译码-执行 •Computers can run programs that are in machine language. 计算机可以运行由机器语言写的程序 •An assembler converts mnemonic code to machine language. 编译程序将汇编语言转换成机器语言 •The Intel architecture is an example of a CISC architecture; MIPS is an example of a RISC architecture. Intel处理器是CISC（复杂指令集合电脑）体系结构的一个例子； MIPS是RISC（简单指令集合电脑）体系结构的一个例子 基本概念： 1.CPU的主要功能是什么？ 负责提取程序指令，并对指令进行译码，然后按程序规定的顺序对正确的数据执行各种操作。 2.数据通路的作用是什么？ 数据通道是一种由存储单元和算数逻辑单元所组成的网络，这些组件通过总线连接起来，并利用时钟来控制时间。 3.控制单元的任务是什么？ 监视 所有指令的执行 和 各种信息 的传送过程； 从内存提取指令，对这些指令进行译码，确保数据适时的出现在正确的地方； 负责通知ALU应该使用哪一个寄存器，执行哪些中断服务程序，以及对所需执行的各种操作接通ALU中的正确电路。 4.寄存器安排在什么位置？有何种不同类型的寄存器？ 处理器内部；存储信息寄存器，进行数值移位寄存器，进行数值比较的寄存器，计数寄存器，变址寄存器，堆栈指针寄存器，状态寄存器，通用寄存器，“中间结果”寄存器 10.什么是总线周期？ 完成总线信息传送所需的时钟脉冲间的时间间隔 11.列举三种不同类型的总线，并指出这些总线在计算机中的位置。 处理器-内存总线：连接处理器和内存系统 I/O总线：连接不同带宽的各种设备 底板总线：机器主板上的一条总线，将主板上所有的部件连在一起 13.总线仲裁的4种方式是什么？arbistration 菊花链仲裁方式 集中式平行仲裁方式 采用自选择的分配式仲裁方式 采用冲突检测的分配式仲裁方式 32.说明取指-译码-执行周期的各个步骤 1. 将PC中的内容复制到MAR:MAR←PC； 2. CPU转向主存储器，提取由MAR给出的地址单元中的指令，并将指令放入指令寄存器IR中。同时，PC自动加1，现在PC指向程序的下一条指令：IR←M[MAR]和PC←PC+1; 3. 将IR中最右边的12位复制到MAR，并对IR最左边的4位进行译码，以确定操作码：MAR←IR[11-0]和译码IR[15-12]; 4. 如果需要，CPU将使用MAR中的地址转向存储器提取数据，并将数据放入MBR（可能是AC）中，然后执行该命令：MBR←M[MAR]，并且执行实际的指令。 33.中断驱动的I/O是如何工作的？ 当CPU要执行输入或输出指令时，首先通知相应的I/O设备；然后，继续处理其他的一些工作任务，直到该I/O设备准备就绪；这时，I/O设备会向CPU发送一个中断请求信号；随后，CPU会响应和处理这个中断请求；完成输入或输出操作后，CPU会继续其正常的取指-译码-执行周期。 练习题： 如果对一个2M * 32的主存储器按下列方式进行编址，需要多少位地址？ 存储器按字节编址。 需要23位 B)存储按字编址。 需要21位。 如果对一个4M * 16的主存储器按下列方式进行编址，需要多少位地址？ A）存储器按字节编址。 需要23位 B)存储按字编址。 需要22位。 6如果采用256K *8的RAM芯片来构建一个2M * 16的主存储器，且存储器按字编址。 共需要多少RAM芯片。 16 每个字需要多少RAM芯片 2 每个RAM芯片需要多少个地址位 18 这个存储器有多少组 8 所有的存储器需要多少地址位 21 如果使用高位交互存储方式，地址14（十六进制E）的存储单元位于什么位置 Bank0 对于低位交互存储方式重做习题F。 Bank6 8．一个计算机的存储单元的每个字有24位，指令集由150个不同的操作组成。所有指令都有一个操作代码部分，和一个地址部分。每条指令都存储在一个存储器字中。请问： A）操作码需要多少位8 b)指令的地址部分还留下多少位16 c)允许的最大存储器容量是多少2的16次方*3BYTE d）在一个存储器字中可能的最大的无符号二进制数是多少。2的24次方-1 第五章 指令集是根据，它对每个指令分配的位数，对每个操作数的位数，类型大小来区分的。 位端是另外一个需要考虑的体系结构 CPU存储数据的体系结构：栈体系结构，算数体系结构，通用目的寄存器体系结构。 指令长度可以是固定的也可以是多样的。 对于每一个可以改变的指令长度，可以使用扩展操作数。 ISA寻址模式：立即寻址 直接寻址 间接寻址 寄存器寻址 变址寻址 基数寻址 栈寻址。 一个使用了K级流水线的执行方式，会使它的速度提升K倍对于未使用流水线的执行方式。 流水线的危险是，流水线冲突，条件分支。 基本概念： 7.固定长度和可变长度的指令结构各有什么优缺点？当前哪一种指令结构更流行? 固定长度（fixed length）：会浪费一些存储空间，指令执行的速度快。在采用指令层次的流水线结构时，固定长度的指令系统的性能会更好些。 可变长度（variable length）：译码变得比较复杂，但是节省存储空间。 在实际设计中，通常会考虑一些折中的方案，采用两到三种不同的指令长度。 12.什么是寻址方式？ 指定指令中操作数位置的方法 13.举例说明下列的寻址方式： 立即寻址：在指令中操作代码后面的数值会被立即引用。Eg:指令Load 008的操作就是将数值8直接装入累加器AC中； 直接寻址：在指令中直接指定要引用的数值的存储器地址。Eg:指令Load 008的操作就是将存储器地址为008的存储单元中的数值装入累加器AC中； 寄存器寻址：采用一个寄存器来指定一个操作数，与直接寻址方式不同的是指令的地址域包含一个寄存器的引用。 间接寻址：地址域中的二进制数用来指定一个存储器地址，该地址中的内容将被用作一个指针，操作数的有效地址是通过访问这个存储器地址来获得的。Eg:指令Load 008的操作表示在存储器地址为008的单元中存放的数据值实际上就是所要求的操作数的有效地址，假设在008单元存放的数值为2A0，执行这条指令的操作之后就将地址为2A0的存储器单元中的内容装入到累加器AC中； 寄存器间接寻址：采用一个寄存器来代替某个存储器地址作为指针； 变址寻址：一个变址寄存器用来存储一个偏移量，将这个偏移量与操作数相加，就产生了指令所要求的数据的有效地址。Eg:如果指令Load X 中的操作数X是采用变址寻址方式编址的，若假定R1为变址寄存器，而且其中存放的数值为1，那么操作数的有效地址实际上就是X+1. 16.解释有关流水线体系结构的基本概念。 计算机使用时钟脉冲来精确控制各个操作步骤的顺利执行，但是有时还可以使用一些额外的脉冲来控制某个操作步骤中的一些小细节，有些CPU会将取指-译码-执行周期分成一些较小的步骤，其中的某些较小的步骤可以并行执行，这种时间上的交叠可以加快CPU的执行速度，这种方法称为流水线（pipeline）。 练习题： 13, 14 第六章 •Computer memory is organized in a hierarchy, with the smallest, fastest memory at the top and the largest, slowest memory at the bottom. 计算机存储器由层次结构组成，最顶端是规模最小速度最快的存储器，最底层的是规模最大速度最慢的存储器。 •Cache memory gives faster access to main memory, while virtual memory uses disk storage to give the illusion of having a large main memory. 当虚拟内存中包含了内存分配的东西，缓存可以最快的读取内存 •Cache maps blocks of main memory to blocks of cache memory.