计算机组成与体系结构

分值分布

1. 数据的表示

1.1 进制的转换

1.1.1 R进制–>十进制

按权展开法

1.1.2 十进制–>R进制

对于十进制转R进制，采取的就是对十进制数除R取余，最后对余数取倒序即可.

例：如果将十进制数94转8进制，那么除8取余即可，其他情况均是如此.

1.1.3 二进制–>八进制、十六进制

1.2 原码、反码、补码、移码

原码：最高位符号位，0表+，1表—，不足8位用0填充.（1-1的原码操作为-2≠0）

反码：最高位符号位，0表+，1表—,正数与原码相同，负数最高位不变，其余位按位取反.（1-1反码操作为-0≠0）

补码：最高位符号位，0表+，1表—,正数与原码相同，负数在反码基础上+1.（1-1补码操作为+0=0)

移码：是在特定场合用到，一般用作浮点运算中的阶码，在补码基础上首位取反.

数值表示范围：

例如：-127∽+127 ；反码：-127∽+127；补码：-128∽+127

补码比反码、原码表示的取值范围更大，原因在于0位置，少占一个编码.

原码：[+0]=00000000 [-0]=10000000

反码：[+0]=00000000 [-0]=11111111

补码：[+0]=00000000==[-0]=00000000

1.3浮点数运算

概念：即科学计数法，如1000=1X10³; 其中，1为尾数，10为基数，3为指数.

运算：当两个指数不等的浮点数相加时，把低阶对阶为高阶，然后尾数计算，并结果格式化.

例如：1.0×10³+1.19×10²，将1.19×10² 转化为0.119×10³ ，相加得1.119×10³，然后结果格式化.（小数点左边必须为非零的一位数，若结果为0.1119×10³ 则化为1.119×10² ）

2. 计算机结构

运算器

ALU：负责处理数据，实现对数据的算术运算和逻辑运算.

AC：是一个通用寄存器，功能是当运算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区.

DR：在对内存储器进行读写操作时，用DR暂时存放由内存储器读写的一条指令或一个数据字，并将不同时间段内读写的数据隔离开.

PSW：PSW保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条码内容.(存标志位)

控制器

PC：用于存放下一条指令的地址。当一条指令被获取后，程序计数器的地址加1，指向下一条指令的地址.

IR：用于存放当前从主存储器读出的正在执行的一条指令.

AR：用于保存当前CPU所访问的内存单元的地址.

ID：指令分为操作码和地址码两部分，为了执行指令，必须对操作码进行分析。ID可以对之指令中的操作码字段进行分析和解释，识别该指令规定的操作，向操作控制器发出具体的控制信号，控制各部件工作，从而完成所需的功能.

3. Flynn分类法

4. CISC与RISC

指令系统类型	指令	寻址方式	实现方式	其他
CISC(复杂)	数量多，使用频率差别大，可变长格式	支持多种	微程序控制技术(微码)	研制周期长
RISC(精简)	数量少，使用频率接近，定长格式，大部分为单周期指令，操作寄存器，只有Load/Store操作内存	支持方式少	增加了通用寄存器；硬布线逻辑控制为主；适合采用流水线	优化编译，有效支持高级语言

5. 流水线技术

5.1基本概念

未使用流水线有大量部件的时间片处于空闲状态.

5.2流水线计算

流水线周期：2ns（取指、分析、执行中最长的一段）

理论公式：（2+2+1）+（100-1）×2=203

实践公式：（3+（100-1））×2=204（k表示指令被分为几段）

5.3流水线吞吐量计算

上一问中：TP=100/203

最大吞吐率（理想情况）：TPmax=1/2（Δt=流水线周期=2ns）

5.4 流水线加速比计算

上例中

不使用流水线时间：（2+2+1）×100=500ns

使用流水线时间：（2+2+1）+（100-1）×2=203ns

流水线的加速比：S=500/203

流水线效率：（Δt+Δt+Δt+3Δt）X4/15ΔtX4

6. 存储系统

6.1 层次结构

CPU中有运算器和控制器，而在运算器和控制器中，就会存在相应的寄存器。而寄存器的容量是极小的，但是速度非常快.

Cache中所有内容都来自于主存，Cache存主存中的很小一部分内容。Cache不是必须的，相对于内存来说极小，但不加可能慢上百倍.

原因：（局部性原理）程序运行过程中，刚执行完一条指令，很可能再次执行该条指令，会频繁不断执行相同指令（例：循环语句）.

Cache按内容存取：存信息时，会考虑信息的内容，不同内容存到不同区域；读内容时，通过内容计算，便知道存到了哪个区域。又叫相联存储器，速度效率远高于按地址存储的方式.

6.2 Cache概念

命中率：读取数据时，能够获取到需要数据的概率.

t1=1ns ；t2=1ms=1000ns ；h=95%

t3=1×95%+（1-95%）×1000=50.95ns

局部性原理：主要是讲计算机在处理相关的数据和程序的时候，一般都会有某个时段，集中访问某些指令.

时间局部性：指如果程序中的某条指令一旦被执行，则不久的将来该指令可能再次被执行.

空间局部性：指一旦程序访问了某个存储单元，则在不久的将来，其附近的存储单元也最有可能被访问.（处理数组时，操作的是邻近的一个一个的空间，当程序访问了一个空间，立即又访问它临近的空间）

6.3 主存

6.3.1 主存—分类

随机存取存储器（RAM）：例如内存，特点：一旦断电，内存当中的所有数据都将被清除掉.

只读存储器（ROM）：在断电后，仍然能够存储相应的信息.

6.3.2 主存—编址

编址：把芯片组成相应的存储器.

分析问题：什么规格的芯片、多少块，能够组成按什么方式编址的存储空间.

例如：8*4位的存储器；8：有8个地址空间；4：每个地址空间存储了4bit的地址信息.

例题中

地址单元个数：C7FFFH-AC000H+1=1C000=1C000/2^10=112K

总容量：112（K）×16（bit）=28（片）×16（K）× y（bit），求得y=4

所以每个存储单元存4bit

7. 磁盘结构与参数

旋转周期33ms—>转一圈33ms，有11个记录，即平均每个记录用3ms，意味着读取一个记录需要消耗3ms时间，因为磁盘对应需要读取的区域从磁头经过，磁头会将相应的数据读取出来；所以说起点即R0开始的位置，经过3ms把数据读取出来。单缓存区：只有一个缓存区，把记录读出来之后就把数据放到了缓存区当中，之后就要对记录进行处理，处理需要3ms。单缓存区意在表达：R0读取到缓存区之后，磁头到达了R1的开始位置，不能直接读取R1到缓存区，因为现在缓存区中存了R0，需要3ms的处理时间，没处理完新的记录进不来，磁盘就会继续往前转动，磁盘处理起来不会停，会一直匀速运动，等到R0处理完，磁头已经到了R2的开头，但现在想处理的是R1，所以磁盘会继续转动，直到转到R1的开始位置，往后同理.

总结：把R0处理完，并且把磁头转到开始下一条记录读取的位置，总共花转了一圈+1条记录=33+6=36ms（R0的读取、处理、并将磁头定位到了下一条要处理的R1开始的位置）

以此类推，R0~R9=36×10ms，R10=3+3=6ms，处理时间：360+6=366ms

优化分布：

（3+3）×11=66ms

8. 总线系统

9. 可靠性

串联系统

所有的子系统必须正常运行整个系统正常

可靠度=R1×R2×…Rn，相乘：要在R1可靠的基础上同时R2…Rn可靠所以累成起来.

失效率=λ1+λ2…+λn，只是近似公式

并联系统

多个子系统并联在一起，多个子系统中有一个能够正常运行，则整个系统都能够正常运行，只有当所有系统都失效的时候，整个系统才失效.

例如：假设每个子系统可靠度=0.9，整个子系统（3个）可靠度R=1-(1-0.9)^3，失效率μ=1-R

n模冗余模型

混合系统

10. 校验码

10.1 CRC

可以检错不能纠错，原理：尾部加校验信息，让编码后的数据与生成多项式的余数为0，除法是模二除法，进行异或操作，相同为0不同为1.

例子：

1、把多项式转成二进制—>11011

2、在原始报文后加生成多项式-1个0—>加4个0

3、进行模二除法

4、余数替换加的0的位数—>0011替换0000

5、验证—>110010101010011与11011进行模二运算余数为0

10.2 海明校验码

1、校验位和信息位的关系：

2^R>=X+R+1，X：信息位的个数，R：校验位的个数

2、校验位的计算：